摘要:目前，各類(lèi)電力電子變換器的輸入整流電路輸入功率級(jí)一般采用不可控整流或相控整流電路。這類(lèi)整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制技術(shù)成熟，但交流側(cè)輸入功率因數(shù)低，并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流。據(jù)估計(jì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家有60%的電能經(jīng)過(guò)變換后才使用，而這個(gè)數(shù)字在本世紀(jì)初達(dá)到95%。目前，諧波污染在我國(guó)也已經(jīng)成為一個(gè)比較嚴(yán)重的公害，亟待解決。PWM整流具有功率因數(shù)接近1、流入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波、對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小等優(yōu)點(diǎn)。 本文對(duì)直接電流控制的PWM整流電路開(kāi)展研究，主要內(nèi)容如下： (1) 設(shè)計(jì)BOOST型三相橋式PWM整流器的主電路。 (2) 設(shè)計(jì)基于直接電流控制PWM整流電路的控制系統(tǒng)。 (3) 建立直接電流控制系統(tǒng)Simulink仿真模型，進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果證明直接電流控制方案使得PWM整流器功率因數(shù)接近于1，流入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小等優(yōu)點(diǎn)。 前言 　在電力系統(tǒng)中，電壓和電流應(yīng)是完好的正弦波。但是在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，由于非線(xiàn)性負(fù)載的影響，實(shí)際的電網(wǎng)電壓和電流波形總是存在不同程度的畸變，給電力輸配電系統(tǒng)及附近的其它電氣設(shè)備帶來(lái)許多問(wèn)題，因而就有必要采取措施限制其對(duì)電網(wǎng)和其它設(shè)備的影響。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，大量的非線(xiàn)性負(fù)載被引入電網(wǎng)，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的諧波污染。電網(wǎng)諧波污染的根本原因在于電力電子裝置的開(kāi)關(guān)工作方式，引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴(yán)重畸變。目前，隨著功率半導(dǎo)體器件研制與生產(chǎn)水平的不斷提高，各種新型電力電子變流裝置不斷涌現(xiàn)，特別是用于交流電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)的變頻器性能的逐步完善，為工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能和改善生產(chǎn)工藝提供了十分廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)資料表明，電力電子裝置生產(chǎn)量在未來(lái)的十年中將以每年不低于10%的速度遞增，同時(shí)，由這類(lèi)裝置所產(chǎn)生的高次諧波約占總諧波源的70%以上。 　　在我國(guó)，當(dāng)前主要的諧波源主要是一些整流設(shè)備，如化工、冶金行業(yè)的整流設(shè)備和各種調(diào)速、調(diào)壓設(shè)備以及電力機(jī)車(chē)。傳統(tǒng)的整流方式通常采用二極管整流或相控整流方式，采用二極管整流方式的整流器存在從電網(wǎng)吸取畸變電流，造成電網(wǎng)的諧波污染，而且直流側(cè)能量無(wú)法回饋電網(wǎng)等缺點(diǎn)。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流側(cè)功率因數(shù)很低，因換流引起電網(wǎng)電壓波形畸變等缺點(diǎn)。這些整流器從電網(wǎng)汲取電流的非線(xiàn)性特征，給周?chē)秒娫O(shè)備和公用電網(wǎng)都會(huì)帶來(lái)不利影響。 　　為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，其中的一種方法就是對(duì)整流器本身進(jìn)行改進(jìn)，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器稱(chēng)為高功率因數(shù)變流器或高功率因數(shù)整流器。高功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術(shù)，一般需要使用自關(guān)斷器件。對(duì)電流型整流器，可直接對(duì)各個(gè)電力半導(dǎo)體器件的通斷進(jìn)行 PWM調(diào)制，使輸入電流成為接近正弦且與電源電壓同相的PWM波形，從而得到接近1的功率因數(shù)。對(duì)電壓型整流器，需要將整流器通過(guò)電抗器與電源相連。只要對(duì)整流器各開(kāi)關(guān)器件施以適當(dāng)?shù)腜WM控制，就可以對(duì)整流器網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位進(jìn)行控制，不僅可實(shí)現(xiàn)交流電流接近正弦波，而且可使交流電流的相位與電源電壓同相，即系統(tǒng)的功率因數(shù)總是接近于1。本文主要對(duì)與PWM整流器相關(guān)的功率開(kāi)關(guān)器件、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式等進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，在此基礎(chǔ)上對(duì)PWM 整流技術(shù)的發(fā)展方向加以探討。 第一章PWM整流電路概述 1.1功率開(kāi)關(guān)器件 PWM整流器的基礎(chǔ)是電力電子器件，其與普通整流器和相控整流器的不同之處是其中用到了全控型器件，器件性能的好壞決定了PWM整流器的性能。優(yōu)質(zhì)的電力電子器件必須具有如下特點(diǎn)：(1)能夠控制通斷，確保在必要時(shí)可靠導(dǎo)通或截止；（2）能夠承受一定的電壓和電流，阻斷狀態(tài)時(shí)能承受一定電壓，導(dǎo)通時(shí)勻許通過(guò)一定的電流；（3）具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)具有足夠短的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，并能承受高的di/dt和dv/dt。目前在PWM整流器中得到廣泛應(yīng)用的電力電子器件主要有如下幾種： 1.1.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO) GTO是最早的大功率自關(guān)斷器件，是目前承受電壓最高和流過(guò)電流最大的全控型器件。它能由門(mén)極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有通過(guò)電流大、管壓降低、導(dǎo)通損耗小， dv/dt耐量高等優(yōu)點(diǎn)，目前已達(dá)6KV/6KA的應(yīng)用水平，在大功率的場(chǎng)合應(yīng)用較多。但是GTO的缺點(diǎn)也很明顯，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜并且驅(qū)動(dòng)功率大，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，限制了器件的開(kāi)關(guān)頻率；關(guān)斷過(guò)程中的集膚效應(yīng)容易導(dǎo)致局部過(guò)熱，嚴(yán)重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復(fù)雜的緩沖電路，這些都限制了 GTO在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)在GTO主要應(yīng)用在中、大功率場(chǎng)合。 1.1.2電力晶體管（GTR） 電力場(chǎng)效應(yīng)管又稱(chēng)為巨型晶體管，是一種耐高壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管，該器件與GTO一樣都是電流控制型器件，因而所需驅(qū)動(dòng)功率較大，但其開(kāi)關(guān)頻率要高于GTO，因而自20世紀(jì)80年代以來(lái)，主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源等場(chǎng)合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和電力場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOSFET）所取代。 1.1.3電力場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOSFET） 電力場(chǎng)效應(yīng)管是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。其第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。另外Power MOSFET的熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR。但是Power MOSFET電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的場(chǎng)合。 1.1.4絕緣柵雙極晶體管(IGBT) IGBT是后起之秀，將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR耐壓高、流過(guò)電流大的優(yōu)點(diǎn)，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。目前的應(yīng)用水平已經(jīng)達(dá)到3.3KV/1.2KA。柵極為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是高壓IGBT內(nèi)阻大，通態(tài)壓降大，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大；在應(yīng)用于高（中）壓領(lǐng)域時(shí)，通常需要多個(gè)串聯(lián)。 1.1.5集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)和對(duì)稱(chēng)門(mén)極換流晶閘管(SGCT) IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型復(fù)合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的兆瓦級(jí)、高（中）壓開(kāi)關(guān)器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)壓降更小，承受電壓更高，通過(guò)電流更大；與GTO相比，通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步降低，同時(shí)使觸發(fā)電流和通態(tài)時(shí)所需的門(mén)極電流大大減小角，有效地提高了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)速度。IGCT采用的低電感封裝技術(shù)使得其在感性負(fù)載下的開(kāi)通特性得到顯著改善。與GTO相比， IGCT的體積更小，便于和反向續(xù)流二極管集成在一起，這樣就大大簡(jiǎn)化了電壓型PWM整流器的結(jié)構(gòu)，提高了裝置的可靠性。其改進(jìn)形式之一稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)門(mén)極換流晶閘管(SGCT)，兩者的特性相似，不同之處是SGCT可雙向控制電壓，主要應(yīng)用于電流型PWM中。目前，兩者的應(yīng)用水平已經(jīng)達(dá)到6KV/6KA。 1.2PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) PWM整流器根據(jù)主電路中開(kāi)關(guān)器件的多少可以分為單開(kāi)關(guān)型和多開(kāi)關(guān)型；根據(jù)輸入電源相數(shù)可以分為單相PWM整流電路和三相整流電路；根據(jù)輸出要求可以分為電壓源和電流源型。下面介紹幾種常見(jiàn)的三相PWM整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)要分析它們的工作特性。 1.2.1三相單開(kāi)關(guān)PWM整流電路 三相單開(kāi)關(guān)PWM整流器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)主要有如下幾種： 1. 單開(kāi)關(guān)Boost型（升壓型）：其輸出電壓恒定，工作于電流斷續(xù)模式（DCM），這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在PWM整流電路中應(yīng)用廣泛。 2. 單開(kāi)關(guān)Buck型（降壓型）：與升壓型成對(duì)偶關(guān)系，其輸出電流恒定，輸出電壓較低，仍然工作于斷續(xù)電流模式（DCM）。 1.2.2三相多開(kāi)關(guān)PWM整流電路 三相多開(kāi)關(guān)PWM整流器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)主要有如下幾種： 1. 六開(kāi)關(guān)Boost型：也可稱(chēng)為兩電平電壓型整流器或三相橋式可逆PWM整流器。每個(gè)橋臂上的可關(guān)斷開(kāi)關(guān)管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，每只開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通作用，一般都是使交流側(cè)濾波電感L蓄積磁能，而在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，迫使電感產(chǎn)生較高的電壓Ldi/dt，通過(guò)另一橋臂的續(xù)流二極管向直流側(cè)釋放磁能。因此，從廣義上講，這種橋式PWM可逆整流器拓?fù)?，仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。六開(kāi)關(guān)Boost型PWM整流器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且宜于實(shí)現(xiàn)有源逆變，因而是目前應(yīng)用和研究最為活躍的一種類(lèi)型，也是多開(kāi)關(guān)PWM整流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種。 2. 六開(kāi)關(guān)Buck型：也可稱(chēng)為兩電平電流型整流器，直流側(cè)電抗器一般要求很大。由于電流型變換器的特點(diǎn)，交流側(cè)輸入LC濾波器通常是必不可少的，以改善電流波形和功率因數(shù)。這種電路拓樸較適合于空間矢量調(diào)制，且有降壓作用。其缺點(diǎn)是由于直流側(cè)大電感內(nèi)阻較大，消耗功率較大導(dǎo)致其效率略低于六開(kāi)關(guān)Boost型。 3. 三電平PWM整流電路 在大功率PWM變流裝置中，常采用拓樸結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)式電路，這種電路也稱(chēng)為中點(diǎn)鉗位型(Neutral Point Clamped) 電路。與兩點(diǎn)式PWM相比，三點(diǎn)式PWM調(diào)制波的主要優(yōu)點(diǎn)，一是對(duì)于同樣的基波與諧波要求而言，開(kāi)關(guān)頻率低得多，從而可以大幅度降低開(kāi)關(guān)損耗；二是每個(gè)主開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，因此這種電路特別適合于高電壓大容量的應(yīng)用場(chǎng)合。不過(guò)三點(diǎn)式PWM可逆整流器的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，一方面其主電路拓?fù)涫褂霉β书_(kāi)關(guān)器件較多，另一方面，控制也比兩點(diǎn)式復(fù)雜，尤其是需要解決中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題。 從上面的分析可以知道，單開(kāi)關(guān)主電路拓樸結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點(diǎn)在于，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且電源工作工作可靠性高；缺點(diǎn)在于其應(yīng)用場(chǎng)合受到開(kāi)關(guān)器件的影響，開(kāi)關(guān)器件的耐壓水平高低和開(kāi)關(guān)頻率的高低限制了這種電路的應(yīng)用，其主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源。 與單開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的PWM整流器相比，多開(kāi)關(guān)PWM整流電路的共同優(yōu)點(diǎn)在于功率因數(shù)高，諧波失真小，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，調(diào)節(jié)速度快，應(yīng)用范圍寬，主要應(yīng)用于中大功率場(chǎng)合。缺點(diǎn)也很突出，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，而且需要檢測(cè)和控制的點(diǎn)較多，提高了控制成本；器件的增多也降低了系統(tǒng)的可靠性。但由于其性能指標(biāo)要高于單開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的PWM整流器，且可實(shí)現(xiàn)能量<