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1、PWM整流电路的原理分析摘要: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。1 概述传统的整流电路中，晶闸管相控整流电路的输人电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。同时输人中谐波
2、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，但输人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，使其输人电流非常接近正弦波，且和输人电压同相位，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
3、图进行分析，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I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。图 1 电压型单相桥式PWM整流电路除必须具有输人电感外，PWM整流器的电路结构和PWM逆变电路是相同的。按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图1中的V1V4, 从进行SPWM控制，就可以
4、在桥的交流输人端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共同作用于输人电感L上，产生正弦输人电流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人电流is,2 单相电压型桥式PWM整流电路电压方程L在电路中承担了平衡电压的作用，其两端电压uL=Ldi,/dt，可得UL=jLIS=uS-ueb3 单相电压型桥式PWM整流电路其矢量关系图 (a) 整流运行 (b) 逆变运
5、行图 2 P WM整流电路运行方式向量图图中= arctanLIS/US，US和IS分别是电网电压和电流的有效值。图2(a)中iS与uS同相，电路为整流运行，功率因数为I;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。4 单相电压型桥式PWM整流电路运行模式不考虑换相过程，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。 输人电压uS位于正半周时，各工作模式运行方式1
6、：1,4号桥臂导通，LdiS/dt=USUab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。运行方式2： 2、3号桥臂导通，LdiS/dt=USUab 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。运行方式3： 1、3号桥臂导通，LdiS/dt=US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。 运行方式运行方式4
7、： 2、4号桥臂导通，LdiS/dt=US 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。 输人电压uS位于负半周时，各工作模式运行方式1：1,4号桥臂导通，LdiS/dt=USUab电流为正时，VD1 和VD4导通，交流电源和直流侧都吸收能量,L释放能量；交流电源和直流侧都输出能量,L储能。运行方式2： 2、3号桥臂导通，LdiS/dt=USUab电流为正时，V2和V3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；电流为负时，VD2 和VD3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。运行方式3
8、： 1、3号桥臂导通，LdiS/dt=US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释放能量L储能；电流为负时，V1和VD3导通，L储能。 运行方式4： 2、4号桥臂导通，LdiS/dt=US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释放能量；电流为负时，VD2和V4导通，L储能。 5 电压型单相桥式PWM整流电路整流运行工作波形 图 4 电压型单相桥式PWM整流电路整流运行工作波形4波工运路流 单型 波工流电整式相。储， 时流量释通 和，流，短换能无与 / ，桥、：式能能， 和时电； 通和 时电短被换无交与 导号 方态流处电收吸，出电交
9、 负电状量处，放，能吸交 和，正 =/ 通桥 ：方能 量输直源交放,收侧流流通 时 = ，臂, 式模工时负 电。能释导和 负电储，导 时为电源换交流 = ，号 方方量能，导 ，为；储通和 正电接电换量交 ，号 式量放 能都和流交 负流储,输流源流， ，桥 ：方态馈能，能流量吸电通 负流态整处量吸直能电，通和 正 = ，桥 ：式模工时半位电 态态两式工向的电交根作工路 导允也、同通时臂桥，短为导臂有个路电 桥压刻任程过模运流 桥压动的个正现实流 明说行路相 图为因行运电同 值有电电是 和 / 量量方流 运运 行 系关路流 型压 -= 可，/ 电，作电担路方压路 桥电 输相和得可，和 的交制。差的
10、与及波 仅位幅时 当 输生， 于同 弦网 。次有，的率波波角，波基成且同弦有含 一产输的在就 进 中对方比号号按。是变 结的整 感输电电 相压 阻电略以分为作存率无支电，的重中电 在抗附侧。管二联和器个桥。所如其间流源变间统传机交早流 相电整 型相力觉遍时部了的熟流 。作有析进量方路流 针只较绍原路流 在容这法控路整 增术控 章器变率位也整 因为数率，同输，弦近流其制进电整对通整 形就流用制 的变把的存电决度不能电的件型全制 是流整低也数大分谐人但于接位虽控管而数功此当量中输同降数移而的触角其，后电的整控闸电整概数率高获流可相同交，近接电且流双流和在量使目规流侧流间作和工择制控流 过式工种作的整 型相析详基教技电文流成组控方 用是流 点克是数率电流是电控是分分路 分控流数 是方流电基析 种工流工作侧目量流接，同高数闸的后触的降输功而控但谐也流制全能度的的制形整对制弦同率 整变章术 法在路较 流析作流的遍力 流机变其。器二侧在电，无作以电压电 结 号方 在产 含同基角率，。 于输 位波的制的，可 桥压担， ，- 路 运 量量 和有 同为 行实正压 运任 个导短臂同允路工交向态 电时： =正 通吸整态通量能馈 ， ，输流 交能量 ， 交电正；为导量号 流交时 负 释电模 = 通流放直量：桥= ，吸，处 交出吸态 与被电和 时能式 /无， 时 相电波 型流工 4