单相PWM整流器控制方法及谐波分析.docx

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1、单相 PWM 整流器掌握方法及谐波分析王成【摘 要】传统二极管不控整流或晶闸管相控整流,对电网注入大量谐涉及无功功率, 造成电源污染.PWM 整流器承受全控型开关器件取代二极管或半控型器件,并将PWM 掌握技术引入整流器,在稳定直流电压输出同时,使沟通侧电源电流接近正弦波,实现能量的双向流淌.通过介绍单相 PWM 整流器的掌握方法,利用Matlab/Simulink 搭建仿真模型,比较分析不同掌握方式下 PWM 整流器运行时电压波形及输入电流的谐波频谱.【期刊名称】电子设计工程【年(卷),期】2023(022)006【总页数】4 页(P92-95)【关键词】PWM 整流器;谐波分析;Matla

2、b/Simulink;滞环掌握【作 者】王成【作者单位】西安航空学院 陕西西安 710077【正文语种】中 文【中图分类】TN710PWM 整流器从电路拓扑上属沟通/直流变换器，通常 PWM 整流器可分为不行逆与可逆两大类。可逆 PWM 整流器由于能量可双向传输及其优异的掌握性能，近年来在电力电子装置中获得了广泛应用，受到学术界的关注，文章分析争论了可逆PWM 整流器构造及不同的掌握方法。1 PWM 整流器图 1 单相 PWM 整流器构造图 Fig.1 Single-phase PWM rectifier structure PWM 整流器主要由 4 只全控型器件 IGBT 组成，其栅极依据脉

3、冲宽度调制原理掌握导通与关断。在此掌握方式下工作，PWM 整流器可使网侧电流正弦化，并工作于单位功率因数。为消退谐波污染现象，PWM 整流器使用更加简单的掌握算法。PWM 整流器可分为电压型和电流型两类，电压型 PWM 整流器直流侧承受电容进展直流储能，使电压型 PWM 整流器直流侧呈现低阻抗的电压源特性。电流型PWM 整流器直流侧承受电感进展直流储能，使电流型 PWM 整流器直流侧呈现高阻抗的电流源特性1。本文争论电压型 PWM 整流器。2 PWM 整流器工作原理单相电压型 PWM 整流器构造为全桥形式，如图 1 所示2。PWM 整流器主电路由 4 只 IGBT 组成，构成全单相桥电路。沟通

4、侧输入有电源电压 us，整流器输入电压 ur，电感 Ls，直流侧输出有电 C 容与负载 Rd。如电源电压 us 与整流器输入电压 ur 为正弦量，电路中能量的流淌取决于电压与电流之间的相位差，如图 2 所示。设 PWM 整流器由电源输入侧传输到输出侧的有功功率为 P，由图 2a可得：式中：US 为电源电压有效值；Ur 为整流器输入电压基波重量有效值； 为 US 与Ur 之间的相位差；XS 为电源电压为工频时的输入阻抗； 为功率因数。为使 PWM 整流器输出电压为恒值，输入和输出功率需保持平衡。因此，如相位图 2a所示可得，图 2 PWM 整流器相位图 Fig.2 Phase diagram o

5、f the PWM rectifier假设 PWM 整流器所消耗的无功功率等于零，则功率因数等于 1。因此上两式可写为PWM 整流器也可工作在整流或逆变状态，如图 2b、c所示。PWM 整流器的掌握目的在于使其消耗的电流与电源电压同相位3。3 PWM 整流器的掌握方式为使 PWM 整流器工作于不同状态，使用了掌握环设计，即电压外环和电流内环掌握，如图 3 所示4。图 3 PWM 整流器掌握框图 Fig.3 Control diagram of the PWM rectifier在该闭环掌握系统中，电流内环掌握动态性能直接影响电压外环掌握性能，为得到更优的电源电流的跟踪精度和动态性能，电流内环承

6、受滞环电流掌握。掌握系统中，PWM 整流器输出电压 UO 与设定的参考电压 U ref 相比较，其差值作为其输出，在与 PI 调整器相乘。所得到的结果将被乘以标准的正弦信号由电源采集，其结果作为参考电流 i erf。参考电流再与电源电流 iS 相比。此结果送入 PWM 信号生成单元掌握器。PWM 信号生成单元掌握器即为滞环掌握器，用于产生 PWM 脉冲调制信号，其反响速度应较快，以到达正弦电流的掌握精度。PWM 产生单元生成四路掌握信号， 用以掌握 IGBT 导通和关断。4 掌握系统仿真及分析PWM 整流器中，要实现能量双向流淌，关键在于掌握电源电流，而电源电流的掌握通过调整 PWM 整流器输

7、入电压 ur 实现。PWM 整流器输入电压掌握分为两种PWM 调制方式，即双极性调制和单极性调制。在 simulink 中搭建 PWM 整流器双极性调制模型，令电源电压有效值为 220 V， 频率为 50 Hz，电感 L 为 2.3 mH，负载电容 C 为 3 300F，电阻 R 为 30，载波频率为 4 000 Hz5。双极性调制时，PWM 整流器输入电压 ur 波形为幅值在 Ud、-Ud 之间切换的PWM 波形，其变化符合正弦脉冲宽度规律变化。如图 4 所示。当 PWM 整流器直流侧电容值足够大时，在 PWM 整流器工作过程中，其直流侧电压为恒值。如图 5 所示。图 4 PWM 整流器双极

8、性调制输入电压波形 Fig.4 Input voltage waveform of Bipolar modulation PWM rectifier由图 5 可知，PWM 整流器输出电压经过一段时间 约 0.3 s后，已趋于稳定， 上下变化不超过正负 10 V，根本可认为输出为恒值。图 6 为 PWM 整流器输入电流波形及谐波分析，其输入电流为正弦电流，波形为围绕给定电流 i ref 且限定在滞环宽度的包络线。THD 为 14.18%。单极性调制时，PWM 整流器输入电压 ur 波形为幅值在 Ud、0、-Ud 之间切换的PWM 波形，其变化符合正弦规律变化。如图 7 所示。图 5 PWM 整流

9、器双极性直流侧电压波形 Fig.5 DC side voltage waveform of Bipolar PWM rectifier图 6 PWM 整流器双极性调制输入电流波形及谐波分析 Fig.6 Input current waveform and harmonic analysis chart of bipolar modulation PWM rectifier图 7 PWM 整流器单极性调制输入电压波形 Fig.7 Input voltage waveform of unipolar modulation PWM rectifier单极性调制时，假设 PWM 整流器直流侧电容足够大

10、，则在 PWM 过程中可认为其直流侧电压为恒值，与双极性调制结果全都。与图 5 波形相像。图 8 为 PWM 整流器输入电流波形及谐波分析，由图 8 可知，输入电流为正弦电流，波形为围绕给定电流 i ref 且限定在滞环宽度得的包络线。THD 为 5.03%。与双极性调制相比，单极性调制 THD 值更小，其缘由在于在一样的占空比条件下，PWM 整流器单极性调制时直流电压脉动峰值小于双极性调制时的直流电压脉动峰值，因此单极性调制时输入电流谐波较双极性调制时有较大改善6。在实际应用中，单极性调制具有比双极性损耗更低，电磁干扰更小的优点。图 8 PWM 整流器单极性调制输入电流波形及谐波分析 Fig

11、.8 Input current waveform and harmonic analysis chart of unipolar modulation PWM rectifier5 结 论PWM7整流器的使用消退了传统相控整流器存在的问题，可广泛应用于有源滤波器，变频器的整流输入级等。为使 PWM 整流器输出直流电压具有最小纹波，输入电流的谐波最小且功率因数最大，分析比较了双极性和单极性两种调制方式，通过 Matlab/Simulink8分别搭建两种不同的 PWM 整流器模型，在一样条件下仿真，通过输入电流谐波分析，得到单极性调制具有比双极性调制更多优点。因此， 单极性调试方式在实际中得到更

12、加广泛的应用。【相关文献】1 张兴，张宗巍.PWM 整流器及其掌握M.北京 机械工业出版社 2023.2 霍姆斯，利波.电力电子变换器 PWM 技术原理与实践M.周克亮，译.北京：人民邮电出版社， 2023.3J.Bauer Single-Phase Pulse Width Modulated RectifierJ.Acta Polytechnica，2023，48： 84-87.4 Kukrer O，Komurcugil H.Control strategy for single-phase PWM rectifiersJ.Electronics Letters，1997，3321：1745

13、-1746.5 林飞，杜欣.电力电子应用技术的 matlab 仿真M.北京 中国电力出版社，2023.6 Bode G H，Holmes D G.Implementation of three level hysteresis current control for a single phase voltage source inverterJ.Power Electronics Specialists Conference ， IEEE， 2023:33-38.7 王臻.运用 PWM 技术对直流电机转速的掌握J.工业仪表与自动扮装置，20236：91- 94.WANG Zhen.The ro

14、tary speed control of DC-motor based on PWMJ.Industrial Instrumentation&Automation，20236：91-94.8 胡波，陈阿林，孙小涛.基于 Matlab/Simulink 的遥感图像处理J.重庆师范大学学报：自然科学版，20234：101-106.HU Bo，CHEN A-lin，SUN Xiao-tao.Remote sensing image processing based on Matlab/SimulinkJ.Journal of Chongqing Normal University:Natural Science，20234：101-106.