第7章PWM整流器

4. PWM整流器工作过程和波形分析
有电流自A→D1→T3→B，T1因反 偏不会导通；同时驱动T2、T4， 则有电流自A→T2→D4→B，T4因 反偏不会导通。 uS 0时，同时驱动T1、T3，则 有电流自B→D3→T1→A，T3因反 偏不会导通；同时驱动T2、T4， 则有电流自B→T4→D2→A，T2因 反偏不会导通。这两种情况AB两 点均被短路，
300 200
us / V, is / A
100 0 -100 -200 -300 -400 1.94 1.95 1.96 1.97 t / s 1.98 1.99 2
PWM整流器交流侧电压 u AB
600 uAB 400 us
us / V, uAB / V
200 0 -200 -400 -600 1.94 1.95 1.96 1.97 t / s 1.98 1.99 2
7.2.1 单相桥式PWM整流器
us 是交流侧电源，E 开关管T1~4和二极管D1~4组成单相桥， 是直流侧电源，电感L用于交流侧滤波，电容C用于直流侧滤波， 电路采用PWM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， id 时电流 方向为正，整流。 E U d 从直流电源和开关管看电路为逆变器，在 E U d时电流 id 方 向为负，逆变。
模式一 u S 0时，同时驱动T1、T3，则
u AB 0
id＝0
dis us L dt
模式二
u AB U d
id
方向为正
在D3和D2导通时 uAB －U d ，i s 方向为负。 在模式二，T1、T4或T3、T2即使驱动也不会导通。 模式三
id 正方向电流，可能的通路是D1和D4导通或D3和D2导通。 在D1和D4导通时 u AB U d， i s 方向为正
2. 整流工作状态（ E U d ） 在 us 正半周，整流器A点电位高于B点，若有 T2 或 T3
3. 逆变工作状态（ E U d ）
单相 PWM整流器若 E U d，直流侧电流将改变方向，交 流侧电流 is 也改变方向从变流器流出，直流电源E输出电 能，经变流器流向交流侧电源 us ，整流器工作于逆变状态， 其工作与单相PWM逆变器相同。 归纳PWM整流器，若整流器交流侧电压 不变，调节 脉冲宽度可以调节直流侧电压 ， 在 E Ud 时电流 io 自变流器直流侧输出，变流器工作 于整流状态。若PWM整流器直流侧电源电压E 不变，调节 脉冲宽度可以调节交流侧电压 u AB , 在u AB us 时 ，交流 侧电流自变流器流出，这时变流器工作在逆变状态。
iR Q
二 单相桥式PWM整流器模型参数
模块
交流电压 源AC 电感L
参数
幅值： 220*sqrt(2) 频 率： 50 Hz 2mh
模块
PWM Generator Active & Reactive Power 仿真时间 仿真算法
参数
载波频率 500Hz 基波频率 50Hz 2秒 Ode23tb
10
滤波电容 C 负载电阻 R
2000e-6 F
Sine 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 u AB 和直流侧电流 id 波形
800 600 400 uAB
uAB / V, id / A
id
200 0 -200 -400 -600 -800 1.96 1.965 1.97 1.975 1.98 t / s 1.985 1.99 1.995 2
u AB U d
id
方向为负
id负方向电流，可能的通路是T1和T4导通或T2和T3导通。
在T1和T4导通时,
id 经T4、T1流向电源 us ， is
方向为正
uAB －Ud
dis 在模式二和模式三时都有通路的电压方程： us L ＝ U d dt
当PWM整流器采取单极倍频正弦脉宽调制时（参见图5.9）， T1～T4脉冲驱动序列如图7.5a，在区段1驱动T1、T3，有正向 i s 经D1、T3使AB端短路，电感电流上升，电感储能增加（模 式一）。区段2时T1、T4驱动，正向 i s 经D1、D4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3 驱动T2和T4，但是D1与D4导通AB端短路（模式一），如此进 行得到AB两端电压波形如图7.5b，图7.5c为交流侧电流波形， 调节驱动脉冲的宽度，可以调节 u AB 基波分量的幅值， iS 也随 之改变，直流侧的输出平均电压 U d 也随驱动脉冲宽度而改变。
u
i
* s 与实测电流 *
比较，经滞环控制器驱动T1~T4 ，使 is 跟踪 is 变化，从而控制电流与电压的相位，进行功 率因数控制。
is
7.2.3 单相半桥式和三相桥式PWM整流
单相半桥PWM整流电路
三相桥式PWM整流电路
7.3 PWM整流器仿真
7.3.1 单相桥式PWM整流器仿真 一 仿真模型
pulse
Signal(s)
Pulses
us1
Sine Wave
PWM Generator id
+
us2
L
g +
i -
is1 8 Multimeter
AC
+ v -
A
C
-
R
is2
us is
B
UAB
Universal Bridge
i -
UDC
+ V I PQ
P
ic
Clock
t
Active & Reactive Power
T2和D4或 T3 和 D1 导通将短路AB两点，交流侧电流 T2 is 触发， 上升，在T2 和 T3 关断时，电源 us 和电感电势 u L共同经 D1和 D4 向电容充电。 T1 D3 ， T4 和 D2 导通短路 在 us 负半周，T1 和 T4 触发，和 is 负向上升 ，关断时电源 us和电感电势 uL共同经 D2 AB两点， 和 D3 向电容充电。电感L和变流器组成了Boost升压电路， 直流侧可有较高电压。通过电路SPWM脉宽控制可以调节 直流电压 U d，调节SPWM的相位可以控制交流侧的功率因 数。
.
当U S 与 I S 反相 功率因素λ＝-1
.
.
根据电流调节 U AB 的 模和相位角可以控制 交流侧的功率因数。
.
PWM变流器功率因数控制
Is
* 根据给定的功率因数 计算功率因数角
用锁相环PLL检测 s 相位 1 * * i 由电流给定 I s 计算 s is I s sin( 1 )
ud 作正弦半波变化
二极管整流器交流侧电流
is与电压 us 相位相同，功率因数为1
实现单位功率因数控制， is 波形近似正弦波，畸变和谐波较小。
直流侧电压和电流波形
交流侧电压和电流波形
输出电压 U o 的给定值 U g 比较，以偏差信号U 经PI调节
2. 电流跟踪和整流器输出电压控制 通过电位器W2取输出侧电压U o 的反馈信号U f 与直流
PWM Generator
i -
us2
L
g +
is1 7 C
-
AC
+ v -
A
Multimeter UAB
is2
us is
B
Universal Bridge
i + V I PQ
UDC P
ic
Clock
t
Active & Reactive Power
Q
交侧电源电压
400
us 和电流 is
us is
交流电源电压 us ，电流 is
400 us is
200
us / V, is / A
0
-200
-400 1.86
1.88
1.9
1.92 t / s
1.94
1.96
1.98
2
7.3.2 PWM整流器无功补偿器仿真研究
单相PWM无功补偿器仿真模型
pulse
Signal(s)
Pulses
us1 id
+
Sine Wave
在U g U f 时 I g 减小，在 T 导通时电感电流较小，电 感L储能减小，使 U o 减小
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 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 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
u AB u AB
us
与 iS 同向时（时区a、c），
us 经二极管桥流向直流侧输出电能
与 iS 反向时（时区b、d）， 吸收电能，电容输出电能。
7.2.2 PWM整流器交流侧功率因数
在PWM 交流侧有 ： . . .
U. S U L . U AB
U L jL I S
. . .
IS
.
调节U AB 的大小和相位可以控制 I S 当 U S与 I S 同相 功率因素λ＝1
小
结
本章介绍了单相不控整流器功率因数校正 和PWM可控整流器，单相桥式不控整流器嵌 入Boost升压电路后可以实现网侧单位功率 因数控制，改善电网质量，单相不控整流器 功率因数校正已在LED光源中大量使用。 PWM整流器采用高频PWM调制，可以实 现电能双向流动，既可以整流也可以逆变， 与晶闸管整流器相比可以改善交流侧谐波， 提高功率因数，是重要的电能变换和控制技 术，已广泛应用在光伏发电、风力发电和电 网无功补偿，潮流控制等方面。