三相高功率因數(shù)PWM整流器的研究與設(shè)計(jì)初探

程倩

摘? ?要：隨著當(dāng)今現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，許多場合需要把交流變?yōu)橹绷鳎ˋC/DC），把直流變?yōu)榻涣鳎―C/AC），所以電力電子技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用。目前，把交流變?yōu)橹绷饔烧髌鲗?shí)現(xiàn)，直流變交流由逆變器實(shí)現(xiàn)。在交流和直流的轉(zhuǎn)化過程中，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方式造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”，由此引起的電力系統(tǒng)諧波有很大的危害，近些年來，國內(nèi)外也相應(yīng)地制定了嚴(yán)格的諧波標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施更加規(guī)范化的諧波管理政策。這些政策方面的新規(guī)的出臺(tái)導(dǎo)致了對(duì)電力電子設(shè)備越來越高的要求，也要求從事電子行業(yè)的人員急需尋求更加高效的新技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的技術(shù)模式。本文將對(duì)三相高功率因數(shù)PWM整流器的研究與設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探索，希望有所收獲。

關(guān)鍵詞：三相高功率? PWM整流器? 研究? 設(shè)計(jì)

因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)中諧波有著很大的危害性，所以行業(yè)內(nèi)部都在通過你技術(shù)改尋求降低諧波的方法，相關(guān)國家也制定了嚴(yán)格的諧波管理的新規(guī)。所以諧波的危害性也越來越被人們所重視，對(duì)電力電子設(shè)備的性能的要求也越來越高，那些傳統(tǒng)的電力電子設(shè)備逐漸被淘汰。這些變化趨勢推動(dòng)了電子行業(yè)在變流控制方面的技術(shù)的不斷發(fā)展，并引起相關(guān)技術(shù)的不斷成熟。在此過程中，許多新型的電子電流控制技術(shù)不斷提升，同時(shí)許多降波的控制思路也不斷的誕生。在這樣的環(huán)境中，高功率整流器迎來了前所未有的發(fā)展春天。就目前的現(xiàn)狀來看，治理諧波的重要途徑就是降低電流，也就是要研制新型的高功率因素整流器來降低諧波的頻率，從源頭上抑制諧波的危害。

就目前的技術(shù)來看，降低諧波的方法主要有兩種：一種是被動(dòng)式的無源補(bǔ)償方式，即通過補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫档椭C波，這種技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，并在日常生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但是其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，所以制約了它的發(fā)展空間。

另一種是開發(fā)新型的整流器，通過直流和交流的互換達(dá)到降低諧波的目的，從源頭上降低甚至是徹底消除系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波。因此，目前研究的思路就是研制新型整流器，從根本上解決諧波對(duì)公共電網(wǎng)的污染、消除諧波源頭，這是當(dāng)今國內(nèi)各行業(yè)研究的重要課題。目前我們研究的就是將 PWM 技術(shù)應(yīng)用于整流器，實(shí)現(xiàn)整流的人為可控性，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流正弦化，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流和電壓同頻同相，達(dá)到單位功率因數(shù)運(yùn)行，從而達(dá)到降頻的目的。這種研究模式思路如果可以應(yīng)用到實(shí)踐中，將可以在很大程度上降低電流諧波，實(shí)現(xiàn)降低諧波的目的。從這點(diǎn)而言，我們開展三相單位功率因數(shù) PWM 整流器的設(shè)計(jì)與開發(fā)研制意義尤為重大。

20世紀(jì)80年代，世界上已經(jīng)有部分科研人員展開了對(duì) PWM整流器的研究，早期的PWM整流器控制方法以電流的幅相控制為主。一直到現(xiàn)在，PWM整流器都是學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)，經(jīng)過了將近40年的發(fā)展與研究歷程，這一項(xiàng)技術(shù)逐漸成熟并日益完善。但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的新型全控電力電子器件逐漸被發(fā)明出來并應(yīng)用于社會(huì)實(shí)踐中，更多的先進(jìn)的控制算法也開始應(yīng)用到電力電子裝置的設(shè)計(jì)中，這也讓 PWM 整流器的性能一天天提升，同時(shí)也有更多的設(shè)備生產(chǎn)出來在工業(yè)中使用。

目前，我們對(duì)三相PWM整流器的研究主要從以下幾個(gè)角度進(jìn)行。

（1）三相PWM整流器的建模與分析。

這是我們的研究的第一步，也是關(guān)鍵性的一步。如何結(jié)合實(shí)踐正確的建立 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型是最關(guān)鍵的第一步。雖然目前有一些研究人員提出一部分關(guān)于 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型。但是這些理論都還不夠成熟，在實(shí)踐中的應(yīng)用也不夠廣泛，需要進(jìn)一步的完善。所以我們的研究課題還是非常有必要性的。

（2）三相 PWM 整流器的主電路拓?fù)洹?/p>

PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為電流型PWM整流器和電壓型 PWM整流器兩大類。與傳統(tǒng)的電流型PWM整流器相比，新型的電壓型PWM整流器結(jié)構(gòu)更簡單、控制更方便、便于操作，所以一直以來是學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。我們?cè)谘芯窟^程中，主要是通過相關(guān)的boost等技術(shù)的研究，充分發(fā)揮新型的電壓型PWM整流器的優(yōu)勢。通過電路分析與開發(fā)，充分將其性能在新的電力設(shè)備中使用，將直流電與交流電轉(zhuǎn)換過程中的諧波盡可能的降低到最小值，并最終消除諧波，大大提升電力設(shè)備的工作功率。

（3）三相高功率因數(shù) PWM 整流器的電流控制策略初探。

在近些年來隨著PWM 整流器技術(shù)的發(fā)展，電壓型PWM 整流器的電流控制策略主要可以歸納為以下兩類：直接電流控制策略和間接電流控制策略，目前直接電流控制策略處于主導(dǎo)地位。而我們的研究就是從直流電流的控制入手，通過PWM模型的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)降頻的同時(shí)，減少直流和交流轉(zhuǎn)換過程中的能耗，實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)電力輸送過程中的能量損耗。

目前我們研究的三相高功率因數(shù) PWM整流器采用旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，在dq坐標(biāo)系下，采用基于電網(wǎng)電壓前饋以及電流交叉解耦的直接電流控制法實(shí)現(xiàn)電流控制。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

①從整體出發(fā)，分析了四象限的變流原理，說明了變流系統(tǒng)運(yùn)行在整流、逆變的工作條件，建立了三相 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型。這一模型的建立奠定了我們研究的基礎(chǔ)。

②設(shè)計(jì)了三相PWM 整流器的硬件系統(tǒng)，搭建了三相 PWM 整流器模擬實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)，在電路設(shè)計(jì)中，通過實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來不斷完善理論。

③采用目前行業(yè)內(nèi)部最先進(jìn)的CCS 開發(fā)平臺(tái)，使用 C++ 編寫和控制系統(tǒng)有關(guān)的程序軟件，并制定每個(gè)程序的流程圖和模擬測試實(shí)驗(yàn)步驟。

④進(jìn)行 MATLAB 仿真，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的正確性。然后基于試驗(yàn)和仿真的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行測試，根據(jù)測試的結(jié)果完善實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的性能。

其核心技術(shù)路線如圖1所示。

總之，我們的研究的目的就是通過三相高功率因數(shù)PWM整流器來實(shí)現(xiàn)降低諧波甚至消除諧波的危害，并將這一技術(shù)應(yīng)用于電力子設(shè)備的開發(fā)與生產(chǎn)領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

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