浅谈PWM整流器应用中的控制特性

冯晓艳

黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022

PWM整流器为三相电压型整流器，在电能的回馈以及功率因数补偿和有源滤波、交流传动等领域中应用较为广泛。而控制PWM整理器的作用就在于能够保证直流侧电压稳定可靠，在此基础上，有效控制了正弦波电流。而这种控制需要功率因数受控。为了保证整流器网侧受控电流特性能够完全展现，如何有效控制网侧电流具有重要意义。文章则是针对PWM整理器在运行过程中所遇到的特点进行了分析。根据PWM侧功率因数的相关要求，整流器的工作环境应当为升压状态，并且正常运行直流电压同交流电压之间的比值应当保持稳定并大于一个升压系数。根据这一研究，在空间矢量算法之上提出了阶段电流控制的方式。根据升压系数的不同采用不同的模式，即升压系数较小时，切换到滞后功率因数的控制状态，反之则切换到单位功率因数的控制状态。并设计搭建了一个物理平台以供PWM整流器使用，该物理平台是在DSP基础上建立的，并且通过多种实验，对PWM的运行特性进行了分析，发现电流控制的切换是一种正确的控制方式。

1 模型

设定：将电压型PWM整流器三相电源进行设定，其电动势分别为Ea、Eb、Ec，而交流侧设置各相的电流分别为Ia、Ib、Ic，直流侧的电压值为Udc，直流侧的电流则为Idc，在交流侧PWM整流器的输入电压为Ua、Ub、Uc。

当开关器件的损耗不计入在内时，通过守恒定律可以得出：EaIa、EbIb以及EcIc的和同UdcIdc相等。据此分析，对交流侧的电流进行有效控，能够控制和调节直流侧，而对直流侧进行有效的控制调节能够实现对交流侧的控制。将电动势的响亮在交流单相中的数值设为E，交流侧电压相量设为UL，VSR交流侧的电压相量设为U，电流相量则设为I，将交流侧功率因数角设置为φ，θ为（90°-φ）。当整流器电路稳定的状态下，交流侧以及直流侧指甲你的电流是一一对应的，所以U端点就会形成一个圆形的轨迹，该圆的半径为UL。当整流器网侧的电流同电压同相时，整流器会呈现出正阻特性，若整流器网侧的电流同电压相反那么就会出现负阻特性。同上述两种情况不同的是，整流器在某种情况下回呈现出纯电感特性以及纯电容特性。

通过上述分析可以看出，参考值为电网电压相量时，通过对交流侧电流的控制，也包括对相位以及幅值的控制，能够对VSR交流侧的电压进行有效控制，从而控制PWM整流器的运行。所以，针对整流器网侧，可以将其看做为一个电流源进行控制，同时网侧功率艺术以及电流均为可控因子。

2 运行范围

若确定好VSR的直流电压，那么其最大交流侧相电压也能够予以确定，即电压绝对值的最大值等于MUdc，M是整流器最大的直流电压利用率，其大小受到整流器控制方式相关。从本质上讲，当确定了直流侧的负载后，直流电流便随之确定，若整流器的工作状态为单位功率因数状态，那么最小交流侧电流便可以确定。这是由于稳定的系统状态中，直流侧电流等于交流侧三相有功电流的叠加。

图1 三相电压型PWM整流器

将只留电压值设置为U*dc，对交流侧的电源电动势的输入值ea由小到大逐步的增加时，E′a＜E”a＜E”’a，PWM整流器会逐步的降低其升压系数。依照功率守恒定律可以推出，若增大电源的电动势那么其交流电流便会逐步的减小；若将交流电流逐步的减小，直到直流电压稳定，那么此时在直流侧所需要的最小有功电流为I″a，电源电动势会随之增加，若电动势继续增加，那么交流侧的电流也会随之增加，整流器的运行便会受阻，因而退出单位功率运行，而在感性功率因数的整流状态下运行。

3 控制措施

对电流的控制中，方式方法多种多样，其中最为普遍的方式即双闭环控制，该结构是对电流内环以及电压为外环的有效控制。直流电压的恒定是由电压外环予以维持的，而跟踪电流的给定则是通过电流内环予以控制的，从而对能量流动进行双向控制，同时也实现功率因数的双向调节。从结构上讲该种控制结构性能优良，并且构造简单，能够在电流内环的控制下有效实现电流的限幅，能保护半导体开关结构。

对整流器的控制可以分成两个阶段。当升压系数大于临街系数值，那么无功电流在电流内环中为0，便能够有效控制单位功率因数；若交流电动势同给定的直流电压之间的比例和升压系数的临界值相等或者略小，那么此时的无功电流不能设定为0，此时应当使得整流器在感性功率状态下运行。这种情况下需要调整电流控制策略，如若不然，控制器将会出现控制紊乱，对开关器件的损坏也极其严重。

4 实验研究

VSR物理平台的搭建仍旧需要进一步验证，在数字化平台的基础上予以实验验证，采用TMS320F2812作为控制芯片，保证10KHz的开关频率，控制策略需要建立在空间适量的基础之上。通过实验波形图可以看出，当升压系数较大时，整流器的工作状态为整流状态；当升压系数超过了既定的临界值，那么在该种状态下就会产生系统的紊乱，电流的波形便会出现畸变现象，那么IPM便会判定为系统故障而进入自我保护状态。通过1：50的探头对电源电压进行检测，其输出电流值为0.01V／A。

5 结语

在PWM整流器中受控电流源特性是网侧呈现出的基本特征，并且其电流具有可控的功率因数，若整流器从电网中吸收了电能，那么证明其工作状态为整流状态；反之，整流器的工作状态为逆变状态，这种运行是绿色电能转换的真正实现。文章着重对PWM整流器进行了运行状态的描述，并根据这些状态下设备的运行状况推导出PWM整流器的临街升压系数，同时还推导出整流器在四象限中运行调节的范围，并提出了有效地应对策略，并指出相应的控制过程，对其理论正确性进行了一系列的实验证实。

[1]王久和，张金龙，李华德. 电压型PWM整流器直接功率控制系统主电路参数设计[J]. 北京科技大学学报，2006年11期

[2]李浩光，张加胜. 基于矢量控制的三相PWM可逆整流器的研究[J]. 变流技术与电力牵引，2006年03期