pwm整流器的现状与展望

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1、PWM整流器的现状与展望李永东王剑清华大学电机系北京100084摘要本文介绍了几种PWM整流器的直接电流方法和功率控制原理。同时对无交流电压传感器时交流电网电压矢量相角或虚拟磁链矢量相角的估算方法也进行了研究。最后指出当电网电压不平衡时整流器的控制策略以线电流正弦、以负序输入电流为零、以总无功功率输入最小为目标。关键词PWM整流直接电流控制电网电压估算1引言随着工业技术的飞速发展人们对所使用的电能的质量要求越来越高在能源日益危机的今天以高效节能、优质合理使用电能为特点的电力电子装置得到了前所未有的发展

2、。然而电力电子技术在给人们的生活带来方便的同时也引发了新问题即对电网的污染问题。传统的整流电路一般采用不控整流输出并联大电容滤波。这种电路的优点是具有很高的可靠性简单易用不需要控制电路。但即使负载为纯阻负载由于滤波电容的使用整流电路的入端电流为脉冲电流谐波含量十分丰富。另外由于对输出电压没有控制输出电压随负载波动变化较大使得下一级电路的设计必须留出一定的裕量造成对器件使用效率的限制。在一些电路中采用相控整流虽然可以对输出直流电压进行控制但是这种电路的入端电流谐波含量很高而且还造成电流的滞后。不控或相控

3、整流电路的谐波污染和功率因数低下形成了人们常说的电力公害其中尤以谐波污染为甚。大量的谐波会引起电力线路和设备发热增加、损耗加大破坏绝缘影响使用寿命。谐波也会影响电力系统中继电保护装置和自动控制系统的工作给电网带来危害。谐波引起的电磁场还会耦合至通讯线路影响通讯质量。为了保证电网和用电设备的安全经济运行目前许多工业发达国家、国际电工组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准对用电设备的入端性能作出严格的限制如IEC555-2、IEEE519等。这些标准对电器的入端功率因数和入端电流各次谐波的含量都作出

4、了具体的限定。随着这些规范逐渐被各国采用功率因数和谐波含量成为电力电子系统设计人员必须考虑的问题。我国则于1993年完成了国家标准《电能质量及公用电网谐波》的制定并由国家技术监督局发布于1994年3月1日起正式执行。在这种背景下人们开始对造成谐波污染的整流装置进行大量的研究许多新的整流技术不断被提出来以实现低谐波、高功率因数微处理器技术和电力半导体技术的飞速发展也为进一步实现电力电子系统的高可靠性、高性能提供了坚实的物质基础。为了改善整流器网侧电流谐波畸变率提高网侧入端功率因数可以在普通交直交电压型逆

5、变器的三相输入端或直流母线上串接电抗器由于受电抗器体积和成本的限制电感量一般较小对功率因数的改善也有限或者运用多重化技术使用多绕组移相变压器将电压进行移相后进行多相整流可以在变压器原边获得较低的谐波电流适用于大容量应用场合也可以采用功率因数校正装置控制功率因数还可以在谐波负载的网侧加装功率因数和谐波补偿装置甚至采用有源滤波装置这样会大大增加系统成本。改善网侧功率因数最根本的办法是改造整流装置本身。对于中小容量电力电子装置采用PWM控制的整流器使其对电网不产生谐波且基本上不消耗无功功率这是技术发展的必然

6、趋势和提高产品竞争力的要求。由于电力半导体开关器件制造技术已逐渐成熟其成本呈逐年下降的趋势过去阻碍PWM整流器走向大规模应用的门槛已经逐步消除。越来越多的工业应用场合需要使用PWM整流器。在这种形势下一些国际知名的大公司又相继推出了自己的PWM整流产品如西门子公司的有源前端ActiveFrontEnd系列产品使更加实用、性能更为优异的大容量交流传动的应用成为可能。国内在功率换流领域方面的研究起步较晚与先进的工业国家相比尚有较大的差距。因此进行高性能的PWM整流器的研究开发工作并尽快产品化具有重大意义。

7、2PWM整流器的基本拓扑整流器按照电源的相数可以分为单相整流器、三相整流器和多相整流器按照电能是否能双向流动可以分为可逆整流器和不可逆整流器。文献1列举了数十种ACDC变换器的拓扑这里重点关注几种典型的三相可逆PWM整流器拓扑。2.1Boost型PWM整流器典型拓扑如图1所示。由于直流储能环节为电容具有电压源性质常被称为电压型PWM整流器。这是目前研究得最多、应用最广泛的拓扑具有直流母线电压可控、交流电流几乎正弦、单位功率因数等特点而且主电路与最常用的电压型逆变器结构相同可以与电压型逆变器组成背靠背结

8、构的变频器是交直交变频器理想的整流器。它的母线电压高于电网电压峰值以保证对交流电流的控制能力可以实现能量的双向流动。图1Boost型PWM整流器2.2Buck型PWM整流器典型拓扑如图2所示。这种拓扑与Boost型典型拓扑相比除了直流储能变成电感之外在交流侧还增加了一组滤波电容可以起到抑制整流桥交流侧谐波电压的作用。在IGBT构成的桥臂上需要串联与IGBT同方向的二极管以提供阻断反向电流的能力。它的直流电压方向可逆在低于电网电压的范围内大小可控可以作为稳