PWM控制技术在整流器中的应用及其优势分析

电力电子整流器的发展经历了由不控整流器（二极管整流）、相控整流器（晶闸管半控型开关器件）到PWM整流器（全控型开关器件）的发展历程。将PWM控制技术用于整流器中，即构成PWM整流器。

PWM整流器与相控整流器的主电路拓扑结构形式是一样的，所不同的是：①PWM整流主电路采用全控型器件（MOSFET、IGBT、IEGT、IGCT等）；相控整流器主电路采用半控型器件（SCR）。②控制方式上不同，PWM整流器是采用脉宽调制控制方式，其整流电路属于高频电路；相控整流器是采用相位控制方式，其整流电路属于低频电路。也因为PWM整流器主电路拓扑结构与逆变器主电路相似，因此，可将PWM逆变技术移植到PWM整流器中，也可以这样认为，逆变器的PWM控制技术延伸到整流器中。

1.相控整流器存在的问题

相控整流器应用时间较长，技术也比较成熟，且被广泛应用，但存在以下问题：

（1）网侧功率因数低

由相控整流器的分析可知，在输出电流连续并忽略换相过程时有

cosφ₁=cosα （3-148）

式中，φ₁是基波电流有效值与电压的相位差；α是滞后控制角；cosφ₁称为位移因数或基波功率因数。

上式表明，深控下的直流输出电压很低（α很大），相应的网侧功率因数也很低，也即在输出有功功率的同时，整流器向电网吸取的基波无功功率Q₁却随之增大，Q₁可表示为

Q₁=UI₁sinφ₁=UI₁sinα （3-149）

不控整流器也存在网侧功率因数低的现象，例如为提高电路功率密度，实现产品小型化，目前小容量开关电源普遍采用不控整流加感容滤波方案，如图3-73a所示，其网侧电流i_s如图3-73b所示，由图可见，i_s已严重失真，经测算其电流正弦因数μ=0.6～0.7；因此尽管位移因数cosφ₁较高，网侧功率因数却低到λ=0.5～0.6，由于上述开关电源是量大面广的产品，对电网的危害并不亚于相控整流器。

图3-73 具有感容滤波的单相不控整流器

a）电路结构 b）电量波形

（2）谐波电流对电网的危害

图3-73b所示的输入电流i_s，由于严重畸变，包含了大量谐波。其实在相控整流中也存在类似的情况，由脉波数为a_m的相控整流器分析可知，在电流连续平滑并忽略换相过程影响时，网侧电流的n次谐波幅值I_nm可表示为

式中 n=a_mk±1（k=1，2，3，…）

I_1m为基波幅值，设a_m=6的三相整流器在上述条件下，其网侧A相电流i_sa可表示为

由此表明，网侧电流包含各次谐波，它们不仅使网侧功率因数下降（导致发电、配电及变电设备的利用率降低，功耗加大和效率下降），还使线路阻抗产生谐波压降，使原为正弦的电压也产生畸变，谐波电流还使线路和配电变压器过热，谐波还会使电网高压电容过电流以致损坏。

必须指出，谐波不仅危害电网，还对电网各种负载造成不良影响，例如电动机、变压器和继电器等，此外，谐波对通信系统的干扰降低了通信质量。(www.xing528.com)

（3）难于实现快速调节

传统的SCR相控整流器具有较大惯性，因而难于对外扰作出快速反应，其惯性来自两个方面：一是整流器自身，因SCR在导通后就失控，对于三相桥式电路，相邻两转换点时间为3.3ms，故时滞在0～3.3ms间随机分布；二是为了抑制出端谐波，附加输出滤波器，由于滤波元器件参数较大，不仅增加电磁惯性，而且降低功率密度。

2.PWM整流器的优越性及其重要应用意义

针对上述不足，可采用PWM整流器代替相控整流器或不控整流器，从根本上根除了相控整流器或不控整流器的一系列弊端，其关键性的改进在于用全控型开关器件取代不控二极管和半控型开关器件；以PWM控制方式取代了相位控制方式。PWM整流器具有以下优良性能：

1）网侧电流为正弦波。

2）网侧功率因数可控制为1（如单位功率因数）。

3）在交流电源电压幅值波动时，可以通过改变m（调制比）和δ（电源电压与桥侧输入端电压之间的夹角）来稳定直流输出电压U_d。

4）PWM整流器的工作频率很高，可以实现输出电压的快速调节。

5）电能可以双向传输。由于电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。显然，PWM整流器已不是一般传统意义上的AD-DC变换器。PWM整流器与相控整流器的比较见表3-3。

表3-3 PWM整流器与相控整流器的比较

（续）

PWM整流器的重要应用意义如下：

1）由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化，且能运行于单位功率因数。当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相（正阻特性）；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相（负阻特性）。由于能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。

2）由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器获得了进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿（SVG）、有源电力滤波（AFP）、统一潮流控制（UPFC）、超导储能（SMES）、高压直流输电（HVDC）、电气传动（ED）、新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等方面。

3.PWM整流器分类

随着PWM整流技术的发展，已设计出多种PWM整流器，可分类如下：

尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是PWM整流器分类为电压型和电流型两大类，因为电压型、电流型PWM整流器，无论在主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或电压型PWM整流器电路之列。

对于中、大功率PWM整流器多采用三相桥式结构，而对于小功率整流器多采用单相桥式结构。以下将对几种常用的PWM整流器进行分析。