第29卷 第4期2007年8月
电气电子教学学报
JOURNALOFEEE
Vol.29 No.4Aug.2007
PWM整流电路的原理分析
黄海宏,王海欣,张 毅,许月霞
(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009)
摘 要:无论是不控整流电路,还是相控整流电路,功率因数低都是难以克服的缺点。PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路,本文以《电力电子技术》教材为基础,详细分析了单相电压型桥式PWM整流电路的工作原理和四种工作模式。通过对PWM整流电路进行控制,选择适当的工作模式和工作时间间隔,交流侧的电流可以按规定目标变化,使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动,且交流侧电流非常接近正弦波,和交流侧电压同相位,可使变流装置获得较高的功率因数。关键词:PWM整流电路;功率因数;交流侧;直流侧中图分类号:TM46
文献标识码:A--04
AnalysisofHai2xin,ZHANGYi,XUYue2xia
(Sofengineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)
Abstract:Notrectifierbutalsophasecontrolledrectifierhavethesameweaknessoflowpowerfactor.PWMrectifierismadeoffull2controlleddevice,workingasPWMmode.BasedonteachingmaterialofPowerElectricTechnology,thispaperanalysesfundamentalandfourworkmodesofsinglephasevoltagetypePWMrectifier.Ifappropriateworkmodesandrightintervalbetweenvariousmodesareadopted,thecurrentofACsidewillvaryaccordingtoscheduledaim,theenergycanbebidirectionalflowbetweenACsideandDCside.ThecurrentofACsideisclosetosinewaveverymuch,andgetsthesamephasewithvoltageofACside,thentheconvertwillgethighpowerfactor.Keywords:PWMrectification;powerfactor;ACside;DCside
0 引言
传统的整流电路中,晶闸管相控整流电路的输
入电流滞后于电压,其滞后角随着触发角的增大而增大,位移因数也随之降低。同时输入中谐波分量也相当大,因此功率因数很低。而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1,但输入电流中谐波分量很大,功率因数也较低。
PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路,它能在不同程度上解决传
统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路,就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路进行控制,使其输入电流非常接近正弦波,且和输入电压同相位,则功率因数近似为1。因此,PWM整流电路也称单位功率因数变流器。
参考文献[1]在第6章“PWM控制技术”中增添了“PWM整流电路及其控制方法”这一部分内容。但在PWM整流电路的工作原理中介绍篇幅较少,只是针对PWM
整流电路的运行方式相量图进
收稿日期:2007-04-06;修回日期:2007-05-15
第一作者:黄海宏(1973-),江西清江人,硕士,讲师,主要从事电力电子和自动控制方面的研究
行分析,没有分析其工作过程。对PWM整流电路
不熟悉的教师在了解这部分内容时普遍感觉吃力。
1 单相电压型桥式PWM整流电路
电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统,为间接式变频电源提供直流中间环节,其电路如图1所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L为交流侧附加的电抗器,在PWM整流电路中是一个重要的元件,起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析,可以忽略L的电阻
。
因数为1;图2(b)中is与us反相,电路为逆变运行。
这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动。
不考虑换相过程,在任一时刻,电压型单相桥式PWM整流电路的四个桥臂应有两个桥臂导通。为避免输出短路,1、2桥臂不允许同时导通,同样3、4桥臂也不允许同时导通。PWM整流电路有四种工作模式,根据交流侧电流is的方向,每种工作模式有两种工作状态
。
图1 结构和PWM。按照正弦信号波1中的V1～V4进行SPWM控制,就可以在桥的交流输入端ab产生一个SPWM波uab。在uab中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量,以及和三角波载波有关的频率很高的谐波,但不含有低次谐波。uab与电网的正弦电压us共同作用于输入电感L上,产生正弦输入电流is。当us一定时,is幅值和相位仅由uab中基波幅值及其与us的相位差决定。通过控制整流器交流侧的电压uab的幅值和相位,就可获得所需大小和相位的输入电流is。
L在电路中承担了平衡电压的作用,其两端电
图3 PWM整流电路运行方式
压uL=Ldis/dt,可得
ωLIs=us-uabUL=j
其矢量关系如图2所示[2]。图中δ=arctanωLIs
Us
,Us和Is分别是电网电压和电流的有效值
。
(a) 整流运行 (b) 逆变运行
图2 PWM整流电路运行方式向量图
图2(a)中is与us同相,电路为整流运行,功率
当交流输入电源电压us位于正半周时,各模
式工作情况如下。
方式1为1、4号桥臂导通,L=us-uab
dt
电流为正时,VD1和VD4导通,交流电源输出能量,直流侧吸收能量,电路处于整流状态;电流为负时,V1和V4导通;交流电源吸收能量,直流侧释放能量,处于能量反馈状态。如图3(a)所示。
方式2为2、3号桥臂导通,L=us-uab
dt
电流为正时,V2和V3导通,交流电源和直流侧都输出能量,L储能;电流为负时,VD2和VD3导通,交流电源和直流侧都吸收能量,L释放能量。如图3(b)所示。
方式3为1、3号桥臂导通,L=us
dt
直流侧与交流侧无能量交换,电源被短接,电流
为正时,VD1和V3导通,L储能;电流为负时,V1和VD3导通,L释放能量。如图3(c)所示。
方式4为2、4号桥臂导通,L=us
dt直流侧与交流侧无能量交换,电源被短接,电流为正时,V2和VD4导通,L储能;电流为负时,VD2和V4导通,L释放能量,如图3(d)所示。
在方式3和方式4中,交流电源被短路,依靠交流侧电感限制电流。在方式1和方式2中,由于电流方向能够改变,交流侧与直流侧可进行双向能量交换。
按同样方法可分析us位于负半周时各模式的工作情况。采用脉宽调制方式,通过选择适当的工作模式和工作时间间隔,交流侧的电流可以按规定的目标增大、减小和改变方向,is的幅值和相位,4电压型单相桥式PWM,数λ=1
广泛,工作原理与单相桥式PWM整流电路相似。对6个全控器件按一定要求和方式进行控制,在交流输入端a、b、c可得到SPWM电压。对各相电压进行控制,就可以使各相电流为正弦波且和电压相位相同,功率因数近似为1
。
6所示。由于
IGBT内部漏极(集电极)和)间有反并联的二极管,为了防止电流反向流动,在功率开关管V1～V6的漏极串接了整流二极管VD1～VD6。显然,这种整流电路不能实现电流回馈,但通过控制L1的电流变化可使得直流侧电压
ud按交流形式变化,同样可以实现能量双向流动。因
整流器直流输出需要很大的平波电抗,装置体积较大,电流型PWM整流器一般不用于单相。从交流侧看,电流型PWM整流器可看成是一个可控电流源。与电压型PWM整流器相比,它没有桥臂直通导致的过流和输出短路的问题。功率管直接对直流电流作脉宽调制
,所以其控制相对简单。
图6 三相电流型PWM整流电路
图4 电压型单相桥式PWM整流电路整流运行,功率因
数λ=1时的工作波形
2 电压型和电流型PWM整流电路
图5是三相桥式PWM整流电路,其应用非常
电流型PWM整流器应用不如电压型PWM
整流器广泛。主要原因有两个:①电流型PWM整流器通常要经过LC滤波器与电网联接,LC滤波器和直流侧的平波电抗器L1的重量和体积都比较大;
(下转第33页)
第4期李世琼,宗 伟:线性定常系统状态空间表达式的电路模型33
+1
00
-2.
=
u1u
x1
x+
y1
y1
00 0
00 u1u解:设状态量x1=uc1,x2=iL2,x3=iL3,输出量y1=x
1,电路模型如图4所示。对电路进行
PSpice
仿真分析,得到状态量和输出量的时域波形如图5所示。
(c) 输出量y2的曲线
图
4 例题系统状态空间表达式的电路模型
(d) x12y2的状态轨迹
图5 系统的单位阶跃响应
3 结论
(a) 状态量x
1的曲线
任意线性定常系统的状态空间表达式都可以用
电路模型表示。应用PSpice对电路模型进行仿真分析,可以得到任意激励下系统的时域特性,以及频域特性和状态轨迹。这对于状态量不能直接测量的系统尤为有益。参考文献:
[1] 宁元中.常微分方程的PSpice宏模型[J].成都:四川大学学报
(工程科学版),2002,34(6):90-94
[2] 刘豹.现代控制理论[M].第2版.北京:机械工业出版社,1992[3] 王辅春.电子电路CAD与OrCAD教程[M].北京:机械工业
(b) 状态量x2和
x3的曲线
出版社,2005
(上接第30页黄海宏等文)
②常用的全控器件多为内部有反并联二极管反向自
然导电的开关器件,为防止电流反向必须再串联一个二极管,主回路构成不方便且通态损耗大。电流型PWM整流器通常只应用在功率非常大的场合,这时所用的开关器件GTO本身具有单向导电性,不必再串二极管,而电流型PWM整流器的可靠性
又比较高,对电路保护比较有利。参考文献:
[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术(第4版)[M].北京:机械工业出
版社,2004
[2] 林渭勋.现代电力电子技术[M].北京:机械工业出版社
,2006
第29卷 第4期2007年8月
电气电子教学学报
JOURNALOFEEE
Vol.29 No.4Aug.2007
PWM整流电路的原理分析
黄海宏,王海欣,张 毅,许月霞
(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009)
摘 要:无论是不控整流电路,还是相控整流电路,功率因数低都是难以克服的缺点。PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路,本文以《电力电子技术》教材为基础,详细分析了单相电压型桥式PWM整流电路的工作原理和四种工作模式。通过对PWM整流电路进行控制,选择适当的工作模式和工作时间间隔,交流侧的电流可以按规定目标变化,使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动,且交流侧电流非常接近正弦波,和交流侧电压同相位,可使变流装置获得较高的功率因数。关键词:PWM整流电路;功率因数;交流侧;直流侧中图分类号:TM46
文献标识码:A--04
AnalysisofHai2xin,ZHANGYi,XUYue2xia
(Sofengineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)
Abstract:Notrectifierbutalsophasecontrolledrectifierhavethesameweaknessoflowpowerfactor.PWMrectifierismadeoffull2controlleddevice,workingasPWMmode.BasedonteachingmaterialofPowerElectricTechnology,thispaperanalysesfundamentalandfourworkmodesofsinglephasevoltagetypePWMrectifier.Ifappropriateworkmodesandrightintervalbetweenvariousmodesareadopted,thecurrentofACsidewillvaryaccordingtoscheduledaim,theenergycanbebidirectionalflowbetweenACsideandDCside.ThecurrentofACsideisclosetosinewaveverymuch,andgetsthesamephasewithvoltageofACside,thentheconvertwillgethighpowerfactor.Keywords:PWMrectification;powerfactor;ACside;DCside
0 引言
传统的整流电路中,晶闸管相控整流电路的输
入电流滞后于电压,其滞后角随着触发角的增大而增大,位移因数也随之降低。同时输入中谐波分量也相当大,因此功率因数很低。而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1,但输入电流中谐波分量很大,功率因数也较低。
PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路,它能在不同程度上解决传
统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路,就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路进行控制,使其输入电流非常接近正弦波,且和输入电压同相位,则功率因数近似为1。因此,PWM整流电路也称单位功率因数变流器。
参考文献[1]在第6章“PWM控制技术”中增添了“PWM整流电路及其控制方法”这一部分内容。但在PWM整流电路的工作原理中介绍篇幅较少,只是针对PWM
整流电路的运行方式相量图进
收稿日期:2007-04-06;修回日期:2007-05-15
第一作者:黄海宏(1973-),江西清江人,硕士,讲师,主要从事电力电子和自动控制方面的研究
行分析,没有分析其工作过程。对PWM整流电路
不熟悉的教师在了解这部分内容时普遍感觉吃力。
1 单相电压型桥式PWM整流电路
电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统,为间接式变频电源提供直流中间环节,其电路如图1所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L为交流侧附加的电抗器,在PWM整流电路中是一个重要的元件,起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析,可以忽略L的电阻
。
因数为1;图2(b)中is与us反相,电路为逆变运行。
这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动。
不考虑换相过程,在任一时刻,电压型单相桥式PWM整流电路的四个桥臂应有两个桥臂导通。为避免输出短路,1、2桥臂不允许同时导通,同样3、4桥臂也不允许同时导通。PWM整流电路有四种工作模式,根据交流侧电流is的方向,每种工作模式有两种工作状态
。
图1 结构和PWM。按照正弦信号波1中的V1～V4进行SPWM控制,就可以在桥的交流输入端ab产生一个SPWM波uab。在uab中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量,以及和三角波载波有关的频率很高的谐波,但不含有低次谐波。uab与电网的正弦电压us共同作用于输入电感L上,产生正弦输入电流is。当us一定时,is幅值和相位仅由uab中基波幅值及其与us的相位差决定。通过控制整流器交流侧的电压uab的幅值和相位,就可获得所需大小和相位的输入电流is。
L在电路中承担了平衡电压的作用,其两端电
图3 PWM整流电路运行方式
压uL=Ldis/dt,可得
ωLIs=us-uabUL=j
其矢量关系如图2所示[2]。图中δ=arctanωLIs
Us
,Us和Is分别是电网电压和电流的有效值
。
(a) 整流运行 (b) 逆变运行
图2 PWM整流电路运行方式向量图
图2(a)中is与us同相,电路为整流运行,功率
当交流输入电源电压us位于正半周时,各模
式工作情况如下。
方式1为1、4号桥臂导通,L=us-uab
dt
电流为正时,VD1和VD4导通,交流电源输出能量,直流侧吸收能量,电路处于整流状态;电流为负时,V1和V4导通;交流电源吸收能量,直流侧释放能量,处于能量反馈状态。如图3(a)所示。
方式2为2、3号桥臂导通,L=us-uab
dt
电流为正时,V2和V3导通,交流电源和直流侧都输出能量,L储能;电流为负时,VD2和VD3导通,交流电源和直流侧都吸收能量,L释放能量。如图3(b)所示。
方式3为1、3号桥臂导通,L=us
dt
直流侧与交流侧无能量交换,电源被短接,电流
为正时,VD1和V3导通,L储能;电流为负时,V1和VD3导通,L释放能量。如图3(c)所示。
方式4为2、4号桥臂导通,L=us
dt直流侧与交流侧无能量交换,电源被短接,电流为正时,V2和VD4导通,L储能;电流为负时,VD2和V4导通,L释放能量,如图3(d)所示。
在方式3和方式4中,交流电源被短路,依靠交流侧电感限制电流。在方式1和方式2中,由于电流方向能够改变,交流侧与直流侧可进行双向能量交换。
按同样方法可分析us位于负半周时各模式的工作情况。采用脉宽调制方式,通过选择适当的工作模式和工作时间间隔,交流侧的电流可以按规定的目标增大、减小和改变方向,is的幅值和相位,4电压型单相桥式PWM,数λ=1
广泛,工作原理与单相桥式PWM整流电路相似。对6个全控器件按一定要求和方式进行控制,在交流输入端a、b、c可得到SPWM电压。对各相电压进行控制,就可以使各相电流为正弦波且和电压相位相同,功率因数近似为1
。
6所示。由于
IGBT内部漏极(集电极)和)间有反并联的二极管,为了防止电流反向流动,在功率开关管V1～V6的漏极串接了整流二极管VD1～VD6。显然,这种整流电路不能实现电流回馈,但通过控制L1的电流变化可使得直流侧电压
ud按交流形式变化,同样可以实现能量双向流动。因
整流器直流输出需要很大的平波电抗,装置体积较大,电流型PWM整流器一般不用于单相。从交流侧看,电流型PWM整流器可看成是一个可控电流源。与电压型PWM整流器相比,它没有桥臂直通导致的过流和输出短路的问题。功率管直接对直流电流作脉宽调制
,所以其控制相对简单。
图6 三相电流型PWM整流电路
图4 电压型单相桥式PWM整流电路整流运行,功率因
数λ=1时的工作波形
2 电压型和电流型PWM整流电路
图5是三相桥式PWM整流电路,其应用非常
电流型PWM整流器应用不如电压型PWM
整流器广泛。主要原因有两个:①电流型PWM整流器通常要经过LC滤波器与电网联接,LC滤波器和直流侧的平波电抗器L1的重量和体积都比较大;
(下转第33页)
第4期李世琼,宗 伟:线性定常系统状态空间表达式的电路模型33
+1
00
-2.
=
u1u
x1
x+
y1
y1
00 0
00 u1u解:设状态量x1=uc1,x2=iL2,x3=iL3,输出量y1=x
1,电路模型如图4所示。对电路进行
PSpice
仿真分析,得到状态量和输出量的时域波形如图5所示。
(c) 输出量y2的曲线
图
4 例题系统状态空间表达式的电路模型
(d) x12y2的状态轨迹
图5 系统的单位阶跃响应
3 结论
(a) 状态量x
1的曲线
任意线性定常系统的状态空间表达式都可以用
电路模型表示。应用PSpice对电路模型进行仿真分析,可以得到任意激励下系统的时域特性,以及频域特性和状态轨迹。这对于状态量不能直接测量的系统尤为有益。参考文献:
[1] 宁元中.常微分方程的PSpice宏模型[J].成都:四川大学学报
(工程科学版),2002,34(6):90-94
[2] 刘豹.现代控制理论[M].第2版.北京:机械工业出版社,1992[3] 王辅春.电子电路CAD与OrCAD教程[M].北京:机械工业
(b) 状态量x2和
x3的曲线
出版社,2005
(上接第30页黄海宏等文)
②常用的全控器件多为内部有反并联二极管反向自
然导电的开关器件,为防止电流反向必须再串联一个二极管,主回路构成不方便且通态损耗大。电流型PWM整流器通常只应用在功率非常大的场合,这时所用的开关器件GTO本身具有单向导电性,不必再串二极管,而电流型PWM整流器的可靠性
又比较高,对电路保护比较有利。参考文献:
[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术(第4版)[M].北京:机械工业出
版社,2004
[2] 林渭勋.现代电力电子技术[M].北京:机械工业出版社
,2006