PWM整流电路的原理分析.pdf

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第29卷第4期2007年8月电气电子教学学报JOURNALOFEEEVol.29No.4Aug.2007PWM整流电路的原理分析黄海宏,王海欣,张毅,许月霞（合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009）收稿日期:

2007-04-06;修回日期:

2007-05-15第一作者:

黄海宏（1973-）,江西清江人,硕士,讲师,主要从事电力电子和自动控制方面的研究摘要:

无论是不控整流电路,还是相控整流电路,功率因数低都是难以克服的缺点。

PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路,本文以电力电子技术教材为基础,详细分析了单相电压型桥式PWM整流电路的工作原理和四种工作模式。

通过对PWM整流电路进行控制,选择适当的工作模式和工作时间间隔,交流侧的电流可以按规定目标变化,使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动,且交流侧电流非常接近正弦波,和交流侧电压同相位,可使变流装置获得较高的功率因数。

关键词:

PWM整流电路;功率因数;交流侧;直流侧中图分类号:

TM46文献标识码:

A文章编号:

1008-0686（2007）04-0028-04AnalysisofPWMRectifierFundamentalHUANGHai2hong,WANGHai2xin,ZHANGYi,XUYue2xia（Schoolofelectricandautomationengineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China）Abstract:

Notonlyuncontrolledrectifierbutalsophasecontrolledrectifierhavethesameweaknessoflowpowerfactor.PWMrectifierismadeoffull2controlleddevice,workingasPWMmode.BasedonteachingmaterialofPowerElectricTechnology,thispaperanalysesfundamentalandfourworkmodesofsinglephasevoltagetypePWMrectifier.Ifappropriateworkmodesandrightintervalbetweenvariousmodesareadopted,thecurrentofACsidewillvaryaccordingtoscheduledaim,theenergycanbebidirectionalflowbetweenACsideandDCside.ThecurrentofACsideisclosetosinewaveverymuch,andgetsthesamephasewithvoltageofACside,thentheconvertwillgethighpowerfactor.Keywords:

PWMrectification;powerfactor;ACside;DCside0引言传统的整流电路中,晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压,其滞后角随着触发角的增大而增大,位移因数也随之降低。

同时输入中谐波分量也相当大,因此功率因数很低。

而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1,但输入电流中谐波分量很大,功率因数也较低。

PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路,它能在不同程度上解决传统整流电路存在的问题。

把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路,就形成了PWM整流电路。

通过对PWM整流电路进行控制,使其输入电流非常接近正弦波,且和输入电压同相位,则功率因数近似为1。

因此,PWM整流电路也称单位功率因数变流器。

参考文献1在第6章“PWM控制技术”中增添了“PWM整流电路及其控制方法”这一部分内容。

但在PWM整流电路的工作原理中介绍篇幅较少,只是针对PWM整流电路的运行方式相量图进行分析,没有分析其工作过程。

对PWM整流电路不熟悉的教师在了解这部分内容时普遍感觉吃力。

1单相电压型桥式PWM整流电路电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统,为间接式变频电源提供直流中间环节,其电路如图1所示。

每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。

L为交流侧附加的电抗器,在PWM整流电路中是一个重要的元件,起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。

为简化分析,可以忽略L的电阻。

图1电压型单相桥式PWM整流电路除必须具有输入电感外,PWM整流器的电路结构和PWM逆变电路是相同的。

按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图1中的V1V4进行SPWM控制,就可以在桥的交流输入端ab产生一个SPWM波uab。

在uab中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量,以及和三角波载波有关的频率很高的谐波,但不含有低次谐波。

uab与电网的正弦电压us共同作用于输入电感L上,产生正弦输入电流is。

当us一定时,is幅值和相位仅由uab中基波幅值及其与us的相位差决定。

通过控制整流器交流侧的电压uab的幅值和相位,就可获得所需大小和相位的输入电流is。

L在电路中承担了平衡电压的作用,其两端电压uL=Ldis/dt,可得UL=jLIs=us-uab其矢量关系如图2所示2。

图中=arctanLIsUs,Us和Is分别是电网电压和电流的有效值。

（a）整流运行（b）逆变运行图2PWM整流电路运行方式向量图图2（a）中is与us同相,电路为整流运行,功率因数为1;图2（b）中is与us反相,电路为逆变运行。

这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动。

不考虑换相过程,在任一时刻,电压型单相桥式PWM整流电路的四个桥臂应有两个桥臂导通。

为避免输出短路,1、2桥臂不允许同时导通,同样3、4桥臂也不允许同时导通。

PWM整流电路有四种工作模式,根据交流侧电流is的方向,每种工作模式有两种工作状态。

图3PWM整流电路运行方式当交流输入电源电压us位于正半周时,各模式工作情况如下。

方式1为1、4号桥臂导通,Ldisdt=us-uab电流为正时,VD1和VD4导通,交流电源输出能量,直流侧吸收能量,电路处于整流状态;电流为负时,V1和V4导通;交流电源吸收能量,直流侧释放能量,处于能量反馈状态。

如图3（a）所示。

方式2为2、3号桥臂导通,Ldisdt=us-uab电流为正时,V2和V3导通,交流电源和直流侧都输出能量,L储能;电流为负时,VD2和VD3导通,交流电源和直流侧都吸收能量,L释放能量。

如图3（b）所示。

方式3为1、3号桥臂导通,Ldisdt=us92第4期黄海宏,王海欣等:

PWM整流电路的原理分析直流侧与交流侧无能量交换,电源被短接,电流为正时,VD1和V3导通,L储能;电流为负时,V1和VD3导通,L释放能量。

如图3（c）所示。

方式4为2、4号桥臂导通,Ldisdt=us直流侧与交流侧无能量交换,电源被短接,电流为正时,V2和VD4导通,L储能;电流为负时,VD2和V4导通,L释放能量,如图3（d）所示。

在方式3和方式4中,交流电源被短路,依靠交流侧电感限制电流。

在方式1和方式2中,由于电流方向能够改变,交流侧与直流侧可进行双向能量交换。

按同样方法可分析us位于负半周时各模式的工作情况。

采用脉宽调制方式,通过选择适当的工作模式和工作时间间隔,交流侧的电流可以按规定的目标增大、减小和改变方向,从而控制交流侧电流is的幅值和相位,并使波形接近于正弦波。

图4为电压型单相桥式PWM整流电路整流运行,功率因数=1时的工作波形。

图4电压型单相桥式PWM整流电路整流运行,功率因数=1时的工作波形2电压型和电流型PWM整流电路图5是三相桥式PWM整流电路,其应用非常广泛,工作原理与单相桥式PWM整流电路相似。

对6个全控器件按一定要求和方式进行控制,在交流输入端a、b、c可得到SPWM电压。

对各相电压进行控制,就可以使各相电流为正弦波且和电压相位相同,功率因数近似为1。

图5三相电压型PWM整流电路三相电流型PWM整流电路如图6所示。

由于电力MOSFET和大多数IGBT内部漏极（集电极）和源极（发射极）间有反并联的二极管,为了防止电流反向流动,在功率开关管V1V6的漏极串接了整流二极管VD1VD6。

显然,这种整流电路不能实现电流回馈,但通过控制L1的电流变化可使得直流侧电压ud按交流形式变化,同样可以实现能量双向流动。

因整流器直流输出需要很大的平波电抗,装置体积较大,电流型PWM整流器一般不用于单相。

从交流侧看,电流型PWM整流器可看成是一个可控电流源。

与电压型PWM整流器相比,它没有桥臂直通导致的过流和输出短路的问题。

功率管直接对直流电流作脉宽调制,所以其控制相对简单。

图6三相电流型PWM整流电路电流型PWM整流器应用不如电压型PWM整流器广泛。

主要原因有两个:

电流型PWM整流器通常要经过LC滤波器与电网联接,LC滤波器和直流侧的平波电抗器L1的重量和体积都比较大;（下转第33页）03电气电子教学学报第29卷+00100-2.5u1u2y1y2=1005x1x3+0005u1u2解:

设状态量x1=uc1,x2=iL2,x3=iL3,输出量y1=x1,电路模型如图4所示。

对电路进行PSpice仿真分析,得到状态量和输出量的时域波形如图5所示。

图4例题系统状态空间表达式的电路模型（a）状态量x1的曲线（b）状态量x2和x3的曲线（c）输出量y2的曲线（d）x12y2的状态轨迹图5系统的单位阶跃响应3结论任意线性定常系统的状态空间表达式都可以用电路模型表示。

应用PSpice对电路模型进行仿真分析,可以得到任意激励下系统的时域特性,以及频域特性和状态轨迹。

这对于状态量不能直接测量的系统尤为有益。

参考文献:

1宁元中.常微分方程的PSpice宏模型J.成都:

四川大学学报（工程科学版）,2002,34（6）:

90-942刘豹.现代控制理论M.第2版.北京:

机械工业出版社,19923王辅春.电子电路CAD与OrCAD教程M.北京:

机械工业出版社,2005（上接第30页黄海宏等文）常用的全控器件多为内部有反并联二极管反向自然导电的开关器件,为防止电流反向必须再串联一个二极管,主回路构成不方便且通态损耗大。

电流型PWM整流器通常只应用在功率非常大的场合,这时所用的开关器件GTO本身具有单向导电性,不必再串二极管,而电流型PWM整流器的可靠性又比较高,对电路保护比较有利。

参考文献:

1王兆安,黄俊.电力电子技术（第4版）M.北京:

机械工业出版社,20042林渭勋.现代电力电子技术M.北京:

机械工业出版社,200633第4期李世琼,宗伟:

线性定常系统状态空间表达式的电路模型