单相桥式PWM电压型整流器

电压型单相桥式PWM整流器最早用于机车变频传动系统，为变频器提供直流电电源，由于它能使网侧电流接近正弦波，保持网侧基波功率因数为1，因而可显著提高机车变频传动系统电网运行质量。PWM整流器还具有良好的稳压功能，能维持直流中间电压恒定，有效改善逆变电路的工作条件。PWM整流器还具有电流双象限的输出特性，可方便地实现机车再生制动，节省电能。

随着PWM整流器的推广应用，单相PWM整流器也由牵引应用扩大到其他领域（如UPS等）。

1.电压型单相桥式PWM整流器的结构

图3-74所示为电压型单相桥式PWM整流器。图中VT₁～VT₄和VD₁～VD₄构成单相全桥电路，每一个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。PWM整流器在直流侧采用电容滤波；在交流侧与交流电源u_s之间串接电抗器，串接的电抗器在PWM整流器中是一个重要元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。图中交流电感L_s包括串接电抗器和交流电源内部引线电感，R_s包括外接电抗器电阻和交流电源内阻。

图3-74 电压型单相桥式PWM整流器

2.电压型单相桥式PWM整流器的基本工作原理

电压型单相桥式PWM整流器的基本工作原理是，用正弦调制信号波和三角波相比较的方法对VT₁～VT₄进行SPWM控制。假设直流侧电容足够大，直流电压U_d稳定，可看做是一个直流电源。这样，通过对VT₁～VT₄进行SPWM控制，就可以在桥的交流侧ab产生一个幅值为U_d的波，如图3-75所示。u_ab中含有和正弦调制信号波频率相同且幅值成比例的基波分量u_ab1，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。若忽略高次谐波，则u_ab=u_ab1，这样，图3-74所示的PWM整流器可以等效为图3-76所示的等效电路。当正弦电压u_ab的频率和电源u_s频率相同时，i_s也为与电源频率相同的正弦波。当u_s一定时，i_s幅值和相位仅由u_ab的幅值及其与u_s的相位差决定。改变u_ab的幅值和相位，可使i_s和u_s同相或反相，或i_s比u_s超前90°，或使i_s与u_s的相位差为所需要的任意电角度。

图3-75 ab两点的SPWM电压波形

图3-76 电压型单相桥式PWM整流器的等效电路

图3-77所示为单相桥式PWM整流器的运行矢量图。由图3-76可知，加在电抗器L_s、R_s。上的电压为u_sab=u_s-u_ab，由于电抗器的参数固定，所以电压u_asb与流过电抗器的电流i_s之间的相位差φ也是固定的，如图3-77a所示。据此可以确定几种情况下电量的矢量关系：

1)滞后相角δ，和同相，电源u_s。输出能量，PWM整流器处于整流状态，且功率因数为1。这是PWM整流器最基本的工作状态，如图3-77b所示。

图3-77 单相桥式PWM整流器的运行矢量图

a)U_sab与i_s的相位关系 b）整流运行 c）逆变运行 d）无功补偿运行

2)超前相角δ，和反相，电源吸收能量，电路处于逆变状态，这说明PWM整流器可实现能量正反两个方向的流动，这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要，如图3-77c所示。(www.xing528.com)

3)滞后相角δ，超前，电路向交流电源送出无功功率，这时的电路称为静止无功率发生器(Static Var Generator，SVG)，如图3-77d所示。

可见，通过对Uab的幅值和相位的控制，可以使i_s。比u_s。超前或者滞后任一角度。

3．电压型单相桥式PWM整流器工作情况分析

图3-78是图3-74所示的电压型单相桥式PWM整流器在整流运行且功率因数为1时的工作波形图，为了作图方便，将时间坐标取在正弦调制信号u_g。的上升沿过零点处，即

开关器件VT₁、VT₂的控制极脉冲u_g1、u_g2由三角形载波信号u_c和正弦调制信号u_g的交点确定，而VT₃、VT₄的控制极脉冲u_g3、u_g4由三角形载波信号M。和正弦调制信号u_c。的交点确定，其时序如图3-78b所示。由图可见，u_gl和u_g2及u_g3和u_g4在相位上互补。

PWM整流器共有二二种工作模式，分述如下：

1)工作模式1：VT₁、VT₃有驱动脉冲，VT₂、VT₄关断；或者VT₂、VT₄有驱动脉冲，VT₁、VT₃关断（两个上桥臂或下桥臂同时导通）。这时，当u_s＞0时，有VD₁、VT₃导通或VT₂、VD₄导通，i_s＞0；当u_s＜0时，有VT₁、VD₃导通或VD₂、VT₄导通，i_s＜0。交流电源通过电抗器在桥中短路，i_s的幅值逐渐增加，电抗器吸收能量，u_ab=0。如图3-78c中区间1、3、5、7、9、10、11、12、14、16、18、20等的波形。

2）工作模式2：VT₁、VT₄有驱动脉冲，VT₂、VT₃关断。这时桥中有VD₁、VD₄导通，i_s＞0，且逐渐减小，u_ab=U_d；或者VT₁、VT₄导通，i_s＜0，且逐渐减小，u_ab=U_d。如图3-78c中区间2、4、6、8、10等的波形。

3）工作模式3：VT₂、VT₃有驱动脉冲，VT₁、VT₄关断。这时桥中有VD₂、VD₃导通，i_s＜0，u_ab=-U_d；或者VT₂、VT₃导通，i_s＞0，u_ab=-U_d。如图3-78c中区间13、15、17、19、21等的波形。

图3-78 电压型单相桥式PWM整流器的工作波形

根据以上分析，可以得到整流桥交流输入侧电压u_ab的波形如图3-78c所示，输入电流i_s的波形如图3-78d所示。可见，交流电源u_s的输出电流i_s基本为正弦波，且与交流电源u_s同相位，功率因数为1。

通过推导可知，当整流桥输入侧电压u_ab在相位上滞后于电网电压u_s一个角度δ时，整流器的输出电压U_d为

式中，m为正弦调制信号幅值u_gm与三角形载波信号幅值u_cm之比，即m=u_gm/u_cm，称为调制比。

式（3-155）表明，U_d与m、cosδ和U_s有关，当调制比m值减小时，U_d将相应增大。由于m＜1、cosδ≤1，根据式（3-155）可知，电压型单相PWM整流器是一种升压型电路，其输出直流电压平均值U_d高于交流电源的峰值电压U_sm。