單相電壓型PWM整流電路原理分析與仿真

0 引 言
    眾所周知，在傳統(tǒng)的整流電路中，晶閘管可控整流裝置的功率因數(shù)會(huì)隨著其觸發(fā)角的增加而變壞，這不但使得電力電子類裝置成為電網(wǎng)中的主要諧波因素，也增加了電網(wǎng)中無功功率的消耗。
    PWM整流電路是采用脈寬調(diào)制技術(shù)和全控型器件組成的整流電路，能有效地解決傳統(tǒng)整流電路存在的問題。通過對(duì)PWM整流電路進(jìn)行有效的控制，選擇合適的工作模式和工作時(shí)序，從而調(diào)節(jié)了交流側(cè)電流的大小和相位，使之接近正弦波并與電網(wǎng)電壓同相或反相，不但有效地控制了電力電子裝置的諧波問題，同時(shí)也使得變流裝置獲得良好的功率因數(shù)。

1 單相電壓型橋式PWM整流電路的結(jié)構(gòu)
    單相電壓型橋式PWM整流電路最初出現(xiàn)在交流機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)中，為間接式變頻電源提供直流中間環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)橋臂由一個(gè)全控器件和反并聯(lián)的整流二極管組成。L為交流側(cè)附加的電抗器，起平衡電壓，支撐無功功率和儲(chǔ)存能量的作用。圖1中uN(t)是正弦波電網(wǎng)電壓；Ud是整流器的直流側(cè)輸出電壓；us(t)是交流側(cè)輸入電壓，為PWM控制方式下的脈沖波，其基波與電網(wǎng)電壓同頻率，幅值和相位可控；iN(t)是PWM整流器從電網(wǎng)吸收的電流。由圖1所示，能量可以通過構(gòu)成橋式整流的整流二極管VD1～VD4完成從交流側(cè)向直流側(cè)的傳遞，也可以經(jīng)全控器件VT1～VT4從直流側(cè)逆變?yōu)榻涣?，反饋給電網(wǎng)。所以PWM整流器的能量變換是可逆的，而能量的傳遞趨勢(shì)是整流還是逆變，主要視VT1～VT4的脈寬調(diào)制方式而定。

 因?yàn)镻WM整流器從交流電網(wǎng)吸取跟電網(wǎng)電壓同相位的正弦電流，其輸入端的功率是電網(wǎng)頻率脈動(dòng)的兩倍。
    由于理想狀況下輸出電壓恒定，所以此時(shí)的輸出電流id與輸入功率一樣也是網(wǎng)頻脈動(dòng)的兩倍，于是設(shè)置串聯(lián)型諧振濾波器L2C2，讓其諧振輸出電流基波頻率的2倍，從而短路掉交流側(cè)的2倍頻諧波。

2 單相電壓型橋式整流電路的工作原理
    圖2是單相PWM電壓型整流電路的運(yùn)行方式相量圖，us1(t)設(shè)為交流側(cè)電壓Us(t)的基波分量，iN1(t)為電流iN(t)的基波分量，忽略電網(wǎng)電阻的條件下，對(duì)于基波分量，有下面的相量方程成立，即：

可以看出，如果采用合適的PWM方式，使產(chǎn)生的調(diào)制電壓與網(wǎng)壓同頻率，并且調(diào)節(jié)調(diào)制電壓，以使得流出電網(wǎng)電流的基波分量與網(wǎng)壓相位一致或正好相反，從而使得PWM整流器工作在如圖2所示的整流或逆變的不同工況，來完成能量的雙向流動(dòng)。

假設(shè)整流時(shí)有：

設(shè)Ucm為三角載波幅值；us(t)為單極性SPWM波，采用狀態(tài)空間平均模型分析，us在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值表示為：

時(shí)能否使得交流側(cè)獲得高功率因數(shù)，此時(shí)有：

從相量圖及式(8)可以看出為保持單位功率因數(shù)，通過脈寬調(diào)制的適當(dāng)控制，在不同的負(fù)載電流下，使向量端點(diǎn)軌跡沿直線AB運(yùn)動(dòng)。同理也能得到逆變工況下的運(yùn)行條件，這里不再贅述。

3 單相電壓型PWM整流電路工作過程分析
    可以將電壓型單相橋式PWM整流電路的4個(gè)橋臂看成4個(gè)開關(guān)，任一時(shí)刻應(yīng)有兩個(gè)橋臂導(dǎo)通。為避免輸出短路1，2橋臂和3，4橋臂都不允許同時(shí)導(dǎo)通。因此PWM整流電路有4種工作模式。圖3(c)給出PWM整流電路在整流工況下的控制信號(hào)時(shí)序分布。從圖中可以看出隨著調(diào)制信號(hào)的正、負(fù)半周變化，電路在如圖3(a)，(b)所示的短路、整流、短路3個(gè)狀態(tài)中交替變換。因此交流側(cè)電壓us(t)是一個(gè)單極性PWM波形，輸出幅值為±Ud和0；而對(duì)應(yīng)的電感L上壓降uL分別取uN,uN-Ud和uN+Ud三種不同的值，這樣通過調(diào)節(jié)調(diào)制比m就能有效控制us1，進(jìn)而使得電路的功率因數(shù)為1。

4 單相電壓型PWM電路控制策略分析
    根據(jù)功率平衡原理，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有下式成立：

式中：Uc*是直流輸出參考電壓。對(duì)式(9)做拉氏變換，得到Id與Ud的傳遞函數(shù)：

假設(shè)PWM開關(guān)頻率足夠高，電流滯環(huán)可以使用一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)代替，從而產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)參考電流Id*到Id的傳遞關(guān)系：

式中：Ti電流滯環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。為了濾除直流電壓偏差中的二次紋波，可設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，若采用簡(jiǎn)單的一階低通濾波器，則截止頻率(fc=1／Tc)一般選在二分之一基波頻率以下，濾波器傳遞函數(shù)為：

根據(jù)前述分析得到采用直接電流控制策略時(shí)單相PWM整流器的控制框圖如圖4所示。參考電壓Udref與直流側(cè)輸出電壓Ud的差值，經(jīng)低通濾波器后經(jīng)PI調(diào)節(jié)與正弦同步信號(hào)相乘，產(chǎn)生參考電流信號(hào)isref，與相應(yīng)的源側(cè)電流反饋信號(hào)isf，做比較，形成電流偏差信號(hào)，這樣隨著橋入端電平更迭，網(wǎng)側(cè)電流將始終圍繞電流給定值升降，把偏差信號(hào)加入相應(yīng)的輸入調(diào)節(jié)電壓前饋，經(jīng)滯環(huán)控制就得到調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)與三角波載波相比較產(chǎn)生開關(guān)脈沖，經(jīng)輸出去控制理想開關(guān)。

5 單相電壓型橋式PWM整流電路的仿真
    基于前述分析在Simulink 6．O軟件中，對(duì)單相電壓型PWM整流電路建立仿真電路，如圖5所示。

其中各個(gè)功能塊用子系統(tǒng)封裝好。主要有控制功能塊：包括電壓比較，電流比較，PI，P調(diào)節(jié)，低通濾波，三角載波信號(hào)功能子模塊，正弦同步信號(hào)輸出模塊。對(duì)全橋整流部分進(jìn)行了封裝，結(jié)構(gòu)和圖1所示相同。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：交流側(cè)電網(wǎng)電壓220 V，工頻直流側(cè)電阻R=10 Ω。主電路儲(chǔ)能元件參數(shù)為L(zhǎng)N=3 mH，C=143μF。PI參數(shù)Ki=2.3,τi=128。直流側(cè)參考電壓仿真結(jié)果如圖6所示。

 從圖6中可看出仿真電路穩(wěn)定運(yùn)行后交流側(cè)電流為規(guī)則正弦波且與交流側(cè)電壓同相位。仿真后的電路功率因數(shù)穩(wěn)定后，大于0．995基本接近于1。

6 結(jié) 語
    由于傳統(tǒng)教學(xué)中有關(guān)PWM整流電路與應(yīng)用等方面的論述中沒有很詳細(xì)地分析PWM整流電路的原理及其具體工作過程，在此以單相電壓型PWM整流電路為例，詳盡地討論其工作原理，分析具體的工作模式，給出了系統(tǒng)相應(yīng)的控制策略，設(shè)計(jì)了單相電壓型PWM整流電路的仿真模型，并加以驗(yàn)證取得了滿意的控制效果。對(duì)有關(guān)PWM整流電路教學(xué)實(shí)踐與工程實(shí)際應(yīng)用有一定的參考意義。