單相PWM整流器控制方法及諧波分析

王成

（西安航空學院 陜西 西安 710077）

PWM整流器從電路拓撲上屬交流/直流變換器，通常PWM整流器可分為不可逆與可逆兩大類。可逆PWM整流器由于能量可雙向傳輸及其優異的控制性能，近年來在電力電子裝置中獲得了廣泛應用，受到學術界的關注，文章分析研究了可逆PWM整流器結構及不同的控制方法。

1 PWM整流器

圖1 單相PWM整流器結構圖Fig.1 Single-phase PWM rectifier structure

PWM整流器主要由4只全控型器件IGBT組成，其柵極按照脈沖寬度調制原理控制導通與關斷。在此控制方式下工作，PWM整流器可使網側電流正弦化，并工作于單位功率因數。為消除諧波污染現象，PWM整流器使用更加復雜的控制算法。

PWM整流器可分為電壓型和電流型兩類，電壓型PWM整流器直流側采用電容進行直流儲能，使電壓型PWM整流器直流側呈現低阻抗的電壓源特性。電流型PWM整流器直流側采用電感進行直流儲能，使電流型PWM整流器直流側呈現高阻抗的電流源特性[1]。本文討論電壓型PWM整流器。

2 PWM整流器工作原理

單相電壓型PWM整流器結構為全橋形式，如圖1所示[2]。

PWM整流器主電路由4只IGBT組成，構成全單相橋電路。交流側輸入有電源電壓us，整流器輸入電壓ur，電感Ls，直流側輸出有電C容與負載Rd。

如電源電壓us與整流器輸入電壓ur為正弦量，電路中能量的流動取決于電壓與電流之間的相位差，如圖2所示。

設PWM整流器由電源輸入側傳輸到輸出側的有功功率為 P，由圖 2（a）可得：

式中：US為電源電壓有效值；Ur為整流器輸入電壓基波分量有效值；δ為US與Ur之間的相位差；XS為電源電壓為工頻時的輸入阻抗；φ為功率因數。

為使PWM整流器輸出電壓為恒值，輸入和輸出功率需保持平衡。因此，如相位圖2（a）所示可得，

圖2 PWM整流器相位圖Fig.2 Phase diagram of the PWM rectifier

若PWM整流器所消耗的無功功率等于零，則功率因數等于1。因此上兩式可寫為

PWM整流器也可工作在整流或逆變狀態，如圖2（b）、（c）所示。PWM整流器的控制目的在于使其消耗的電流與電源電壓同相位[3]。

3 PWM整流器的控制方式

為使PWM整流器工作于不同狀態，使用了控制環設計，即電壓外環和電流內環控制，如圖3所示[4]。

圖3 PWM整流器控制框圖Fig.3 Control diagram of the PWM rectifier

在該閉環控制系統中，電流內環控制動態性能直接影響電壓外環控制性能，為得到更優的電源電流的跟蹤精度和動態性能，電流內環采用滯環電流控制。

控制系統中，PWM整流器輸出電壓UO與設定的參考電壓Uref相比較，其差值作為其輸出，在與PI調節器相乘。所得到的結果將被乘以標準的正弦信號（由電源采集），其結果作為參考電流ierf。參考電流再與電源電流iS相比。此結果送入PWM信號生成單元控制器。

PWM信號生成單元控制器即為滯環控制器，用于產生PWM脈沖調制信號，其反應速度應較快，以達到正弦電流的控制精度。PWM產生單元生成四路控制信號，用以控制IGBT導通和關斷。

4 控制系統仿真及分析

PWM整流器中，要實現能量雙向流動，關鍵在于控制電源電流，而電源電流的控制通過調整PWM整流器輸入電壓ur實現。PWM整流器輸入電壓控制分為兩種PWM調制方式，即雙極性調制和單極性調制。

在simulink中搭建PWM整流器雙極性調制模型，令電源電壓有效值為 220 V，頻率為 50 Hz，電感L為 2.3 mH，負載電容C為3 300μF，電阻R為30Ω，載波頻率為4 000 Hz[5]。

雙極性調制時，PWM整流器輸入電壓ur波形為幅值在Ud、-Ud之間切換的PWM波形，其變化符合正弦脈沖寬度規律變化。如圖4所示。

當PWM整流器直流側電容值足夠大時，在PWM整流器工作過程中，其直流側電壓為恒值。如圖5所示。

圖4 PWM整流器雙極性調制輸入電壓波形Fig.4 Input voltage waveform of Bipolar modulation PWM rectifier

由圖5可知，PWM整流器輸出電壓經過一段時間 （約0.3 s）后，已趨于穩定，上下變化不超過正負10 V，基本可認為輸出為恒值。

圖6為PWM整流器輸入電流波形及諧波分析，其輸入電流為正弦電流，波形為圍繞給定電流iref且限定在滯環寬度的包絡線。THD為14.18%。

單極性調制時，PWM整流器輸入電壓ur波形為幅值在Ud、0、-Ud之間切換的PWM波形，其變化符合正弦規律變化。如圖7所示。

圖5 PWM整流器雙極性直流側電壓波形Fig.5 DC side voltage waveform of Bipolar PWM rectifier

圖6 PWM整流器雙極性調制輸入電流波形及諧波分析Fig.6 Input current waveform and harmonic analysis chart of bipolar modulation PWM rectifier

圖7 PWM整流器單極性調制輸入電壓波形Fig.7 Input voltage waveform of unipolar modulation PWM rectifier

單極性調制時，若PWM整流器直流側電容足夠大，則在PWM過程中可認為其直流側電壓為恒值，與雙極性調制結果一致。與圖5波形相似。

圖8為PWM整流器輸入電流波形及諧波分析，由圖8可知，輸入電流為正弦電流，波形為圍繞給定電流iref且限定在滯環寬度得的包絡線。THD為5.03%。

與雙極性調制相比，單極性調制THD值更小，其原因在于在相同的占空比條件下，PWM整流器單極性調制時直流電壓脈動峰值小于雙極性調制時的直流電壓脈動峰值，因此單極性調制時輸入電流諧波較雙極性調制時有較大改善[6]。在實際應用中，單極性調制具有比雙極性損耗更低，電磁干擾更小的優點。

圖8 PWM整流器單極性調制輸入電流波形及諧波分析Fig.8 Input current waveform and harmonic analysis chart of unipolar modulation PWM rectifier

5 結 論

PWM[7]整流器的使用消除了傳統相控整流器存在的問題，可廣泛應用于有源濾波器，變頻器的整流輸入級等。為使PWM整流器輸出直流電壓具有最小紋波，輸入電流的諧波最小且功率因數最大，分析比較了雙極性和單極性兩種調制方式，通過Matlab/Simulink[8]分別搭建兩種不同的PWM整流器模型，在相同條件下仿真，通過輸入電流諧波分析，得到單極性調制具有比雙極性調制更多優點。因此，單極性調試方式在實際中得到更加廣泛的應用。

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