双PWM变换器工作原理及其优缺点

双PWM变换器工作原理及其优缺点
双PWM变换器工作原理及其优缺点
和适用范围
姓名：刘健学号：2015282070173
脉宽调制（PWM）技术就是控制半导体开关元件的通断时间比，即通过调节脉冲宽度或周期来实现控制输出电压的一种技术。

由于它可以有效地进行写拨抑制，而且动态响应好，在频率、效率诸方面有着明显的优势，因而在电力电子变换器逆变中广泛应用，其技术也日益完善。

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。

现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。

可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

现对双PWM电路的主电路和控制电路的设计如下：
1基本原理
双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路如图1 所示：
图1双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路
变换器的2 个PWM 变换器的主电路结构完全相同,三相交流电源经PWM整流器整流，再经PWM逆变器逆变为频率和幅值可调的交流电，带动三相电阻负载。

整流器和逆变器触发电路的设计是变换器设计的核心。

2 整流电路
从PWM整流器的功能可见，PWM整流器应该是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流器。

目前，PWM整流器分成两个大类:一、电压型PWM整流器，二、电流型PWM整流器。

它们两种结构在主电路拓扑结构、PWM信号发生、控制策略等方面都有各自的特点，而且两者在电路上是对偶的。

2.1 电压型整流器(VSR)
电压型（Voltage Source Rectifier--VSR）PWM整流器有个明显的特点就
是直流侧一般采用电容进行直流储能。

这样一来就使得VSR直流侧呈现低阻抗电压源特性。

其拓扑结构有以下三种：图2.1（a）就是单相半桥VSR拓扑结构，图2.1（b）是单相全桥VSR拓扑结构，图2.1（c）是三相六开关VSR拓扑结构。

图2.1（a）单相半桥
图2.1（b）单相全桥
图2.1（c）三相六开关拓扑结构
由上图2 .1(a)可知，单相半桥VSR拓扑结构中，相比而言比较的简单，只有一个桥臂用了IGBT开关，另一个则是由两个电容串联而成。

这种结构适合于价格低，成本低，小功率的场合。

而在全桥VSR拓扑结构里，如图2.1 (b)，则采用了4个IGBT开关。

两个电路里每个IGBT都反并联一个续流二极管，可以保证无功电流的流动。

其中电容的作用是均压和储能，但是这种拓扑结构对电容的数值要求比较高，系统对死区也比较的敏感，所以其控制算法和策略方面仍然处于研究阶段。

从图2.1 (c)可以看出三相VSR主电路由交流侧三相电感、三相全控桥、直流侧滤波电容组成。

由于三相半桥VSR比较适合于三相电网平衡的系统，如果电网三相不平衡，控制性能会恶化，甚至于不能正常工作。

为了解决这个问题，可以采用三相全桥VSR设计，本质上是三个独立控制的单相半桥VSR的组合。

本文设计的整流器即为这种类型。

2.2 电流型整流器(CSR)
电流型（Current Source Rectifier--CSR）PWM整流器拓扑结构最明显的特点是直流侧采用电感存储能量，从而使得CSR直流侧呈现出高阻抗的电流源特性。

CSR跟VSR一样，有单相和三相两种不同的结构。

图2.2（a）单相CSR拓扑结构图2.2（b）三相CSR拓扑结构
上图2.2（a）中所示的单相CSR拓扑结构，它与单相了一个滤波电容，作用是和电感一起构成LC滤波器，VSR相比，交流侧还增加滤除网侧来的谐波电流，抑制谐波电压。

并且每个IGBT开关管都串联了个二极管，主要的目的是阻断反向电流，提高反向耐压能力。

上图2.2（b）为三相CSR拓扑图，可以看出这也是个半桥结构，它工作原理大致和单相的一样，其中的电容和电感的作用和单相CSR是一样的。

由于大功率整流的电流比较的大，所以为了防止铁心饱和，直流侧的电感器铁心体积会比较庞大，这样的话就增加了电路损耗，同时也限制了直流电流的大小，不能太大。

三相电流型PWM整流器拓扑结构，利用正弦波调制的方法控制直流电流在各开关器件的分配，使交流电流波形近似与电源电压同相位的正弦波，实现功率因数近似为1。

由于整流器的非线性，其交流侧电流波形中含有较多的谐波成分，需在交流侧加装滤波器来减少交流电流谐波;直流侧有大的平波电抗，稳态时，直流侧电流纹波很小，类似电流源。

3 PWM整流电路及其控制方法
3.1 PWM整流电路结构
PWM整流电路结构如下所示，采用的是电压型整流电路。

图3 PWM 整流电路结构
三相系统里面，三相全桥拓扑结构是VSR 最为常用的一种。

与单相全桥VSR 相比，三相VSR 拓扑结构主电路则多了一个桥臂。

三相半桥 VSR PWM 整流器主电路结构如上图所示，其中1V 至6V 是全控型功率器件，1D 至6D 为整流二极管，交流侧每相电路串接的电感d L 起储存、传递能量和平衡电压的作用，d C 为滤波器。

通过对电路进行正弦波PWM 控制，使得整流桥的交流输入端产生正弦PWM 电压，对各相电压进行控制，就可以使各相电流a i 、b i 、c i 为正弦波且和电压相位相同，从而使功率因数为1。

当电路工作在整流状态下，能量从电网侧流向直流侧负载传输;当电路工作在再生状态下，类似于三相PWM 电压型有源逆变器，可以将直流侧的能量回馈到交流电网侧。

所以对于三相VSR ，需要对其三相桥臂施加幅值、频率相等而相位上互差0
120的三相对称正弦波调制信号。

3.2 PWM 整流电路的控制方法
为了使PWM 整流电路在工作时工率因数近似为1，即要求输入电流为正弦波且和电压同相位，可以有多种控制方法。

根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种，没有引入电流反馈的称为间接电流控制，引入交流电流反馈的称为直接电流控制。

下面分别介绍这两种控制方法的基本原理。

（1）间接电流控制
间接电流控制也称为相位控制和幅值控制。

图5（a）为间接电流控制的系统结构图，图中的PWM整流电路为图4所示的三相桥式电路。

控制系统的闭环
是整流器直流侧电压控制环。

直流电压给定信号
*
d
u和实际的直流电压
d
u比较后
送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流指令信号d i，d i的大小和整流器
交流输入电流的幅值成正比。

稳态时，d u=
*
d
u，PI调节器输入为零，PI调节器
的输出d i和整流器负载电流大小相对应，也和整流交流输入电流的幅值相对应。

当负载电流增大时，直流侧电容C放电而使其电压d u下降，PI调节器的输入端出现在偏差，使其输出d i增大，d i的增大会使整流器的交流输入电流增大，也使
直流侧电压d u回升。

达到稳态时，d u仍和
*
d
u相等，PI调节器输入仍恢复到零，
而d i则稳定在新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流相对应。

当负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。

若整流器要从整流运行变为逆变运行时，首先是负载电流反向而向直流电容C充电，使d u抬高，PI调节器出现负偏差，其输出d i减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实
现逆变运行。

达到稳态时，d u和
*
d
u仍然相等，PI调节器输入恢复到零，其输出
d
i为负值，并与逆变电流的大小相对应。

图3（b）直接电流控制系统结构图
图3（b）的控制系统是一个双闭环控制系统。

其外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。

外环的结构，工作原理均和5（a）的间接电流控制系统相同，前面已进行了详细的分析，这里不再重复。

外环PI调节器的输出为直
流信号d i，d i分别乘以和a，b，c三相相电压同相位的正弦信号，就得到三相交
流电流的正弦指令信号
*
a
i，*
b
i和*
c
i。

可以看出，*
a
i，*
b
i和*
c
i分别和各自的电源电压
同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号d i成正比，这正是整流器作单位功率因数运行进所需要的交流电流指令信号。

该指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对各个开关器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值，其跟踪误差在由滞环环宽所决定的范围内。

采用滞环电流比较的直接控制系统结构简单，电流响应快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好，因而获得了较多的应用。