PWM整流电路工作原理

1PWM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2正弦信号波和三角波相比较的方法对图1中的V1～V4,从进行SPWM控制，就可以在桥的交流输人端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共同作用于输人电感L上，产生正弦输人电流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人电流is,2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uL=Ldi,/dt，可得UL=jωLIS=uS-ueb3单相电压型桥式PWM整流电路其矢量关系图(a)整流运行(b)逆变运行图2PWM整流电路运行方式向量图图中δ=arctanωLIS/US，US和IS分别是电网电压和电流的有效值。图2(a)中iS与uS同相，电路为整流运行，功率因数为I;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。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iS的方向，每种工作模式有两种工作状态。⑴输人电压uS位于正半周时，各工作模式①运行方式1：1,4号桥臂导通，LdiS/dt=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。②运行方式2：2、3号桥臂导通，LdiS/dt=US–Uab3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。③运行方式3：1、3号桥臂导通，LdiS/dt=US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。④运行方式运行方式4：2、4号桥臂导通，LdiS/dt=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。⑵输人电压uS位于负半周时，各工作模式①运行方式1：1,4号桥臂导通，LdiS/dt=US–Uab电流为正时，VD1和VD4导通，交流电源和直流侧都吸收能量,L释放能量；交流电源和直流侧都输出能量,L储能。②运行方式2：2、3号桥臂导通，LdiS/dt=US–Uab电流为正时，V2和V3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；电流为负时，VD2和VD3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。③运行方式3：1、3号桥臂导通，LdiS/dt=US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释放能量L储能；电流为负时，V1和VD3导通，L储能。④运行方式4：2、4号桥臂导通，LdiS/dt=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释放能量；电流为负时，VD2和V4导通，L储能。5电压型单相桥式PWM整流电路整流运行工作波形4图4电压型单相桥式PWM整流电路整流运行工作波形