单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真

引言
    众所周知，在传统的整流电路中，晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏，这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素，也增加了电网中无功功率的消耗。
    PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路，能有效地解决传统整流电路存在的问题。通过对PWM整流电路进行有效的控制，选择合适的工作模式和工作时序，从而调节了交流侧电流的大小和相位，使之接近正弦波并与电网电压同相或反相，不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题，同时也使得变流装置获得良好的功率因数。

1 单相电压型桥式PWM整流电路的结构
    单相电压型桥式PWM整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式变频电源提供直流中间环节，电路结构如图1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，起平衡电压，支撑无功功率和储存能量的作用。图1中uN(t)是正弦波电网电压；Ud是整流器的直流侧输出电压；us(t)是交流侧输入电压，为PWM控制方式下的脉冲波，其基波与电网电压同频率，幅值和相位可控；iN(t)是PWM整流器从电网吸收的电流。由图1所示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管VD1～VD4完成从交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件VT1～VT4从直流侧逆变为交流，反馈给电网。所以PWM整流器的能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是整流还是逆变，主要视VT1～VT4的脉宽调制方式而定。

 因为PWM整流器从交流电网吸取跟电网电压同相位的正弦电流，其输入端的功率是电网频率脉动的两倍。
    由于理想状况下输出电压恒定，所以此时的输出电流id与输入功率一样也是网频脉动的两倍，于是设置串联型谐振滤波器L2C2，让其谐振输出电流基波频率的2倍，从而短路掉交流侧的2倍频谐波。

2 单相电压型桥式整流电路的工作原理
    图2是单相PWM电压型整流电路的运行方式相量图，us1(t)设为交流侧电压Us(t)的基波分量，iN1(t)为电流iN(t)的基波分量，忽略电网电阻的条件下，对于基波分量，有下面的相量方程成立，即：

可以看出，如果采用合适的PWM方式，使产生的调制电压与网压同频率，并且调节调制电压，以使得流出电网电流的基波分量与网压相位一致或正好相反，从而使得PWM整流器工作在如图2所示的整流或逆变的不同工况，来完成能量的双向流动。

假设整流时有：

设Ucm为三角载波幅值；us(t)为单极性SPWM波，采用状态空间平均模型分析，us在一个开关周期内的平均值表示为：

时能否使得交流侧获得高功率因数，此时有：

从相量图及式(8)可以看出为保持单位功率因数，通过脉宽调制的适当控制，在不同的负载电流下，使向量端点轨迹沿直线AB运动。同理也能得到逆变工况下的运行条件，这里不再赘述。

3 单相电压型PWM整流电路工作过程分析
    可以将电压型单相桥式PWM整流电路的4个桥臂看成4个开关，任一时刻应有两个桥臂导通。为避免输出短路1，2桥臂和3，4桥臂都不允许同时导通。因此PWM整流电路有4种工作模式。图3(c)给出PWM整流电路在整流工况下的控制信号时序分布。从图中可以看出随着调制信号的正、负半周变化，电路在如图3(a)，(b)所示的短路、整流、短路3个状态中交替变换。因此交流侧电压us(t)是一个单极性PWM波形，输出幅值为±Ud和0；而对应的电感L上压降uL分别取uN,uN-Ud和uN+Ud三种不同的值，这样通过调节调制比m就能有效控制us1，进而使得电路的功率因数为1。

4 单相电压型PWM电路控制策略分析
    根据功率平衡原理，系统稳定运行时有下式成立：

式中：Uc*是直流输出参考电压。对式(9)做拉氏变换，得到Id与Ud的传递函数：

假设PWM开关频率足够高，电流滞环可以使用一个小惯性环节代替，从而产生网侧参考电流Id*到Id的传递关系：

式中：Ti电流滞环等效时间常数。为了滤除直流电压偏差中的二次纹波，可设计一个低通滤波器，若采用简单的一阶低通滤波器，则截止频率(fc=1／Tc)一般选在二分之一基波频率以下，滤波器传递函数为：

根据前述分析得到采用直接电流控制策略时单相PWM整流器的控制框图如图4所示。参考电压Udref与直流侧输出电压Ud的差值，经低通滤波器后经PI调节与正弦同步信号相乘，产生参考电流信号isref，与相应的源侧电流反馈信号isf，做比较，形成电流偏差信号，这样随着桥入端电平更迭，网侧电流将始终围绕电流给定值升降，把偏差信号加入相应的输入调节电压前馈，经滞环控制就得到调制信号，该调制信号与三角波载波相比较产生开关脉冲，经输出去控制理想开关。

 

5 单相电压型桥式PWM整流电路的仿真
    基于前述分析在Simulink 6．O软件中，对单相电压型PWM整流电路建立仿真电路，如图5所示。

其中各个功能块用子系统封装好。主要有控制功能块：包括电压比较，电流比较，PI，P调节，低通滤波，三角载波信号功能子模块，正弦同步信号输出模块。对全桥整流部分进行了封装，结构和图1所示相同。系统仿真参数如下：交流侧电网电压220 V，工频直流侧电阻R=10 Ω。主电路储能元件参数为LN=3 mH，C=143μF。PI参数Ki=2.3,τi=128。直流侧参考电压仿真结果如图6所示。

 从图6中可看出仿真电路稳定运行后交流侧电流为规则正弦波且与交流侧电压同相位。仿真后的电路功率因数稳定后，大于0．995基本接近于1。

6 结语
    由于传统教学中有关PWM整流电路与应用等方面的论述中没有很详细地分析PWM整流电路的原理及其具体工作过程，在此以单相电压型PWM整流电路为例，详尽地讨论其工作原理，分析具体的工作模式，给出了系统相应的控制策略，设计了单相电压型PWM整流电路的仿真模型，并加以验证取得了满意的控制效果。对有关PWM整流电路教学实践与工程实际应用有一定的参考意义。