三相高功率因数PWM整流器的研究与设计初探
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作者:程倩
摘 要：随着当今现代工业的飞速发展，许多场合需要把交流变为直流（AC/DC），把直流变为交流（DC/AC），所以电力电子技术在工业领域得到更广泛应用。目前，把交流变为直流由整流器实现，直流变交流由逆变器实现。在交流和直流的转化过程中，传统的转换方式造成了严重的电网“污染”，由此引起的电力系统谐波有很大的危害，近些年来，国内外也相应地制定了严格的谐波标准，实施更加规范化的谐波管理政策。这些政策方面的新规的出台导致了对电力电子设备越来越高的要求，也要求从事电子行业的人员急需寻求更加高效的新技术来代替传统的技术模式。本文将对三相高功率因数PWM整流器的研究与设计进行初步探索，希望有所收获。
关键词：三相高功率 PWM整流器 研究 设计
因为在电力系统中谐波有着很大的危害性，所以行业内部都在通过你技术改寻求降低谐波的方法，相关国家也制定了严格的谐波管理的新规。所以谐波的危害性也越来越被人们所重视，对电力电子设备的性能的要求也越来越高，那些传统的电力电子设备逐渐被淘汰。这些变化趋势推动了电子行业在变流控制方面的技术的不断发展，并引起相关技术的不断成熟。在此过程中，许多新型的电子电流控制技术不断提升，同时许多降波的控制思路也不断的诞生。在这样的环境中，高功率整流器迎来了前所未有的发展春天。就目前的现状来看，治理谐波的重要途径就是降低电流，也就是要研制新型的高功率因素整流器来降低谐波的频率，从源头上抑制谐波的危害。
就目前的技术来看，降低谐波的方法主要有两种：一种是被动式的无源补偿方式，即通过补偿的方式来降低谐波，这种技术现在已经非常成熟，并在日常生产的各个领域都得到了广泛的应用，但是其缺点是设备的体积大，动态响应慢，所以制约了它的发展空间。
另一种是开发新型的整流器，通过直流和交流的互换达到降低谐波的目的，从源头上降低甚至是彻底消除系统所产生的谐波。因此，目前研究的思路就是研制新型整流器，从根本上解决谐波对公共电网的污染、消除谐波源头，这是当今国内各行业研究的重要课题。目前我们研究的就是将 PWM 技术应用于整流器，实现整流的人为可控性，从而实现电网电流正弦化，从而实现电网电流和电压同频同相，达到单位功率因数运行，从而达到降频的目的。这种研究模式思路如果可以应用到实践中，将可以在很大程度上降低电流谐波，实现降低谐波的目的。从这点而言，我们开展三相單位功率因数 PWM 整流器的设计与开发研制意义尤为重大。
20世纪80年代，世界上已经有部分科研人员展开了对 PWM整流器的研究，早期的PWM整流器控制方法以电流的幅相控制为主。一直到现在，PWM整流器都是学术界研究的重点，经过了将近40年的发展与研究历程，这一项技术逐渐成熟并日益完善。但是随着社会经济的发展，越来越多的新型全控电力电子器件逐渐被发明出来并应用于社会实践中，更多的先进的控制算法也开始应用到电力电子装置的设计中，这也让 PWM 整流器的性能一天天提升，同时也有更多的设备生产出来在工业中使用。
目前，我们对三相PWM整流器的研究主要从以下几个角度进行。
（1）三相PWM整流器的建模与分析。
这是我们的研究的第一步，也是关键性的一步。如何结合实践正确的建立 PWM 整流器的数学模型是最关键的第一步。虽然目前有一些研究人员提出一部分关于 PWM 整流器的数学模型。但是这些理论都还不够成熟，在实践中的应用也不够广泛，需要进一步的完善。所以我们的研究课题还是非常有必要性的。
（2）三相 PWM 整流器的主电路拓扑。
PWM 整流器拓扑结构可分为电流型PWM整流器和电压型 PWM整流器两大类。与传统的电流型PWM整流器相比，新型的电压型PWM整流器结构更简单、控制更方便、便于操作，所以一直以来是学术界研究的重点。我们在研究过程中，主要是通过相关的boost等技术的研究，充分发挥新型的电压型PWM整流器的优势。通过电路分析与开发，充分将其性能在新的电力设备中使用，将直流电与交流电转换过程中的谐波尽可能的降低到最小值，并最终消除谐波，大大提升电力设备的工作功率。
（3）三相高功率因数 PWM 整流器的电流控制策略初探。
在近些年来随着PWM 整流器技术的发展，电压型PWM 整流器的电流控制策略主要可以归纳为以下两类：直接电流控制策略和间接电流控制策略，目前直接电流控制策略处于主导地位。而我们的研究就是从直流电流的控制入手，通过PWM模型的构造，实现降频的同时，减少直流和交流转换过程中的能耗，实现在电网电力输送过程中的能量损耗。
目前我们研究的三相高功率因数 PWM整流器采用旋转dq 坐标的数学模型，在dq坐标系下，采用基于电网电压前馈以及电流交叉解耦的直接电流控制法实现电流控制。其优点主要体现在以下几方面。
①从整体出发，分析了四象限的变流原理，说明了变流系统运行在整流、逆变的工作条件，建立了三相 PWM 整流器的数学模型。这一模型的建立奠定了我们研究的基础。
②设计了三相PWM 整流器的硬件系统，搭建了三相 PWM 整流器模拟实验操作台，在电路设计中，通过实验的数据来不断完善理论。
③采用目前行业内部最先进的CCS 开发平台，使用 C++ 编写和控制系统有关的程序软件，并制定每个程序的流程图和模拟测试实验步骤。
④进行 MATLAB 仿真，验证实验的正确性。然后基于试验和仿真的数据对整个硬件系统进行测试，根据测试的结果完善实验操作平台的性能。
其核心技术路线如图1所示。
总之，我们的研究的目的就是通过三相高功率因数PWM整流器来实现降低谐波甚至消除谐波的危害，并将这一技术应用于电力子设备的开发与生产领域中，实现节能减排的目的。
参考文献
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