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三相电压型PWM整流器

一、 三相PWM整流器的拓扑结构及其工作原理

1、 拓扑结构

图.1

上图为三相半桥电压型PWM整流器拓扑结构，其交流侧采用三相对称的无中线连

接方式，并采用6只功率开关，这是一种最常用的三相PWM整流器，通常所谓的三相桥式电路即指三相半桥电路。三相半桥VSR较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡时，其控制性能将恶化，甚至使其发生故障。为克服这一不足可采用三相全桥VSR设

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计，其拓扑结构如下图所示。其特点是:公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥VSR，并通过变压器联接至三相四线制电网。因此，三相全桥VSR实际上是由三个独立的单相全桥VSR组合而成的，当电网不平衡时，不会严重影响PWM整流器控制性能，由于三相全桥电路所需的功率管是三相半桥电路的一倍，因而三相全桥电路一般较少采用。

三相全桥PWM整流电路 V1V2V3V4V5V6VD1VD3VD5CVD1VD3VD5CVdcV7V8V9负载V10V11V12VD4VD6VD2VD4VD6VD2ABC0图.2

2、 工作原理

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2.1 PWM整流器的模型电路如下：

PWM 整流器电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势 e 以及网侧电感 L等；功率开关管桥路为电压型桥路组成。

当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得： 通过对交流侧进行控制就可以控制直流侧，PWM整流器的运行状态以及控制原理如下：

稳态时PWM整流器交流侧的矢量关系如下，

其中：E为交流电网电动势矢量，V为交流侧电压矢量，VL为交流侧电感电压矢量，I为交流侧电流。

(1) 电压矢量 V 端点在圆轨迹 AB 上运动时， PWM 整流器运行于整流状态。此时，PWM 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过 PWM 整流器由电网传输至直流负载。值得注意得是，当PWM 整流器运行在 B 点时，则实现单位功率因数整流控制。而在 A点运行时，PWM 整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。

(2) 电压矢量 V 端点在圆轨迹 BC 上运动时， PWM 整流器运行于整流状态。此时，PWM 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过 PWM 整流器由电网传输至直流负载。当 PWM 整流器运行在 C 点时，此时 PWM 整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。

(3) 电压矢量 V 端点在圆轨迹 CD 上运动时， PWM 整流器运行于有源逆变状态。此时，PWM 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从 PWM 整流器直流侧传输至电网。当 PWM 整流器运行至 D 点时，便可实现单位功率因数有源逆变。

(4) 电压矢量 V 端点在圆轨迹 DA 上运动时， PWM 整流器运行于有源逆变状态。此时，PWM 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从 PWM 整流器直流侧传输至电网。要实现 PWM 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可以通过控制 PWM 整流器交流侧电压，间接控制网侧电流；另一方面，也可通过网侧电流的闭环控制，直接控制 PWM 整流器的网侧电流。

单位功率因数的整流和逆变仅仅通过控制交流侧电流的幅值大小和方向就可以实现，这也是较常用的一种直接电流控制方法，而通过控制V的幅值及其与电网电压E的相位差来控制I则是另一种间接电流控制方法。

2.2开关模式

图.1为常见的三相电压型PWM整流器的拓扑结构，由于每相桥臂共有两种开关模

式，即上桥臂导通或下桥臂导通，因此三相电压型PWM整流器共有2^3=8种开关模式，并可利用单极性二值逻辑开关函数sj(j?a,b,c)描述，即：

二、 PWM整流器常用控制方法

对PWM整流电路控制方法的研究集中在输出直流电压控制、输入交流电流控制和PWM整流器开关逻辑控制3个方面。

1、 直流电压控制

直流电压控制目的在于使PWM整流电路的输出直流电压随给定指令变化，达到稳定直流输出电压或调节输出电压的目的，运用反馈控制的原理，将直流电压的采样反馈值和给定参考电压比较，其差值作为电压调节器的输入，输出作为交流电流的幅值给定。

2、 输入交流电流控制

根据电流控制器的具体结构和控制对象不同，PWM整流器的控制技术可以分为基于电压矢量和基于虚拟磁链矢量两类定向控制。所谓电压矢量定向控制,就是根据电网电压旋转

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矢量的角度作为控制器的参考角度，以确定整个参考坐标系中各矢量的位置，从而对交流电流的相位进行控制\这种控制方案需要获取电网电压的准确相位，获取的方法可以是通过直接检测电网电压来实现，也可以根据无电网电压传感器的估算策略对电网电压进行估算得到，而虚拟磁链矢量定向是一种源于交流电机控制思想的控制方案，它省去了对电网电压的检测电路，只需通过虚拟磁链估算算法得到该矢量的相位就能够得到参考坐标系中各矢量的位置，从而控制交流电流的相位。

其中VOC控制还可以分为间接电流控制和直接电流控制两种。

直接电流控制：

直接电流控制的主要特点在于引入电流控制环对电流进行闭环控制，使系统动态性能明显改善，直接电流控制一般采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式，动态响应快，，控制精度高，是目前应用最广泛、最实用化的控制方式。 间接电流控制：

间接电流控制的数学公式为：

间接电流控制也称为幅值和相位控制，这种方法依据系统低频稳态数学模型，反映稳定状态下的电压平衡关系，整流运行和逆变运行分别按照矢量关系来调节变流器桥臂中点PWM斩控电压的幅值和相位，以达到控制输入电流的目的，这种控制具有开关机理清晰!不需要电流传感器、控制成本低!静态特性好等主要优点，但它也存在几方面的缺陷，一是对变流器桥臂中点电压向量的幅值和相位由电压闭环和基于稳态的数学运算加以控制，这两个环节的响应速度差别较大，难以保证系统具有良好的动态特性;二是从稳态向量关系出发进行的电流控制，其前提条件是电网电压不发生畸变，而实际由于电网内阻的存在、负载的变化及各种非线性负载等扰动引起的瞬态电网波形的畸变，会直接影响控制系统的效果;三是由于交流电流不作为直接的反馈控制量，系统缺乏自身的限流功能，需要专设过流保护电路。

3、 开关逻辑控制

按照被控变流器或系统的预期性能，经过镇密的思考和逻辑运算所得到的控制信号，最终都得转化为变流器开关管的PWM驱动信号，解决这一问题的核心技术可以统称为开关逻辑控制，形成PWM开关逻辑的方法很多，而且正在发展中，目前主要有电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)、载波调制控制、指定谐波消除控制和瞬时电流跟踪控制等等。

三、 控制结构设计

记：三相电网电动势为： 输入三相基波电流为：

其中Em为三相电网输入电压幅值，Im为基波电流幅值，?为电网角频率，?为功率因数角。 三相静止坐标系下的PWM整流器的数学模型为： 三相静止坐标系到两相同步旋转d-q坐标系的变换矩阵为：

则在d-q坐标系下，其中轴q与d轴垂直，并超前d轴90°，PWM整流器的数学模型为：

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