PWM整流技术地的综述

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1、丈止4朋网络教育学院电源技术课程设计题 目：PWM整流技术综述学习中心： 浙江长兴奥鹏学习中心【13】B层次：高中起点专科专业：电气工程及自动化年 级： 2010年春/秋季学号：200802029162学 生：柏征宇辅导教师：许伟完成日期：2010年02月 25日PWM整流技术综述摘 要:PWM 整流器以其优越的性能和潜在的优势得到了广泛地应用。文章介 绍了各种PWM方法及在PWM整流器中的实现和应用，并就目前PWM整流 技术在主电路结构及其控制策略方面的研究现状进行了综述。关键词:PWM;整流器；电压源型；电流源型引 言PWM技术从最初追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通的正弦, 取得

2、了突飞猛进的发展。而PWM整流器具有输入电流正弦，谐波含量低，功率 因数高及双向能量流动，体积小及重量轻等特点，在功率因数补偿，电能回馈, 有源滤波等领域得到越来越广泛的应用。按是否具有能量回馈功能,PWM整流器可分为无能量回馈整流器和有能量回馈整流器；按主电路拓扑结构和外特性分,PWM整流器可分为电压源型和电流源型高频整流器。近 年来，为了提高PWM整流器性能，在控制策略上有不少现代控制方法和技术 在整流器中的应用研究，如基于Lya - Punov稳定理论的控制策略；基于现代控 制理论的模糊控制、滑模变结构控制策略和基于人工神经网络理论的控制策略 等。本文从整流器的主电路拓扑结构和控制策略着

3、手，对该项技术进行了综述。1. PWM整流器主电路拓扑结构和工作原理PWM整流器按其主电路拓扑结构分为单开关与多开关型；根据输入电源相 数分为单相和三相 PWM整流电路;按电路结构和特性分为电压源型和电流源 型。由于单相PWM整流器功率小，应用少，下面只介绍目前在实际应用广泛 的三相PWM整流器。1. 1无能量回馈功能的整流器无能量回馈型单管三相 PWM 整流电路如图1所示,(a)为boost型,(b) 为buck型，其最大的优点是简单、经济。由于仅有一个可控元件 ，要使三相电 流均为正弦波且与电压同相位是十分困难的 ，一般这种电路只工作在 DCM方 式(不连续电流模式)，这时每相电流峰值和每

4、相电压成正比，每相电流峰值为正弦，由于电流不连续，自然形成零电流开通。开关管在关断时，要关断三相电流，所以关断损耗大， 并且随着输出功率增大，输入电流的峰值迅速增加，电流应力问题更加突出。为 了解决这一问题，我们可用同一个脉冲驱动三个下管，这时可将电流应力减少30%左右。jrsft2x41: Dm si.蛰S】单曹1三相RVM主电路1.2有能量回馈功能的整流器1.2. 1电压源型三相桥式PWM整流器图2是三相电压型PWM整流器主电路，它具有很快地响应和更好的输入 电流波形，稳态工作时，输出直流电压不变，开关管按正弦规律脉宽调制，整流 器交流测的输出电压和逆变器相同，忽略整流器输出交流电压的谐波

5、，变换器可 以看作是可控正弦三相电压源，它和正弦的电网电压共同作用于输入电感，产生正弦电流波形，适当控制整流器输出电压的幅值和相位，就可以获得所需大小和 相位的输入电流。1.2. 2电流源型三相PWM 整流器与图2相对偶的是图3所示的电流源型三相PWM整流器，其输出呈直流 电流源特性，利用正弦调制方法控制直流电流I在各开关器件的分配，使交流电流波形接近正弦波，且和电源电压同相位，交流侧电容的作用是滤除与开关频 率有关的高次谐波。电流源型整流器的优点是：由于输出电感的存在，它没有 桥臂直通过流及输出短路问题；开关器件直接对直流电流作脉宽调制，所以其输入电流控制简单，控制速度快。缺点是：整流器输出

6、电感的体积、重量和损 耗大；常用的全控器件都是双向导通的，主电路构成不方便且通态损耗大。期2电压型三相RW聚瀝哥主电踣除上述的电压源型和电流源型PWM 整流器外，从基本电路结构上还派生出了一些其它的电路形式，如三相四线型的 PWM整流器，它能为后端的三 相UPS提供中点而无需变压器；再如低成本四开关三相整流电路 ，它比常规三相 整流器少用一个桥臂。另外一种很有应前景的整流器如图4所示的三电平PWM整流器，应用开关频率较低的 GTO时，这种电路较合适，开关频率在 300600Hz时就能满足对输入电流谐波的要求 ，这种电路的另一优点是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此该电路

7、特别适合于高电压大容量的应用场合。闍4三也平呗閘整流器电路2 PWM整流器的控制方式PWM控制技术主要有电压控制 PWM、电流控制PWM、空间电压矢量控 制、谐振开关控制PWM等多种。为了提高PWM整流器的动态性能和稳态性 能，比较成功地应用于 PWM整流器的控制方案主要有以下几种控制策略。2. 1间接电流控制间接电流控制即幅相控制，它以控制变流器前端输入点电压的幅值和相位来达到控制输入电流相位的目的，常用的间接电流控制系统结构图如图5所示其中PWM整流器主电路为图2所示电路，系统以直流侧电压作闭环控制，电压环采用PI调节器,PI调节器输* *出信号作电流指令id , id的大小和整流器流入电

8、流的幅值成正比。稳态时 ，*Udc二Ude, PI调节器输入为零,而PI调节器输出id和整流器负载电流的大小 相对应，也和整流器交流输入电流的幅值相对应。当负载电流变化，则经过调节 达稳态后PI输入仍为零，而id与新 的负载电流相对应。若整流器变为逆变运行时，则输入电流与输入电压反向，稳* *态时仍是Ude= Ude , PI调节器输入为零，输出id为负值，与逆变电流大小相对 应。这种控制方法优点是控制简单。缺点 ：当R、L的运算值和实际值有误 差时，影响控制效果；电压环响应速度较慢；网侧存在着直流偏移量 ，因而 在瞬态时输入滤波器易出现振荡和负载电流发生畸变。图s闻接咆滾揑制紡构権開2. 2

9、直接电流控制这类控制中，通过运算求出交流电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交 流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。直接电流控制中，又有不同的电流跟踪方法，常见的有滞环电流控制（HCC）和预测电流控制，滞环电流控结构如图6所 示。它是一个双闭环控制系统，其外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环 它将电流给定信号与检测到的变流器实际输入信号做比较后，通过滞环对各开关器件进行控制，可使实际电流围绕给定电流做锯齿状的变化 ，并将偏差电压控制在 一定范围内。这种控制机理清晰、简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好。其不足之处是开 关频率可变，平均开关频率随负载电流的变化而变化，导致开关状态的不稳定

10、性和 随意性。预测电流控制是在固定的采样周期内，根据电路的模型选择最优控制电压矢量，再选择合适电压控制矢量来决定三相桥臂各功率器件的通断，使其在采样 周期内的平均电压等于估算出的最优控制电压，实际上是以本次采样实际电流与下一个采样时刻的预测参考电流进行比较，求出最优控制电压以及电压空间矢量 使得电流误差最小，迫使下一个采样时刻的实际电流以最优特性跟踪这一时刻参 考电流，由图2的变压器，可有方程：Uk=Ldi k/dt+Rik+Urkk =A, B, C(1)式中:Uk为电源电压；Ldik /dt, Rik分别为滤波电感和开关器件压降；Urk是 调制电压的基波分量。设dk为一个开关周期的占空比，

11、则调制电压为：Udk=u 0（dk-0.5）如果线电流在一个开关周期内 Ts内由现值ik变到指令值i ,则需要的电流变化率为：dik ick ikdt Ts由此可得：d k=Rikick ikL Ts ）由式得到占空比来控制开关管的通断，则线电流被迫在规定的开关周期内达到预测值。为使线电流为正弦，指令电流应为:ick= i cmcos 3t + 6c- (k - 1) (5)式中：6c为对开关延迟的补偿。预测电流控制结构图如图 7所示,这种控制方法的 特点是控制简单，类似于幅相控制，电压环响应速度快；缺点是整个系统对参数的变化较敏感。图7预测电流控制2. 3同步旋转坐标系下的电流控制同步旋转坐

12、标系下的电流控制框图如图8示,它实际上是矢量控制PWM的具体应用，它是目前应用最广泛的一种控制方式，它采用坐标变换将三相坐标系下的交流量变成直流量，可以用PI调节器进行电流控制，清除静差。在同步 坐标系下，d轴和q轴电流是独立控制的，一般是控制d轴电流以控制有功，控制 q轴电流以控制无功，为使整流器运行在单位功率因数的状态下，采用使iq = 0的 控制方式实现。由于引入电流状态反馈和电网电压作为前馈控制，使得系统输入电流解耦，提高了动态性能，同时对参数的变化不敏感，稳定性比较高。liiuli心宀恂擋图同步旋转坐标系下的控扛框超2. 4预测电流控制预测电流控制是在固定的采样周期内，根据电路模型选

13、择最优控制电压矢量 并由此决定三相桥臂各功率器件的通断。实际上它是以本次采样实际电流与下一 采样时刻的预测电流进行比较，求出最优控制电压以及电压空间矢量，使电流误 差最小。该方法的优点是，控制简单，可获得比较快速、准确地响应，在高开关频率 时，电流精度高。缺点是整个系统对参数的变化敏感，鲁棒性差。2. 5滑模变结构控制策略近年来PWM变流器的滑模变结构控制方式已有出现，它是为了解决变流 器的时变参数问题而提出的一种控制方案。因为整流器的开关切换动作与变结构 系统的运动点沿切换面高频切换动作上有对应关系，因而用滑模变结构的方法来控制整流器。它实质是用滑模控制器来代替传统的外环PI控制器。用滑模控

14、制器的整流器系统的优点是系统的鲁棒性好，抗干扰能力强，动态品质好。3 结束语近年来国内外学者在整流器研究上，做了不少的工作,PWM整流器应用 将会越来越广泛，单位功率因数整流器的研究已成为电力电子领域的一大热点。 目前PWM整流器研究主要是探索新的电路拓扑和如何提高整流器的稳态和 动态性能。在主电路拓扑方面，除基本的电压源型和电流源型三相单开关和三相 多开关PWM整流器主电路外,现已出现三电平、五电平和七电平结构,随着功 率器件性能和应用水平的提高，将会有更好的主电路拓扑结构出现。在控制方法方面，目前，已有多种控制策略在整流器中得到应用，如同步旋转坐标下的电流控制很好地解决了系统的稳定性能问题，在提高动态性能方面如何降低系统对参数的敏感程度，可利用如模糊控制、神经网络控制、状态反馈等先进的控制技 术来提高系统的鲁棒性和其它动态性能 ；另外，除了一些常用的控制策略外，还有基于Lyapunov的非线性大信号控制等方法也是研究的热点。总之，国内外中 小型的PWM整流器已有成功的应用，而大功率PWM整流器应用仍需研究 和完善。