双PWM变换器工作原理及其优缺点

双PWM变换器工作原理及其优缺点和适用范围姓名：刘健学号：2015282070173脉宽调制（PWM）技术就是控制半导体开关元件的通断时间比，即通过调节脉冲宽度或周期来实现控制输出电压的一种技术。由于它可以有效地进行写拨抑制，而且动态响应好，在频率、效率诸方面有着明显的优势，因而在电力电子变换器逆变中广泛应用，其技术也日益完善。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现对双PWM电路的主电路和控制电路的设计如下：1基本原理双PWM交—直—交电压型变换器的主电路如图1所示：图1双PWM交—直—交电压型变换器的主电路变换器的2个PWM变换器的主电路结构完全相同,三相交流电源经PWM整流器整流，再经PWM逆变器逆变为频率和幅值可调的交流电，带动三相电阻负载。整流器和逆变器触发电路的设计是变换器设计的核心。2整流电路从PWM整流器的功能可见，PWM整流器应该是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流器。目前，PWM整流器分成两个大类:一、电压型PWM整流器，二、电流型PWM整流器。它们两种结构在主电路拓扑结构、PWM信号发生、控制策略等方面都有各自的特点，而且两者在电路上是对偶的。2.1电压型整流器(VSR)电压型（VoltageSourceRectifier--VSR）PWM整流器有个明显的特点就是直流侧一般采用电容进行直流储能。这样一来就使得VSR直流侧呈现低阻抗电压源特性。其拓扑结构有以下三种：图2.1（a）就是单相半桥VSR拓扑结构，图2.1（b）是单相全桥VSR拓扑结构，图2.1（c）是三相六开关VSR拓扑结构。图2.1（a）单相半桥图2.1（b）单相全桥图2.1（c）三相六开关拓扑结构由上图2.1(a)可知，单相半桥VSR拓扑结构中，相比而言比较的简单，只有一个桥臂用了IGBT开关，另一个则是由两个电容串联而成。这种结构适合于价格低，成本低，小功率的场合。而在全桥VSR拓扑结构里，如图2.1(b)，则采用了4个IGBT开关。两个电路里每个IGBT都反并联一个续流二极管，可以保证无功电流的流动。其中电容的作用是均压和储能，但是这种拓扑结构对电容的数值要求比较高，系统对死区也比较的敏感，所以其控制算法和策略方面仍然处于研究阶段。从图2.1(c)可以看出三相VSR主电路由交流侧三相电感、三相全控桥、直流侧滤波电容组成。由于三相半桥VSR比较适合于三相电网平衡的系统，如果电网三相不平衡，控制性能会恶化，甚至于不能正常工作。为了解决这个问题，可以采用三相全桥VSR设计，本质上是三个独立控制的单相半桥VSR的组合。本文设计的整流器即为这种类型。2.2电流型整流器(CSR)电流型（CurrentSourceRectifier--CSR）PWM整流器拓扑结构最明显的特点是直流侧采用电感存储能量，从而使得CSR直流侧呈现出高阻抗的电流源特性。CSR跟VSR一样，有单相和三相两种不同的结构。图2.2（a）单相CSR拓扑结构图2.2（b）三相CSR拓扑结构上图2.2（a）中所示的单相CSR拓扑结构，它与单相了一个滤波电容，作用是和电感一起构成LC滤波器，VSR相比，交流侧还增加滤除网侧来的谐波电流，抑制谐波电压。并且每个IGBT开关管都串联了个二极管，主要的目的是阻断反向电流，提高反向耐压能力。上图2.2（b）为三相CSR拓扑图，可以看出这也是个半桥结构，它工作原理大致和单相的一样，其中的电容和电感的作用和单相CSR是一样的。由于大功率整流的电流比较的大，所以为了防止铁心饱和，直流侧的电感器铁心体积会比较庞大，这样的话就增加了电路损耗，同时也限制了直流电流的大小，不能太大。三相电流型PWM整流器拓扑结构，利用正弦波调制的方法控制直流电流在各开关器件的分配，使交流电流波形近似与电源电压同相位的正弦波，实现功率因数近似为1。由于整流器的非线性，其交流侧电流波形中含有较多的谐波成分，需在交流侧加装滤波器来减少交流电流谐波;直流侧有大的平波电抗，稳态时，直流侧电流纹波很小，类似电流源。3PWM整流电路及其控制方法3.1PWM整流电路结构PWM整流电路结构如下所示，采用的是电压型整流电路。图3PWM整流电路结构三相系统里面，三相全桥拓扑结构是VSR最为常用的一种。与单相全桥VSR相比，三相VSR拓扑结构主电路则多了一个桥臂。三相半桥VSRPWM整流器主电路结构如上图所示，其中1V至6V是全控型功率器件，1D至6D为整流二极管，交流侧每相电路串接的电感dL起储存、传递能量和平衡电压的作用，dC为滤波器。通过对电路进行正弦波PWM控制，使得整流桥的交流输入端产生正弦PWM电压，对各相电压进行控制，就可以使各相电流ai、bi、ci为正弦波且和电压相位相同，从而使功率因数为1。当电路工作在整流状态下，能量从电网侧流向直流侧负载传输;当电路工作在再生状态下，类似于三相PWM电压型有源逆变器，可以将直流侧的能量回馈到交流电网侧。所以对于三相VSR，需要对其三相桥臂施加幅值、频率相等而相位上互差0120的三相对称正弦波调制信号。3.2PWM整流电路的控制方法为了使PWM整流电路在工作时工率因数近似为1，即要求输入电流为正弦波且和电压同相位，可以有多种控制方法。根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种，没有引入电流反馈的称为间接电流控制，引入交流电流反馈的称为直接电流控制。下面分别介绍这两种控制方法的基本原理。（1）间接电流控制间接电流控制也称为相位控制和幅值控制。图5（a）为间接电流控制的系统结构图，图中的PWM整流电路为图4所示的三相桥式电路。控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。直流电压给定信号*du和实际的直流电压du比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流指令信号di，di的大小和整流器交流输入电流的幅值成正比。稳态时，du=*du，PI调节器输入为零，PI调节器的输出di和整流器负载电流大小相对应，也和整流交流输入电流的幅值相对应。当负载电流增大时，直流侧电容C放电而使其电压du下降，PI调节器的输入端出现在偏差，使其输出di增大，di的增大会使整流器的交流输入电流增大，也使直流侧电压du回升。达到稳态时，du仍和*du相等，PI调节器输入仍恢复到零，而di则稳定在新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流相对应。当负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。若整流器要从整流运行变为逆变运行时，首先是负载电流反向而向直流电容C充电，使du抬高，PI调节器出现负偏差，其输出di减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。达到稳态时，du和*du仍然相等，PI调节器输入恢复到零，其输出di为负值，并与逆变电流的大小相对应。图3（a）间接电流控制系统结构图中两个乘法器均为三相乘法器的简单表示，实际上两者均由三个单相乘法器组成。上面的乘法器是di分别和a，b，c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，就可得到各相电流在sR压降RaU、RbU和RcU；现面的乘法器di分别乘以a，b，c三相电压相位超前/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，就可得到电流在电感sL上的压降LaU、LbU和LcU。各相电源相电压au、bu、cu分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得所需要的整流交流输入端各相的相电压Au、Bu和Cu，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。从控制系统结构及上述分析可以看出，这种控制方法在信号运算过程中要用到电路参数sL和sR的运算值和实际值有误差时，必然会影响到控制效果。此外，这种控制方法是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。因此，间接电流控制的系统应用较少。(2).直接电流控制在这种控制方法中，通过运算求出交流输入电流指令值，再引入电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，因此这种方法称为直接电流控制。直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法，图5（b）给出的是一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制结构图。图3（b）直接电流控制系统结构图图3（b）的控制系统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。外环的结构，工作原理均和5（a）的间接电流控制系统相同，前面已进行了详细的分析，这里不再重复。外环PI调节器的输出为直流信号di，di分别乘以和a，b，c三相相电压同相位的正弦信号，就得到三相交流电流的正弦指令信号*ai，*bi和*ci。可以看出，*ai，*bi和*ci分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号di成正比，这正是整流器作单位功率因数运行进所需要的交流电流指令信号。该指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对各个开关器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值，其跟踪误差在由滞环环宽所决定的范围内。采用滞环电流比较的直接控制系统结构简单，电流响应快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好，因而获得了较多的应用。