第7章PWM整流器

1、 第第7章章 PWM整流器和功率因数控制整流器和功率因数控制 7.1 单相桥式不控整流器的单位功率因单相桥式不控整流器的单位功率因 数校正（数校正（APFC） 7.2 PWM整流器和功率因数控制整流器和功率因数控制 7.3 PWM整流器和无功补偿仿真研究整流器和无功补偿仿真研究7.1 单相桥式不控整流器的单相桥式不控整流器的 单位功率因数校正电路（单位功率因数校正电路（APFC） 1. 单位功率因数控制单位功率因数控制直流侧电压和电流波形直流侧电压和电流波形 交流侧电压和电流波形交流侧电压和电流波形 LiLidusisusi开关管开关管T控制电感电流控制电感电流使使跟踪电压跟踪电压二极管整流器

2、交流侧电流二极管整流器交流侧电流与电压与电压实现单位功率因数控制，实现单位功率因数控制，波形近似正弦波，畸变和谐波较小。波形近似正弦波，畸变和谐波较小。 作正弦半波变化作正弦半波变化相位相同，功率因数为相位相同，功率因数为12. 电流跟踪和整流器输出电压控制电流跟踪和整流器输出电压控制 通过电位器通过电位器W2取输出侧电压取输出侧电压 的反馈信号的反馈信号 与直流与直流输出电压输出电压 的给定值的给定值 比较，以偏差信号比较，以偏差信号 经经PI调节调节器得到电流的幅值信号器得到电流的幅值信号 ， 得到电流得到电流 的给定信号的给定信号 是幅值为是幅值为 的正弦半波。的正弦半波。 oUfUoU

3、gUUgITgiI LigigI实测电感电流实测电感电流 得反馈信号得反馈信号经滞环控制器比较产生开关管经滞环控制器比较产生开关管T的驱动脉冲，使的驱动脉冲，使 跟踪跟踪 变化变化 在在 时时PI调节器输出调节器输出 增加增加 ，经滞环控制使，经滞环控制使 幅值提高，在幅值提高，在 T导通时电感有导通时电感有较大电流，电感较大电流，电感L储能增加。储能增加。在在T关断时关断时 ， 与较高电感电与较高电感电动势共同给电容动势共同给电容C充电，使电充电，使电容电压和输出电压容电压和输出电压 增加增加LifiLigifgUUgILiduoU在在 时时 减小，在减小，在 T导通时电感电流较小，电导通时

4、电感电流较小，电感感L储能减小，使储能减小，使 减小减小fgUUgIoU 电流跟踪单位功率因数校正器电流精度和电流跟踪单位功率因数校正器电流精度和谐波取决于滞环宽度，主要应用在小功率谐波取决于滞环宽度，主要应用在小功率单相整流场合，单相不控整流电能只能从单相整流场合，单相不控整流电能只能从交流侧流向直流侧，不能如晶闸管整流器交流侧流向直流侧，不能如晶闸管整流器那样进行有源逆变是其不足。那样进行有源逆变是其不足。 7.2 PWM整流器和功率因数控制整流器和功率因数控制 PWM整流器与晶闸管相控整流不同是整流桥采用可关断器件和整流器与晶闸管相控整流不同是整流桥采用可关断器件和PWM控制，属于斩控式

5、整流。控制，属于斩控式整流。 第第3章介绍的晶闸管桥式全控整流电路的整流和有源逆变状态，电章介绍的晶闸管桥式全控整流电路的整流和有源逆变状态，电能可以从交流侧流向直流侧，也可以从直流侧流向交流侧，进行电能能可以从交流侧流向直流侧，也可以从直流侧流向交流侧，进行电能的双向流动和控制，但是交流侧电流是方波或阶梯波，谐波较大，深的双向流动和控制，但是交流侧电流是方波或阶梯波，谐波较大，深控状态时功率因数很低。控状态时功率因数很低。 第第5章介绍的章介绍的PWM逆变器用桥式电路将直流变为交流，不过逆变得逆变器用桥式电路将直流变为交流，不过逆变得到的交流电直接提供给负载，属于无源逆变，如果逆变器交流侧连

6、接到的交流电直接提供给负载，属于无源逆变，如果逆变器交流侧连接交流电网则是有源逆变，交流电网则是有源逆变，SPWM控制的逆变器输出为较好的正弦波，控制的逆变器输出为较好的正弦波，可有效地减少交流侧谐波。可有效地减少交流侧谐波。 导论中开关变流原理介绍了桥式电路既可以用于逆变也可以整流，导论中开关变流原理介绍了桥式电路既可以用于逆变也可以整流，电路的工作状态（整流和逆变）主要取决于控制和直流侧电压，适当电路的工作状态（整流和逆变）主要取决于控制和直流侧电压，适当的控制既可以将直流变为交流（逆变），也可以将交流变为直流（整的控制既可以将直流变为交流（逆变），也可以将交流变为直流（整流），即一台变流

7、器既可用于整流也可用于逆变并控制电能双向流，流），即一台变流器既可用于整流也可用于逆变并控制电能双向流，采用采用PWM控制的桥式变流电路现在一般称为控制的桥式变流电路现在一般称为PWM整流器整流器。 桥式变流器交流侧连接电源时，通过桥式变流器交流侧连接电源时，通过PWM控制交流侧电流与交流控制交流侧电流与交流电源电压的相位，即可以控制交流侧的功率因数。电源电压的相位，即可以控制交流侧的功率因数。 PWM整流器有单相和三相，从其直流侧滤波方式区分有电压型和整流器有单相和三相，从其直流侧滤波方式区分有电压型和电流型，目前以直流侧连接大电容的电压型电流型，目前以直流侧连接大电容的电压型PWM整流器使

8、用较多，整流器使用较多，本节也主要介绍电压型本节也主要介绍电压型PWM整流器，整流器，PWM整流器开关频率较高，也整流器开关频率较高，也常称为常称为高频整流器高频整流器。 7.2.1 单相桥式单相桥式PWM整流器整流器 开关管开关管T14和二极管和二极管D14组成单相桥，组成单相桥， 是交流侧电源，是交流侧电源，E是直流侧电源，电感是直流侧电源，电感L用于交流侧滤波，电容用于交流侧滤波，电容C用于直流侧滤波，用于直流侧滤波，电路采用电路采用PWM控制。控制。 从二极管看，交流电源和四个续流二极管组成不控整流电路，从二极管看，交流电源和四个续流二极管组成不控整流电路， 时电流时电流 方向为正，整

9、流。方向为正，整流。 从直流电源和开关管看电路为逆变器，在从直流电源和开关管看电路为逆变器，在 时电流时电流 方方向为负，逆变。向为负，逆变。sudUE didUE di2. 整流工作状态（整流工作状态（ ） 在在 正半周，整流器正半周，整流器A点电位高于点电位高于B点，若有点，若有 或或 触发，触发， 和和 或或 和和 导通将短路导通将短路AB两点，交流侧电流两点，交流侧电流 上升，上升，在在 和和 关断时关断时，电源电源 和电感电势和电感电势 共同经共同经 和和 向电容充电。向电容充电。 在在 负半周，负半周， 和和 触发，和触发，和 ， 和和 导通短路导通短路AB两点，两点， 负向上升负

10、向上升 ，关断时电源，关断时电源 和电感电势和电感电势 共同经共同经 和和 向电容充电。电感向电容充电。电感L和变流器组成了和变流器组成了Boost升压电路，升压电路，直流侧可有较高电压。通过电路直流侧可有较高电压。通过电路SPWM脉宽控制可以调节脉宽控制可以调节直流电压直流电压 ，调节，调节SPWM的相位可以控制交流侧的功率因的相位可以控制交流侧的功率因数。数。 dUE su2T3T4D4T3Dsi2T3T2TsuLu1D4D2T1D3Tsu1T1T4T4T2DsisuLu2D3DdU3. 逆变工作状态（逆变工作状态（ ）dUE 单相单相 PWM整流器若整流器若 ，直流侧电流将改变方向，交，

11、直流侧电流将改变方向，交流侧电流流侧电流 也改变方向从变流器流出，直流电源也改变方向从变流器流出，直流电源E输出电输出电能，经变流器流向交流侧电源能，经变流器流向交流侧电源 ，整流器工作于逆变状态，整流器工作于逆变状态，其工作与单相其工作与单相PWM逆变器相同。逆变器相同。 归纳归纳PWM整流器，若整流器交流侧电压整流器，若整流器交流侧电压 不变，调节不变，调节脉冲宽度可以调节直流侧电压脉冲宽度可以调节直流侧电压 ， 在在 时电流时电流 自变流器直流侧输出，变流器工作自变流器直流侧输出，变流器工作于整流状态。若于整流状态。若PWM整流器直流侧电源电压整流器直流侧电源电压E 不变，调节不变，调节

12、脉冲宽度可以调节交流侧电压脉冲宽度可以调节交流侧电压 , 在在 时时 ，交流交流侧电流自变流器流出，这时变流器工作在逆变状态。侧电流自变流器流出，这时变流器工作在逆变状态。 dUE sisudUE oiABuusuAB4. PWM整流器工作过程和波形分析整流器工作过程和波形分析 模式一模式一 时，同时驱动时，同时驱动T1、T3，则，则有电流自有电流自AD1T3B，T1因反因反偏不会导通；同时驱动偏不会导通；同时驱动T2、T4，则有电流自则有电流自AT2D4B，T4因因反偏不会导通反偏不会导通。 时，同时驱动同时驱动T1、T3，则，则有电流自有电流自BD3T1A，T3因反因反偏不会导通；同时驱动

13、偏不会导通；同时驱动T2、T4，则有电流自则有电流自BT4D2A，T2因因反偏不会导通。这两种情况反偏不会导通。这两种情况AB两两点均被短路，点均被短路， 0Su0Su0ABudtdiLuss0di模式二模式二 dABUudi方向为正方向为正 正方向电流，可能的通路是正方向电流，可能的通路是D1和和D4导通或导通或D3和和D2导通。导通。在在D1和和D4导通时导通时 ， 方向为正方向为正didABUusi在在D3和和D2导通时导通时 ， 方向为负。方向为负。 dABUusi在模式二，在模式二，T1、T4或或T3、T2即使驱动也不会导通。即使驱动也不会导通。模式三模式三 dABUudi方向为负方

14、向为负 di负方向电流，可能的通路是负方向电流，可能的通路是T1和和T4导通或导通或T2和和T3导通。导通。在在T1和和T4导通时导通时, 经经T4、T1流向电源流向电源 ， 方向为正方向为正disusidABUu在模式二和模式三时都有通路的电压方程在模式二和模式三时都有通路的电压方程： dssUdtdiLu当当PWM整流器采取单极倍频正弦脉宽调制时（参见图整流器采取单极倍频正弦脉宽调制时（参见图5.9），），T1T4脉冲驱动序列如图脉冲驱动序列如图7.5a，在区段，在区段1驱动驱动T1、T3，有正向，有正向 经经D1、T3使使AB端短路，电感电流上升，电感储能增加（模端短路，电感电流上升，电

15、感储能增加（模式一）。区段式一）。区段2时时T1、T4驱动，正向驱动，正向 经经D1、D4流向负载，流向负载，T1、T4受反向电压，虽被驱动但不能导通（模式三）。区段受反向电压，虽被驱动但不能导通（模式三）。区段3 驱动驱动T2和和T4，但是，但是D1与与D4导通导通AB端短路（模式一），如此进端短路（模式一），如此进行得到行得到AB两端电压波形如图两端电压波形如图7.5b，图，图7.5c为交流侧电流波形，为交流侧电流波形，调节驱动脉冲的宽度，可以调节调节驱动脉冲的宽度，可以调节 基波分量的幅值，基波分量的幅值， 也随也随之改变，直流侧的输出平均电压之改变，直流侧的输出平均电压 也随驱动脉冲宽

16、度而改变。也随驱动脉冲宽度而改变。 sisiABuSidUABu与与 Si同向时（时区同向时（时区a、c），），经二极管桥流向直流侧输出电能经二极管桥流向直流侧输出电能 su反向时（时区反向时（时区b、d），）， ABu与与 Si吸收电能，电容输出电能吸收电能，电容输出电能。 su7.2.2 PWM整流器交流侧功率因数整流器交流侧功率因数SI.在在PWM交流侧有交流侧有： .ABLSUUUSLILjU.调节调节 的大小和相位可以控制的大小和相位可以控制当当 与与 同相同相功率因素功率因素1 SU.ABU.SI.SI.当当 与与 反相反相功率因素功率因素-1 SU.SI.根据电流调节根据电流调节

17、 的的模和相位角可以控制模和相位角可以控制交流侧的功率因数。交流侧的功率因数。 ABU.PWM变流器功率因数控制变流器功率因数控制根据给定的功率因数根据给定的功率因数 计算功率因数角计算功率因数角 *用锁相环用锁相环PLL检测检测 相位相位 su1由电流给定由电流给定 计算计算 sIsI*si)sin(1*ssIi*si与实测电流与实测电流 比较，经滞环控制器驱动比较，经滞环控制器驱动T1T4 ，使使跟踪跟踪 变化，从而控制电流与电压的相位，进行功变化，从而控制电流与电压的相位，进行功率因数控制。率因数控制。 sisi*si7.2.3 单相半桥式和三相桥式单相半桥式和三相桥式PWM整流整流单相

18、半桥单相半桥PWM整流电路整流电路 三相桥式三相桥式PWM整流电路整流电路 7.3 PWM整流器仿真整流器仿真7.3.1 单相桥式单相桥式PWM整流器仿真整流器仿真一一 仿真模型仿真模型us2us1ustpulseis2is1isidiciRv+-gAB+-Universal BridgeUDCUABSine WaveRQSignal(s)PulsesPWM GeneratorP8MultimeterL i+-i+-ClockVIPQActive & ReactivePowerAC C二二 单相桥式单相桥式PWM整流器模型参数整流器模型参数 10模块参数模块参数交流电压源AC幅值：22

19、0*sqrt(2) 频率： 50 HzPWM Generator载波频率500Hz电感L2mhActive & Reactive Power基波频率50Hz滤波电容C2000e-6 F仿真时间2 秒负载电阻R仿真算法Ode23tbSine Wave幅值： 0.6 频率:100pi 弧度/秒 相位: -2*50*pi*29.18/360 弧度整流器交流侧电压整流器交流侧电压 和直流侧电流和直流侧电流 波形波形 1.961.9651.971.9751.981.9851.991.9952-800-600-400-2000200400600800t / suAB / V, id / AuABid1.861.881.91.921.941.961.982-400-2000200400t / sus / V, is / Ausis交流电源电压交流电源电压 ，电流，电流 diABususi7.3.2 PWM整流器无功补偿器仿真研究整流器无功补偿器仿真研究us2us1ustpulseis2is1isidicv+-gAB+-Universal BridgeUDCUABSine WaveQSignal(s)PulsesPWM GeneratorP7MultimeterL i+-i+-ClockV