PWM整流器分类介绍

PWM技术及其在控制中的应用1.PWM产生的背景•传统的整流方式通常采用二极管不可控整流方式或者晶闸管相控整流方式。传统的整流器存在如下缺点:•（1）整流器从电网吸取畸变的电流，造成电网的谐波污染;•（2）由于整流器件结构的单向性，直流侧能量无法回馈电网;•（3）整流电路在深控状态下网侧功率因数低；•（4）由于整流器件的不可控或不完全可控，系统动态响应慢；•传统的整流电路产生了大量的无功功率和谐波，对电网造成了严重的污染。主要体现在:•（1）无功功率会导致电流增大和视在功率增加，使设备容量增加；•（2）无功功率增加，会使线路总电流增加，造成设备和线路损耗增加;并且使线路电压降增大，冲击性的无功负载还会使电压剧烈波动；•（3）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表不准确；•（4）谐波影响电气设备的正常工作，使设备过热，绝缘老化，寿命缩短以致损坏；•（5）谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，谐波引起的危害倍增，甚至引起严重事故；•提高功率因数、抑制和消除谐波已成为电力电子技术中的重大课题，其中PWM整流器现在已经成为大家关注的焦点。•PWM(PulseWidthModulation)整流器是采用全控型器件组成的高频整流电路。•与传统的二极管整流器或晶闸管整流器相比，它具有以下特点，这恰好弥补了二极管整流电路的不足：•（1）具有能量双向流动：即当直流侧电压高于电源侧电压峰值时，能实现DC-AC逆变，将能量回馈到电网；•（2）网侧电流谐波低；•（3）高功率因数，理论上可以达到1；其实我们在控制中如果利用功率定向控制，只要把无功功率的参考值设为0，即可实现功率因数1；•（4）恒定直流电压电流控制；2国际，国内研究现状•从20世纪80年代后期开始，高功率因数PWM整流技术就己经成为国内外研究的热点。目前开发出的新型高功率因数PWM整流器可以以多种形式应用于电力系统。•（1）中小功率的整流器主要应用于高精度、要求动态响应快的AC/DC转换，如充电电源；•（2）中大功率的整流器主要应用在传动和UPS领域；•产品如许继电源公司研制的30~100kVA三相输出和30~50kVA单相输出的大功率UPS；•在传动领域，富士电机公司研制出了新型双PWM交流调速系统:大功率的整流器可以应用于柔性交流输电系统(FACTS)和新型静止无功发生器(AVSG)等领域。3.PWM整流器的分类•（1）按输出滤波方式分为：电压型和电流型；电流型PWM整流器输出端采用串联滤波电感以维持输出电流低纹波，具有近似电流源的特性。电流型PWM整流器又称为Buck型整流器，如图2-1所示。交流侧由L,C组成二阶低通滤波器，以滤除交流侧电流中的开关谐波;直流侧接大电感，使直流侧电流近似为平滑的直流。开关器件由可控器件与二极管串联组成扩以提高器件的反向阻断能力。与电压型PWM整流器相似，电流型PWM整流器具有四象限运行的能力.•不知之处：•由于需要较大的直流储能电感，以及交流侧LC滤波环节所致的电流畸变、振荡等问题，使其电路结构和控制相对复杂，从而制约了电流型电路的应用和研究。•电流型PWM整流器结构图：电压型PWM整流器•电压型PWM整流器是以输出端并联滤波电容以维持输出电压低纹波，具有近似电压源的特性。由于其电路结构简单，便于控制，响应速度快，目前研究及实际应用较多的是电压型电路。4.系统的控制策略•从瞬态电流的控制角度上根据是否直接检测瞬态输入电流作为反馈控制电流可分为：直接和间接电流控制。•（1）间接电流控制(IndirectCurrentControl)又称为幅相控制，系统电流控制是建立在稳态矢量关系基础上的，通过对整流器交流侧电压基波分量的幅值和相位进行控制，间接实现对网侧电流的控制。•优点：不需要电流互感器，控制简单，易于实现。•缺点：•（a）系统动态性能不佳，整流器的输入电感具有较大时间常数，而幅相控制没有采取任何措施补偿电感的时滞作用;•（b）动态过程中存在直流电流偏移和很大的电流过冲，而控制器本身没有限流功能，因而需要有过流保护;•（c）控制信号的运算过程中用到电路的参数，控制信号对系统参数的波动较为敏感。•改进办法：•引入电流微分或动态解耦的串联补偿，利用零极点对消的原理可以改善整流器的电流响应特性，在间接电流控制基础上增加功率因数角闭环，通过模糊控制器对交流侧电压幅值和相位进行前馈补偿，可以使PWM整流器在电网电压波动或电路参数变化等扰动下保持单位功率因数和稳定的直流输出电压。•这些改进方案的提出，可以促进间接电流控制实用化。(2)直接电流控制•直接电流控制(DirectCurrentControl)与间接电流控制主要区别在于引入了电流环，提高了系统的动态响应速度。•对网压而言，电流内环实质起到前馈作用;控制电路具有限流保护能力，由于系统在每一个载波周期都对电流进行比较，因此故障情况下过电流保护迅速，可靠性高。•该控制方案物理意义清晰，控制电路简单，控制效果良好。•直接电流控制中双闭环控制是目前应用最广泛，最实用化的控制方式，其中电压外环是控制直流侧电压的，并给电流内环提供指令电流;电流内环则根据指令电流进行电流快速跟踪控制.•直接电流控制原理图：•三相电流型PWM整流器有两个被控变量:直流侧电流和网侧电流。•直流侧电流的控制目标主要是要求整流器直流侧提供恒定的直流电流，为此要求控制具有良好的抗扰性能;•而交流电流的控制目标主要是实现整流器网侧电流的正弦波控制，甚至要求网侧电流与电压同相位，因此网侧电流的控制更侧重电流的跟随性能。•因此，为了实现整流器输出直流电流的恒定和输入端接近单位功率因数，三相电流型PWM整流器的控制实际上是一个双环控制系统。•外环是直流电流控制环，其目的一般是保持的恒定。在直流电流环中，采样的直流电流与给定值进行比较，产生的误差经过PI调节后，输出作为整流器的网侧电流峰值指令，，将与同步信号(单位幅值正弦波)相乘，作为网侧电流指令信号，由及组成交流电流控制环，其目的是要求网侧电流跟踪给定电流，也即实现了网侧电流对网侧电压的相位跟踪。从开关逻辑形成的角度来分，主要有三类：•空间矢量脉宽调制(SVPWM)•直接功率控制(DPC)•PWM调制控制(PMC)。空间矢量脉宽调制(SVPWM)•空间矢量脉宽调制（SVPWM)是目前应用广泛的高频调制方式。•特点：•（1）它具有直流电压利用率高；•（2）开关次数少；•（3）易于实现数字控制的优点；工作原理：•在系统瞬时功率不变的前提下，将三相静止坐标系下的整流桥相电压变换到两相静止坐标系下（即3/2变换），用一个模为2Uo/3的空间电压矢量在复平面上表示出来。•由于三相VSR开关是双电平控制，电压矢量只有2*2*2=8种，其中Uo(0，0，0)、U7(1,1,1)为零矢量，其余6个非零矢量对称均匀分布在复平面上。在每个开关周期中对任何给定空间电压矢量U均可用相邻两个有效开关矢量和零矢量来等效。•在一个载波周期内，开关管的导通总是以零矢量开始并以零矢量结束。•如果U在复平面上匀速旋转，就对应得到了三相对称的正弦量。受到开关频率和矢量组合限制，U的等效矢量只能以某一步进速度旋转因此矢量端点的运动轨迹是一个多边形准圆轨迹，PWM开关频率越高，步进间隔越小，多边形准圆轨迹就越接近于圆形。•特点:•这种高功率变换器主要损耗是开关损耗，因此，优化开关逻辑，降低开关损耗成为SVPWM技术的关键.•以下将详细介绍:•（１）基于虚拟磁链的电压型PWM整流器直接功率控制：（2）基于电压定向的电压型ＰＷＭ整流器控制：