PWM整流器原理及应用

目前，电压源型变频器的整流侧通常采用二极管不可控整流或晶闸管相控整流。由于二极管的单向导电性，变频器直流侧的能量不能回馈到电网，虽然在额定负载时功率因数接近1，但存在较大的输入谐波电流，除非采用多重化，否则必须采取谐波滤波器等措施。晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，滞后角度的大小随着触发延迟角的增大而增大，功率因数也随之降低，同时，输入电流中的谐波分量也相当大，因此功率因数很低。在高压变频调速系统的应用中，这些问题更为突出。

图6-22 电容飞跨箝位式七电平变频器

图6-23 二极管/电容混合箝位多电平单相电路

如果整流部分也采用由全控型电力电子器件构成PWM型整流电路，其结构与逆变电路基本对称，如图6-24所示。这样通过适当控制PWM整流电路，可使输入电流接近正弦波，且与输入电压同相位，输入功率因数可调，也可等于1，且能量可双向流动，直流侧电压可以控制，利于提高系统的动态性能。将PWM整电路应用到高压变频调速系统中，能够解决对电网的谐波污染问题，且使其能够应用于大惯性、要求高动态性能或电动机需要四象限运行的场合，提高系统的动态性能。但相对于二极管整流电路而言，这种结构比较复杂，成本较高，而且效率也低于普通二极管整流电路，所以一般只用在轧机、卷扬机等要求四象限运行和较高动态性能等二极管整流结构无法实现的场合。对风机、水泵等普通负载，还是适合采用多重化的二极管整流电路。

PWM型整流电路能量可以回馈电网，则系统可以四象限运行。输入谐波低，可不必使用外加谐波吸收装置。功率因数可调（可以调节到1），节省无功补偿电路，也可调节成超前的功率因数，对电网起到部分无功补偿的作用。

功率因数定义为：cosφ=vcosα

式中，v为基波因数，是基波电流有效值和总电流有效值之比；cosα为位移因数，或基波功率因数，取决于基波电流相对于基波电压的相移。在工业场合，前者主要是由于采用各种变流器后产生的谐波电流失真引起的，后者主要是由于采用大量电感性负载（如异步电动机）引起的。所以功率因数的控制要从上述两方面入手。(www.xing528.com)

图6-24 三电平PWM整流器

由于采用了三电平PWM整流电路，整流器三相输入端和三电平变频器三相输出端具有相似的电压波形，输入侧的电感（也有用高阻抗输入变压器的漏感代替的，比如变压器设计为20%的漏感）能起到很好的滤波作用，对高次谐波电流的抑制作用尤为明显，输入电流谐波失真为3%左右。有些方案，除了电感，还加上电容，组成LC滤波电路，输入谐波电流失真可达1%以下。在降低输入谐波同时，还解决了由于输入电流畸变引起的功率因数下降问题。

图6-25 输入功率因数控制原理

对于功率因数的控制，可通过图6-25所示的功率因数控制电路实现。通过锁相环（PLL）电路，得到电网三相电压合成空间矢量U_s的位置角信号θ，采取类似矢量控制中磁场定向的办法，将输入电流空间矢量按电网电压空间矢量位置（参考坐标）进行定向，在电网电压矢量同步旋转坐标系上，将输入电流矢量I_s分解为与电网电压矢量同向和与之垂直的两个分量，前者代表输入电流的有功分量，后者代表无功分量。在图中，直流母线电压给定信号2E_d∗与直流母线电压反馈信号2E_d，经过直流母线电压调节器AVR，输出电流有功分量的给定值I_p∗（通过调节输入电流的有功分量，即可调节直流母线电压），该给定值与根据实际检测得到的电流经坐标变换得到的电流有功分量反馈值I_p进行比较，经过电流调节器ACR，输出U_p。电流无功分量的给定值I_q∗与根据实际检测电流经过坐标变换得到的电流无功分量反馈值I_q进行比较，经电流调节器ACR，得到U_q。U_p和U_q经过电压矢量计算，得到整流器输入的空间电压矢量U_c，控制整流器功率开关的动作。

当I_q∗=0时，控制输入功率因数为1；当I_q∗为恒定值时，为恒无功功率控制模式；当I_q∗跟随I_p∗正比变换，其比值保持恒定时，可实现恒功率因数控制方式。