单相PWM整流器控制方法及谐波分析

王成

（西安航空学院 陕西 西安 710077）

PWM整流器从电路拓扑上属交流/直流变换器，通常PWM整流器可分为不可逆与可逆两大类。可逆PWM整流器由于能量可双向传输及其优异的控制性能，近年来在电力电子装置中获得了广泛应用，受到学术界的关注，文章分析研究了可逆PWM整流器结构及不同的控制方法。

1 PWM整流器

图1 单相PWM整流器结构图Fig.1 Single-phase PWM rectifier structure

PWM整流器主要由4只全控型器件IGBT组成，其栅极按照脉冲宽度调制原理控制导通与关断。在此控制方式下工作，PWM整流器可使网侧电流正弦化，并工作于单位功率因数。为消除谐波污染现象，PWM整流器使用更加复杂的控制算法。

PWM整流器可分为电压型和电流型两类，电压型PWM整流器直流侧采用电容进行直流储能，使电压型PWM整流器直流侧呈现低阻抗的电压源特性。电流型PWM整流器直流侧采用电感进行直流储能，使电流型PWM整流器直流侧呈现高阻抗的电流源特性[1]。本文讨论电压型PWM整流器。

2 PWM整流器工作原理

单相电压型PWM整流器结构为全桥形式，如图1所示[2]。

PWM整流器主电路由4只IGBT组成，构成全单相桥电路。交流侧输入有电源电压us，整流器输入电压ur，电感Ls，直流侧输出有电C容与负载Rd。

如电源电压us与整流器输入电压ur为正弦量，电路中能量的流动取决于电压与电流之间的相位差，如图2所示。

设PWM整流器由电源输入侧传输到输出侧的有功功率为 P，由图 2（a）可得：

式中：US为电源电压有效值；Ur为整流器输入电压基波分量有效值；δ为US与Ur之间的相位差；XS为电源电压为工频时的输入阻抗；φ为功率因数。

为使PWM整流器输出电压为恒值，输入和输出功率需保持平衡。因此，如相位图2（a）所示可得，

图2 PWM整流器相位图Fig.2 Phase diagram of the PWM rectifier

若PWM整流器所消耗的无功功率等于零，则功率因数等于1。因此上两式可写为

PWM整流器也可工作在整流或逆变状态，如图2（b）、（c）所示。PWM整流器的控制目的在于使其消耗的电流与电源电压同相位[3]。

3 PWM整流器的控制方式

为使PWM整流器工作于不同状态，使用了控制环设计，即电压外环和电流内环控制，如图3所示[4]。

图3 PWM整流器控制框图Fig.3 Control diagram of the PWM rectifier

在该闭环控制系统中，电流内环控制动态性能直接影响电压外环控制性能，为得到更优的电源电流的跟踪精度和动态性能，电流内环采用滞环电流控制。

控制系统中，PWM整流器输出电压UO与设定的参考电压Uref相比较，其差值作为其输出，在与PI调节器相乘。所得到的结果将被乘以标准的正弦信号（由电源采集），其结果作为参考电流ierf。参考电流再与电源电流iS相比。此结果送入PWM信号生成单元控制器。

PWM信号生成单元控制器即为滞环控制器，用于产生PWM脉冲调制信号，其反应速度应较快，以达到正弦电流的控制精度。PWM产生单元生成四路控制信号，用以控制IGBT导通和关断。

4 控制系统仿真及分析

PWM整流器中，要实现能量双向流动，关键在于控制电源电流，而电源电流的控制通过调整PWM整流器输入电压ur实现。PWM整流器输入电压控制分为两种PWM调制方式，即双极性调制和单极性调制。

在simulink中搭建PWM整流器双极性调制模型，令电源电压有效值为 220 V，频率为 50 Hz，电感L为 2.3 mH，负载电容C为3 300μF，电阻R为30Ω，载波频率为4 000 Hz[5]。

双极性调制时，PWM整流器输入电压ur波形为幅值在Ud、-Ud之间切换的PWM波形，其变化符合正弦脉冲宽度规律变化。如图4所示。

当PWM整流器直流侧电容值足够大时，在PWM整流器工作过程中，其直流侧电压为恒值。如图5所示。

图4 PWM整流器双极性调制输入电压波形Fig.4 Input voltage waveform of Bipolar modulation PWM rectifier

由图5可知，PWM整流器输出电压经过一段时间 （约0.3 s）后，已趋于稳定，上下变化不超过正负10 V，基本可认为输出为恒值。

图6为PWM整流器输入电流波形及谐波分析，其输入电流为正弦电流，波形为围绕给定电流iref且限定在滞环宽度的包络线。THD为14.18%。

单极性调制时，PWM整流器输入电压ur波形为幅值在Ud、0、-Ud之间切换的PWM波形，其变化符合正弦规律变化。如图7所示。

图5 PWM整流器双极性直流侧电压波形Fig.5 DC side voltage waveform of Bipolar PWM rectifier

图6 PWM整流器双极性调制输入电流波形及谐波分析Fig.6 Input current waveform and harmonic analysis chart of bipolar modulation PWM rectifier

图7 PWM整流器单极性调制输入电压波形Fig.7 Input voltage waveform of unipolar modulation PWM rectifier

单极性调制时，若PWM整流器直流侧电容足够大，则在PWM过程中可认为其直流侧电压为恒值，与双极性调制结果一致。与图5波形相似。

图8为PWM整流器输入电流波形及谐波分析，由图8可知，输入电流为正弦电流，波形为围绕给定电流iref且限定在滞环宽度得的包络线。THD为5.03%。

与双极性调制相比，单极性调制THD值更小，其原因在于在相同的占空比条件下，PWM整流器单极性调制时直流电压脉动峰值小于双极性调制时的直流电压脉动峰值，因此单极性调制时输入电流谐波较双极性调制时有较大改善[6]。在实际应用中，单极性调制具有比双极性损耗更低，电磁干扰更小的优点。

图8 PWM整流器单极性调制输入电流波形及谐波分析Fig.8 Input current waveform and harmonic analysis chart of unipolar modulation PWM rectifier

5 结 论

PWM[7]整流器的使用消除了传统相控整流器存在的问题，可广泛应用于有源滤波器，变频器的整流输入级等。为使PWM整流器输出直流电压具有最小纹波，输入电流的谐波最小且功率因数最大，分析比较了双极性和单极性两种调制方式，通过Matlab/Simulink[8]分别搭建两种不同的PWM整流器模型，在相同条件下仿真，通过输入电流谐波分析，得到单极性调制具有比双极性调制更多优点。因此，单极性调试方式在实际中得到更加广泛的应用。

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