变频器的可控整流器

    (1)晶闸管整流器

    为了控制输出电压的幅值，可利用晶闸管作为整流器件并构成晶闸管整流桥。当晶闸管整流桥的电流只能朝一个方向流动时，称为单向型晶闸管整流器，而当电流的方向既可以正向又可以反向时，称为可逆型（反并联）晶闸管整流器。单向型用于电压型变频器，工作在Ⅰ、Ⅳ象限；可逆型则用于电流型变频器，可以在四个象限运行。图2-5给出了这两种晶闸管整流器的基本结构和工作范围。

   (2)带斩波器的二极管整流器

    带斩波器的二极管整流器主要用于电压型PAM方式变频器上。虽然大容量的PAM变频器多使用晶闸管整流器，但小容量PAM变频器往往采用晶体管斩波器对二极管整流桥输出的恒幅电压进行控制，以得到所需的电压幅值。

    图2-5    晶闸管整流器的基本结构及其工作范围

    图2-6给出了带斩波器的二极管整流电路的基本结构，通过控制斩波电路晶体管的开通时间即可控制输出电压的幅值。图中的斩波电路为降压型的直流变换电路，也可以为其他类型的直流变换电路。

    图2-6    带斩波器的二极管整流电路

   (3)斩控式整流器

    目前，变频器中的整流器多采用不可控二极管桥式整流电路。这种方案控制简单，成本较低，但整流器从电网吸收畸变的电流，给电网侧带来大量的谐波，造成电网的谐波污染。在运行过程中，直流侧能量无法回馈电网，尤其当电动机处于频繁起、制动运行方式时会带来大量的能量浪费。为实现变频器再生能量向电网的回馈，电网侧变流器可改为可逆整流器。传统的可逆整流器利用晶闸管采用相控整流方式，如图2-7所示。

    图2-7    采用品闸管的可逆整流器

    这种方式采用相位控制方式调压，控制技术成熟，但相控整流方式存在动态响应慢，深控下电网侧功率因数低、谐波含量高，换流重叠时会引起电网电压波形畸变等缺点。

    随着全控式开关器件如MOSFET、IGBT、GTO（门极关断）晶闸管的实用化，一种新型的斩控式整流器应运而生。近年提出的开关模式整流器( SMR)，可以克服相控整流和不可控整流的缺点，具有高功率因数，低电流谐波，电能可逆传送，动态响应快等优点。

    开关模式整流器的结构和逆变器完全相同，其工作原理是：采用PWM控制方式，通过对整流器输入电流的控制，使输入电流波形近似为正弦且与输入电压同相位。它在作为整流器工作时，将交流电能转换为直流电能，提供给负载；也可作为有源逆变器工作，即把负载反馈的能量转化为交流电能送往电网。在这里把开关模式整流器称为斩控式整流器或PWM整流器。它通过对交流电流的大小和相位进行控制，一方面使输入交流电流接近正弦波，另一方面使系统的功率因数接近1，从而大大地减少电网的无功分量和谐波干扰。同时，当电动机减速制动从逆变器返回再生功率使直流电压升高时，可以使交流输入电流的相位与电源电压的相位相反，实现再生运行并将再生功率回馈到交流电网去，将直流电压保持在某一恒定值。这种情况下，斩控式整流器工作在有源逆变状态。

    综上所述，斩控式整流器应满足如下的要求。

    (Ⅰ)输入电流的波形应为正弦。

    (Ⅱ)保证电网侧的功率因数为1。

    (Ⅲ)功率可以实现双向传递，具有再生能力。也就是说，如果设电网电压为

   uN==UNmsinωt    (2-1)

斩控式整流器处于整流状态时，电网电流为

   iN=INmsinωt    (2-2)

斩控式整流器处于逆变状态时，电网电流为

   iN=INmsin(ωt - 180°)    (2-3)

功率因数为

   cosΦ=1    (2-4)

    建立能量可逆斩控式整流器的模型是研究这种功率变换器的基础，电流控制是其控制的核心。斩控式整流器分为电压型和电流型两种方式。在控制策略上，有直接电流控制和间接电流控制之分，间接电流控制输入电流的优点是控制简单；直接电流控制可以获得优良的动态和静态特性，但控制复杂。在此以电压型可控整流器为例进行分析，图2-8所示电路即为典型的单相开关型整流器主电路结构图。

    图2-8    单相开关型整流器主电路结构

    ①间接电流控制。间接电流控制和SPWM（正弦波脉冲宽度调制）逆变器一样，为了使输入电流达到正弦的目的，功率开关管V1～V4需采用SPWM控制模式，即将工频正弦信号用三角波调制后得到作为功率开关管V1～V4的控制信号。稳态时整流器交流侧可得到含有高频分量的工频正弦电压uAN，其基波分量为uAN1，uAN1与电网电压uN、电感基波电压uL1之间满足如下相量关系：

   (2-5)

    忽略电感电流的高次谐波，整流器具有单位功率因数时的电压相量图如图2-9所示。图2-9 (a)对应整流状态，整流器交流侧基波电压滞后电网电压相位角α；图2-9(b)对应逆变状态，整流器交流侧基波电压超前电网电压相位角α。

    可见，通过控制整流器交流侧基波电压的幅值和相位，即可控制整流器功率的流向和功率因数角。图2-9所示的直角三角形是整流器稳态时具有单位功率因数的充分必要条件，设整流器输出直流电压为Ud，调制信号的调制比为m，则交流侧基波电压有效值为

    (2-6)

    图2-9    整流器具有单位功率因数时的基波电压相量图

由相量图可得

    UAN1cosα=UN   (2-7)

即

   (2-8)

    式(2-8)即是整流器稳态时功率因数为1的充分必要条件。等式中的四个变量相互关联，要使等式成立，调制信号的调制比m和相位角α必须协调控制。对于SPWM控制方式的逆变器来说，在调制比取m≤1时则有

   (2-9)

    由图2-9得

   (2-10)

    把式(2-10)代入式(2-9)得调制比

   (2-11)

    在uN和α为定值自勺情况下，由式（2-11）可得

   (2-12)

    可见，通过改变调制比m，即可调节电压Ud。此外，当调制比m>1时，会加大整流器输出电压的畸变，建议调制比m应取小于1，即直流输出电压Ud大于电网电压的峰值。

    在整流器输入端的电感L主要作用是滤去高频电流，其电感值不大，因而工频基波电流在电感上的压降相对电网电压很小。当负载变化时，功率调节的过程中，整流器输入基波电压值和电网电压值很接近，调制比的变化范围很小。因此，对于负载的变化，可采用调制比不变、调节相位角及输入功率的控制方式来实现直流端电压恒定。系统的控制框图如图2-10所示。

    图2-10    系统的控制框图

    该控制方法根据单位功率因数下的整流器相量关系，通过矢量合成构造出控制信号用于整流器的电压控制，其原理较简单。

    ②直接电流控制。单相直接电流控制整流器采用电压控制外环和电流控制内环的双闭环控制结构，图2-11为其控制框图。

    单相直接电流控制整流器的工作原理为：当整流器负载消耗功率时即整流器工作在整流状态，整流器直流部分的电压Ud低于给定值Ud*时，有

   en=Ud*-Ud>0

    电压误差信号eu经PID电压调节器后输出符号为正的信号cu；设电网输入电压为U，经过一个比例放大器后得到与U同相位的正弦电压ui；ui与cu的乘积作为给定电流i*，显然i*与U同相，如果能够控制电流i跟踪i*，那么能量就以单位功率因数从电网流向负载。反之，当整流器负载再生能量（如直流电动机制动过程），即整流器工作在逆变状态，整流器直流部分的电压Ud高于给定值Ud*时，有

   eu=Ud*-Ud<0

    电压调节器输出符号为负的信号cu；设电网输入电压为U，经一比例放大器后得到与U同相位的正弦电压ui；ui与cu的乘积作为给定电流i*，显然i*与U反相，如果能够控制电流i艮踪i*，那么能量就以单位功率因数从负载端流向电网。

    从以上分析可以看出，电流环使输入电流i跟踪给定电流i*，实现可逆整流器在整流和逆变两种状态之间的变换；电压环控制整流器直流部分保持恒定。这就是电流滞环控制的斩波式PWM整流器的控制原理。

   L-逆变器外接电感Rs-线路及电感中的电阻

   RL、eL-分别为直流负载电阻和反电动势

    图2-11    单相直接电流滞环控制的斩波式PWM整流器控制框图

    在图2-8所示的单相全控桥斩波式PWM整流器中，开关信号S定义如下：

   S=1: V1、V4导通，V2、V3关断；

   S=0：V1、V4关断，V2、V3导通。

    忽略线路中的等效电阻，当S=1时，则得，i减小；当S=0时，则得，i增加。显然按照一定的控制规律改变S的取值，i即可按特定的规律进行变化，从而实现对输入电流的控制。在控制过程中必须保证Ud大于输入电压U的峰值。

    电流滞环控制的可逆斩波式PWM整流器具有实现容易、电流控制效果好等优点，也是目前使用最成熟的一种电流控制方法。由于需采用双闭环控制，系统相对较复杂。