PWM整流电路工作原理

PWM整流电路的原理分析摘要: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。1 概述传统的整流电路中，晶闸管相控整流电路的输人电流滞后于电压，其滞后角随 着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。同时输人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，但输人电流中谐波 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，使其输人电流非常接近正弦 波，且和输人电压同相位，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I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人电感外，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VIV4,从进行SPWM控制，就可以在桥的交流输人 端ab产生一个SPWM波u。在u中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量, ab ab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。与电网的正弦电压匕共同作用于输人 电感L上，产生正弦输人电流i。当u定时，i幅值和相位仅由u ©中基波幅值及其 与u的相位差决定。通过控制整流器交流侧的电压Ub的幅值和相位，就可获得所需 大小和相位的输人电流i,s2单相电压型桥式PWM整流电路电压方程L在电路中承担了平衡电压的作用，其两端电压u=Ldi,/d t,可得LU = j«LI =u -uLS S eb3单相电压型桥式PWM整流电路其矢量关系图育Uh(a)整流运行(b) 逆变运行图2 P WM整流电路运行方式向量图图中6二arctansLIs/U，U和分别是电网电压和电流的有效值。图2(a)中1与u同相,，电路为整流运行，功率因数为I;图2(b)中i与u反相，电S SS S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。4单相电压型桥式PWM整流电路运行模式不考虑换相过程，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i的方向，每种工作模式 S有两种工作状态。输人电压u位于正半周时，各工作模式S 运行方式1： 1,4号桥臂导通，Ldi/dt二U - USS ab电流为正时，VD和VD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，V和V导通，交流电源吸收能量，直流侧释放能量，处于能 14量反馈状态。 运行方式2： 2、3号桥臂导通，Ldi/dt=U -USS ab电流为正时，V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， VD和VD导通，交流电源和直流侧都吸收能量,L释放能量。23 运行方式3：1、3号桥臂导通，Ldi$/dt=U直流侧与交流侧无能量交换，电源被短接，电流为正时，VD和V导通，L储能；13 电流为负时，V和VD导通，L释放能量。13 运行方式运行方式4：2、4号桥臂导通，Ldi /dt=USS直流侧与交流侧无能量交换，电源被短接，电流为正时，V和VD导通，L储能；24电流为负时，VD和V导通，L释放能量。24输人电压u位于负半周时，各工作模式S 运行方式1： 1,4号桥臂导通，Ldis/dt二-Ub电流为正时，VD和VD导通，交流电源和直流侧都吸收能量,L释放能量；交流14电源和直流侧都输出能量丄储能。 运行方式2： 2、3号桥臂导通，Ldi /dt=U -US S ab电流为正时，V和V导通，交流电源吸收能量，直流侧释放能量，处于能量反馈23状态；电流为负时，VD和VD导通，交流电源输出能量，直流侧吸收能量，电路处23于整流状态。 运行方式3：1、3号桥臂导通，Ldi/dt=USS直流侧与交流侧无能量交换，电源被短接，电流为正时，VD和V导通，L释放能13量L储能；电流为负时，V和VD导通，L储能。13 运行方式4：2、4号桥臂导通，Ldi/dt=U直流侧与交流侧无能量交换，电源被短接，电流为正时，V和VD导通，L释放能24量；电流为负时，VD和V导通，L储能。245电压型单相桥式PWM整流电路整流运行工作波形图4电压型单相桥式PWM整流电路整流运行工作波形