双PWM变换器工作原理和优缺点

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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，

6、 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

7、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 3PWM 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V1 至 V6 是全控型功率器件， D1 至 D6 为整流二极管，交流侧每相电路串接的电感Ld 起储存、传

8、递能量和平衡电压的作用，Cd 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ia 、 ib 、 ic 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1200的三相对称正弦波调制信号。3.2PWM 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

9、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ud*和实际的直流电压 ud 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id ， id 的大小和整流器交流输入电流的幅值成正比。稳态时，u d=ud*，PI 调节器输入为零，

10、PI 调节器的输出 id 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 ud 下降， PI 调节器的输入端出现在偏差，使其输出 i d 增大， i d 的增大会使整流器的交流输入电流增大，也使直流侧电压u d 回升。达到稳态时， u d 仍和 ud * 相等， PI 调节器输入仍恢复到零，而 id 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 u d 抬高， PI 调节器出现负偏差，其

11、输出 id 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，u d 和 ud * 仍然相等， PI 调节器输入恢复到零，其输出id为负值，并与逆变电流的大小相对应。图 3 （ a）间接电流控制系统结构图中两个乘法器均为三相乘法器的简单表示，实际上两者均由三个单相乘法器组成。上面的乘法器是id 分别和 a ， b， c 三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻 R，就可得到各相电流在Rs 压降 U Ra 、 U Rb 和 U Rc ；现面的乘法器 id 分别乘以 a， b ，c 三相电压相位超前/ 2 的余弦信号，再乘以电感 L 的感抗，就可得到电流在电感 Ls 上的压

12、降 U La、 U Lb 和 U Lc 。各相电源相电压 ua 、 ub 、 uc 分别减去前面求得的输入电流在电阻R 和电感 L 上的压降，就可得所需要的整流交流输入端各相的相电压 uA 、 uB 和 uC ，用该信号对三角波载波进行调制，得到 PWM 开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。从控制系统结构及上述分析可以看出，这种控制方法在信号运算过程中要用到电路参数 Ls 和 Rs 的运算值和实际值有误差时， 必然会影响到控制效果。 此外，这种控制方法是基于系统的静态模型设计的， 其动态特性较差。 因此，间接电流控制的系统应用较少。(2). 直接电流控制在这种控制方法中，通过运算求

13、出交流输入电流指令值，再引入电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，因此这种方法称为直接电流控制。直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法，图5 （b ）给出的是一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制结构图。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 id ， id 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ia* ， ib* 和 ic* 。可以看出， ia* ，