【文章內容簡介】 變頻器的變頻調速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的整流方式通常采用不控整流或相控整流方式，并假定中間的直流電壓是固定不變的，逆變側使用脈寬調制技術產(chǎn)生變頻、變幅的輸出交流電壓，控制交流電機。 近年來，隨著 IGBT、 IGCT等全控器件的不斷進步，PWM 技術已十分成熟。把逆變電路的 SPWM 技術用于整流電路，就形成了 PWM 整流電路。通過控制整流橋臂上各開關管的導通和關斷，使電路的輸入電流近似為正弦，并且使其與輸入電壓同相位，具有功率因數(shù)高，輸出電壓紋波小，動態(tài)響應好等優(yōu)點，這種整流電路可以稱為單位功率因數(shù)變流器。167。3 高功率因數(shù)電力電子裝置n PWM 控制整流電路n 2 PWM 整流器的主電路拓撲結構及工作原理 PWM 整流器的主電路拓撲結構根據(jù)輸出特性可劃分為電壓型與電流型兩種；根據(jù)電源相數(shù)可劃分為單相半橋（？）、單相全橋和三相全橋三種；此外，還有三電平三相 PWM 整流電路等。 這類電路的特點是可以實現(xiàn)能量的雙向流動。 （ 1） 單相全橋電壓型 PWM 整流器 通過控制整流器交流側基波電壓的幅值和相位即可控制整流器功率流向和功率因數(shù)角。這說明PWM 整流電路在單位功率因數(shù)下既可以運行在整流狀態(tài)，也可以運行在逆變（再生）狀態(tài)，使能量回饋電網(wǎng)。（ 1） 單相全橋電壓型 PWM 整流器 iN UNαUAN URULαIN UN URUANUL整流器單位功率因數(shù)向量圖整流運行 逆變運行n PWM 控制整流電路n 2 PWM 整流器的主電路拓撲結構及工作原理 （ 2） 三相全橋電壓型 PWM 整流器 三相ＰＷＭ整流電路主要結構如圖所示。同單相橋式一樣，通過對開關 K1， K2， K3， K4， K5， K6進行控制，在ＰＷＭ整流電路的交流輸入端Ａ、Ｂ、Ｃ之間產(chǎn)生一個正弦波調制三相ＰＷＭ電壓電路工作在整流狀態(tài)，且輸入功率因數(shù)可為 1。n PWM 控制整流電路n 2 PWM 整流器的主電路拓撲結構及工作原理 （ 3） 三電平 PWM 整流器 三電平 PWM 整流器的工作原理本質在于通過 k1j～k4j(j=a， b， c)的優(yōu)化，使得交流 AC側線電流正弦化，功率因數(shù)接近于 1。同時保證直流側輸出電壓 Vdc保持平衡，并且系統(tǒng)能工作在再生狀態(tài)將能量從直流側反饋到電網(wǎng)中去。n PWM 控制整流電路n 3 電壓型 PWM 整流器的通用數(shù)學模型 為了便于分析整流器，畫出整流器等值電路如圖所示。當ELUd時，整流器工作在整流狀態(tài)，當 ELUd時，整流器工作在再生狀態(tài)。 由上圖可得 PWM整流器的通用數(shù)學模型n PWM 控制整流電路n 3 電壓型 PWM 整流器的通用數(shù)學模型 在公式中，沒有對開關函數(shù) di進行任何限制，所以該數(shù)學模型是一般形式，可以普遍的用于各種 PWM 開關方案，如果開關函數(shù) di被明確定義，就可以在任何時刻從上述方程求出一個確切的解 .E=(VE1 VE2 VE3 EL) TX=(I1 I2 I3 Ud) Tn PWM 控制整流電路n 4 PWM 整流電路的控制方法 控制技術是 PWM整流器發(fā)展的關鍵，根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電流作為反饋和被控制量， PWM整流器的控制分為 直接電流控制和間接電流控制兩種。 引入交流電流反饋的稱為直接電流控制；沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制。這些控制方案均可實現(xiàn)控制功率因數(shù)和輸入電流波形的穩(wěn)態(tài)作用，但他們的實現(xiàn)方法不同，動態(tài)響應不同， PWM模式不同，同時也就含有不同的諧波分量。（ 1） 直接電流控制 直接電流控制是一種通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤給定電流信號的控制方法。其控制方式主要有滯環(huán)電流控制 (HCC)、預測電流直接控制 (PICC)及非線性載波控制 (NLC)等方式。 a、滯環(huán)電流控制 b、預測電流直接控制（根據(jù)負載情況） c、非線性載波控制（不檢測輸入電壓）n PWM 控制整流電路n 4 PWM 整流電路的控制方法 （ 2） 間接電流控制 間接電流控制也稱相位幅值控制，是一種基于工頻穩(wěn)態(tài)的控制方法。它通過控制整流橋交流輸入端的電壓，使得交流側輸入電流與電壓同相位，從而使功率因數(shù)為 1，其控制方式常用的有移相 SPWM控制、電壓空間矢量調制方式等。 a、 SPWM 控制（三角波比較） b、電壓空間矢量 PWM 方式 c、單周期控制（ onecycle） n 雙 PWM 變頻器n 1 引言 在變頻調速領域 , 采用單 PWM 技術的普通變頻器 , 其整流部分大多都采用不可控整流方式 , 但這種單 PWM 變頻器存在功率因數(shù)低、網(wǎng)側諧波污染嚴重、無法實現(xiàn)能量的再生利用等缺點 , 對于要求不太高的場合 , 可以通過功率因數(shù)補償器或增加其它外圍設備來提高功率因數(shù)、減小諧波、使能量能夠再生利用。隨著電力電子技術和微機控制技術的飛速發(fā)展 , PWM 整流技術的應用越來越廣泛。 167。3 高功率因數(shù)電力電子裝置n 雙 PWM 變頻器n 2 工作原理n 在交－直－交變頻調速系統(tǒng)中，整流器和逆變器均采用 PWM 技術，稱為雙 PWM 變頻調速。圖為三相電壓型雙 PWM 變頻器主電路。主電路由進線電抗器、整流器、中間儲能電容器、逆變器和電機組成。 兩種工作模式：n (1) 能量由三相交流電網(wǎng)流向電動機負載n (2) 電動機再生能量饋入三相交流電網(wǎng) n 雙 PWM變頻器可實現(xiàn) 1）再生能量向電網(wǎng)回饋，可實現(xiàn)功率雙向流動； 2)采用 PWM整流技術，它直接對整流橋上各電力電子器件進行正弦 PWM控制，使得輸入電流接近正弦波，其相位與電源相電壓相位相同。使功率因數(shù)接近 1，減少對電網(wǎng)的公害； 3）雙 PWM具有輸入電壓、電流頻率固定，波形均為正弦，功率因數(shù)接近 1，輸出電壓、電流頻率可變，電流波形也為正弦的特點。 雙 PWM變頻器在需要頻繁可逆、快速制動的場合，如電力牽引，軋鋼、電梯等領域得到了很好的應用。n 缺點：由于開關元件的增多，而使得成本提高、控制復雜；因有大電容（或大電感）而使得體積大、成本高。 雙 PWM 變頻器 雙 PWM變頻器拓撲結構簡化圖n 矩陣式逆變器 隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，交直交變頻裝置在傳動系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應用，其調速性能優(yōu)異，節(jié)能效果顯著。但是由于采用了開關功率器件，交直交變頻裝置也存在一些固有的缺陷，如：開關功率元件數(shù)量過多、輸出頻率低、功率因數(shù)低等。 因此研究高效率、高功率密度、高功率因數(shù)、大容量、而且成本較低的電能變換技術已成為當前的發(fā)展趨勢。除雙 PWM 變頻裝置之外，矩陣式變換器技術也是一種有效而可行的解決方案。 167。3 高功率因數(shù)電力電子裝置 矩陣式逆變器是一種直接變頻電路，即不通過中間矩陣式逆變器是一種直接變頻電路，即不通過中間的直流環(huán)節(jié)，直接將一種頻率的交流電變成另一種頻率的直流環(huán)節(jié)，直接將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電，其主電路拓撲結構如下圖所示。所用的開關的交流電，其主電路拓撲結構如下圖所示。所用的開關器件是全控型的，要求具有雙向導通和雙向阻斷功能。器件是全控型的，要求具有雙向導通和雙向阻斷功能。n 矩陣式逆變器矩陣式逆變器 矩陣變換器的發(fā)展歷程 n 1976年 L. Gyugi和 B. Pelly提出 矩陣變換器 和雙向開關的概念；n 1980年 M. Venturini和 A. Alesina提出用晶體管構成雙向開關的方案并實現(xiàn)矩陣變換器樣機，同時提出一種矩陣變換器的調制算法 直接傳遞函數(shù)法； n 1983年 J. Rodriguez提出 “虛擬直流環(huán)節(jié) ”概念和 “間接傳遞函數(shù) ”調制方法； n 1989年至 1995年 L. Huber和 D. Borojevic發(fā)表了一系列矩陣變換器的研究結果，將間接傳遞函數(shù)法和空間矢量調制的概念用于矩陣變換器的控制，取得了令人滿意的效果； 矩陣變換器的發(fā)展歷程 n 1992年 C. L. Neft和 C. D. Schauder驗證了矩陣變換器可以用于異步 電機的矢量控制，并可以得到較高質量的輸入輸出電流波形；n 1996年和 1998年， T. Matsuo等人對采用矢量控制方法的矩陣變換 器 異步電機系統(tǒng)進行了仿真分析，得到了一系列有價值的結果；n 1998年， D. Casadei等人首次將直接轉矩控制法應用于對矩陣變換器的控制并取得了成功；n 2023年和 2023年， C. Klumpper和 P. W. Wheeler 分別在各自的矩陣 變換器樣機上實現(xiàn)了對異步電機的矢量控制； 矩陣式逆變器由 9個開關組成 3X3矩陣，其中每個開關都是雙向可控開關。為保證輸入電源不短路，輸出不斷路，任一時刻一行元器件有且只有一個器件導通。下圖所示為兩種雙向可控開關單元的實現(xiàn)。 矩陣式逆變器的優(yōu)點是：中間無儲能環(huán)節(jié)，輸入電流可控制為正弦波，且 和電壓同相，功率因數(shù)為 1，也可控制為需要的其它功率因數(shù)；輸出電壓也為正弦波，頻率不受電網(wǎng)頻率限制；能量可雙向流動。缺點是：所需開關器件需雙向全控器件；控制較復雜。n 矩陣式逆變器矩陣式逆變器換流技術 n 換流是指將負載電流從一個雙向開關管換到另一個雙向開關管的過程。在調制過程中，矩陣式變換器開關管通斷狀態(tài)不斷改變，從而換流過程始終存在于矩陣變換器的運行過程中，因此，安全換流是矩陣式變換器控制策略中一項至關重要的問題。n 由于矩陣式變換器特殊的結構決定了輸入側不能短路、輸出側不能開路，使得控制開關之間的切換帶來了相當大的難度。 n 四步換流策略；n 兩步換流策略；n 智能換流方式； 換流技術 (4=2) 圖 1 四步換流示意圖 圖 2 電流為正向時 換流步驟 圖 3 電流為負向時 換流步驟目前研究的重點 n 多步換流策略的可靠實現(xiàn)；n 過電壓保護和過電流保護； n 雙向開關的實現(xiàn)與集成化； n 非正常情況下的運行控制； n 輸入濾波器的優(yōu)化設計； 歐洲 EUPEC公司 研制的矩陣變換器開關矩陣模塊 v 直接傳遞函數(shù)法； v 間接傳遞函數(shù)法； 空間矢量調制方法；v 平均輸出電壓法；調制算法間接傳遞函數(shù)法和空間矢量法 虛擬整流器 虛擬逆變器等效直流電壓等效直流電流 對于虛擬逆變器，輸出線電壓空間矢量定義為： 對于虛擬整流器，輸入相電流空間矢量定義為： 電壓電流矢量均在第 Ⅰ 扇區(qū)情況下開關狀態(tài)表調制矢量 p na ba ba ca ca aA B Ca b aa b ba c ca c aa a aD 輸出電壓uAB uBC uCAuab uab 0 uab 0 –uabuac 0 –uacuac –uac 00 0 0iB iB 0 iA iA 0iA 0 iAiB 0 iB0 0 0SAaSAbSAc1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0SBaSBbSBc0 1 00 1 00 0 10 0 11 0 0SCaSCbSCc1 0 00 1 00 0 11 0 01 0 0輸入電流 ia ib ic 輸出線電壓矢量和輸入電流矢量各由其所