電壓型PWM整流電路研究與控制實現

楊亞萍，王 成，雷新穎

（西安航空學院 陜西 西安 710077）

電壓型PWM整流電路研究與控制實現

楊亞萍，王 成，雷新穎

（西安航空學院 陜西 西安 710077）

針對傳統相控整流方式中，電網注入大量諧波及無功功率，易造成電源污染的不利影響。采用全控型開關器件，并將PWM控制技術引入整流電路，通過滯環電流控制方式，在穩定直流電壓輸出的同時，使交流側電源電流波形近似正弦波，實現電能的雙向傳輸。結合電壓型PWM整流電路的控制方法，以STM32F103RBT6微處理器為核心搭建實驗電路，實現PWM整流電流正弦化并可四象限運行，實現電能雙向傳輸。

PWM整流；滯環電流控制；四象限運行；STM32F103RBT6

隨著電力電子技術的發展，全控型器件得到更加廣泛的應用，由于此類器件易實現脈沖寬度調制，若PWM整流電路采用全控式器件實現，其體積更小，功率因數更高。且由于開關頻率較高，電流容易連續，諧波少，快速響應性能好，動態抗干擾能力強。

1 PWM整流電路概述

PWM整流電路由4只全控型器件IGBT組成，其柵極按照脈沖寬度調制原理控制導通與關斷。在此控制方式下工作，PWM整流電路可使網側電流正弦化，并工作于單位功率因數。為提高控制系統電流跟蹤精度，減小電流偏差，PWM整流器使用滯環電流控制方式。PWM整流電路分為電壓型和電流型兩類，電壓型PWM整流電路直流側采用電容進行直流儲能，使電壓型PWM整流電路直流側呈現低阻抗的電壓源特性。電流型PWM整流電路直流側采用電感進行直流儲能，使電流型PWM整流電路直流側呈現高阻抗的電流源特性[1]。文中討論電壓型PWM整流電路。

2 PWM整流電路結構及工作原理

PWM整流電路結構為全橋形式，如圖1所示[2]。

圖1 PWM整流電路結構圖

從圖1可以看出：PWM整流電路由交流回路、四支IGBT組成的功率開關橋式電路、直流回路組成。其中交流回路由交流電源uS及網側電感LS組成，直流回路由負載電阻Rd及電解電容C組成。當忽略功率橋路損耗時，交流、直流側功率平衡關系得：uS×iS=ud×id

式中：uS，iS——PWM整流電路交流側電壓、電流；

ud，id——PWM整流電路直流側電壓、電流。

從上式可知：通過PWM整流電路交流側電壓、電流的控制，就可控制直流側電壓、電流。以下從PWM整流電路交流側來分析PWM整流電路的運行狀態和控制原理。

穩態條件下，PWM整流電路交流側電壓、電流矢量關系如圖2所示。

圖2 PWM整流電路交流側穩態相量關系圖

U˙S：交流電網側電壓相量；U˙AB：交流側電壓相量；

U˙L：交流側電感電壓相量；I˙S：交流側電流相量。

從2圖分析得：當交流電網側電壓相量為參考時，通過控制交流側電壓相量即可實現PWM整流電路的四象限運行。若假設交流側電流相量I˙S不變，因此U˙L=ωLI˙S也固定不變，在此情況下，PWM整流電路交流側電壓相量U˙AB端點運動軌跡構成了一個以U˙L為半徑的圓。

當交流側電壓相量U˙AB端點位于圓軌跡A點時，交流側電流相量I˙S比交流電網側電壓相量U˙S滯后90°，此時PWM整流電路電網側呈純電感特性，如圖2（a）所示。

當交流側電壓相量U˙AB端點位于圓軌跡B點時，交流側電流相量I˙S與交流電網側電壓相量U˙S平行且同向，此時PWM整流電路電網側呈正電阻特性，如圖2（b）所示。

當交流側電壓相量U˙AB端點位于圓軌跡C點時，交流側電流相量I˙S比交流電網側電壓相量U˙S超前90°，此時PWM整流電路電網側呈純電容特性，如圖2（c）所示。

當交流側電壓相量U˙AB端點位于圓軌跡D點時，交流側電流相量I˙S與交流電網側電壓相量U˙S平行且反向，此時PWM整流電路電網側呈負電阻特性，如圖2（d）所示[3]。

由此可知，要實現PWM整流電路的四象限運行，關鍵在于電網側電流相量I˙S的控制。即通過電網側電流的閉環控制直接控制PWM整流電路的網側電流。

3 PWM整流電路系統設計

PWM整流電路采用滯環控制方式。滯環控制是一種基于邊帶規則的控制方法，對于邊帶寬度ΔI，依據被控量與參考量的關系，按照一定的控制規律，使被控量與參考量之差始終處于邊帶寬度內。對于滯環電流控制，當電流偏差超過滯環寬度ΔI時，驅動主電路功率開關管切換，迫使電流偏差減小，最終使得采樣電流和給定電流的差限定在一定范圍內，達到準確控制電流的目的，是一種典型的非線性控制系統[4]。研究表明，滯環電流控制方式具有較好的穩定性和快速性。

PWM整流電路由單片機電路，電流采樣電路，驅動電路，零點檢測電路組成，框圖如圖3所示。

單片機STM32F103RTB6是基于ARM內核的32位處理器產品，內置128 kB的Flash，20 kB的RAM，12位AD，4個16位定時器和3路USART通訊口的多種資源，時鐘頻率最高達72 MHz[5]。

圖3 PWM整流電路結構框圖

電流采樣電路核心器件為CSM001A型霍爾電流傳感器，是應用霍爾效應閉環原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖及各種不規則波形的電流。接線圖如圖4所示，傳感器左端為電流輸入端，通電后，當被測電流從傳感器箭頭方向流過，即可在輸出端測的同相電流值。為保證輸入端與測量端相互隔離，傳感器供電應采用電源模塊單獨供電。

圖4 霍爾傳感器外部接線圖

驅動電路采用帶過流保護的IGBT驅動光耦 HCPL-316J，其輸出高達2 A?？沈寗覫GBT最高為150 A/1 200 V級。芯片為16腳貼片封裝，CMOS/TTL兼容，500 ns開關速度，內部光學隔離，帶故障反饋輸出，采用軟關斷技術，集成過流，欠壓保護，是一款簡單易用的智能型IGBT驅動光耦。驅動電路如圖5所示。

直流電壓采樣通過對直流側電解電容兩端電壓進行采樣，采樣后電壓送入單片機PC1對應的第9引腳，該通道設置為注入通道。

STM32單片機采用ARM先進的Cortex-M3內核，具有出色的控制功能和強大的外設，ST提供了完整、高效的開發工具和庫函數，使程序開發更加方便。本軟件編程主要采用了C語言編程的方法，C語言編程方便快捷、可讀性好，便于今后改進中進行修改。

系統主程序中，首先要進行單片機初始化，初始化主要包括系統時鐘的設置、定時器的設置、中斷系統的設置、模/數轉換器的設置等。主程序流程圖如圖6所示。

系統初始化后，程序運行過程中需要對采集到的電流信號進行數據處理，電壓過零的處理、并根據采集到的數據進行滯環電流的控制。在數據處理時，為消除隨機誤差造成的影響，采用數字濾波的方式進行平均值濾波。滯環電流控制中，當采樣電流與設定電流之差大于滯環寬度的一半，驅動相應開關管切換以減小電流誤差；當采樣電流與設定電流之差在滯環寬度的一半范圍內，原驅動狀態維持不變。因此，最終控制電流為圍繞設定電流且限定在滯環環寬內的包絡線。當電網電壓經過上升過零點時，執行外部中斷的服務子程序，服務子程序中設置IGBT交流側等效電壓的相位。這樣在每個周期都進行相位的調整，實現輸出電流與電網電壓的同步。中斷子程序如圖7所示。

圖5 PWM整流電路驅動電路

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷子程序流程圖

4 實驗結果分析

設計了以STM32F103RTB6為控制核心的滯環控制電壓型PWM整流電路實驗系統，電路參數輸入交流電壓220 V，經變壓器后變為12 V交流，頻率為50 Hz，直流側電壓設定為30 V，濾波電感取為2 mH[6]，濾波電容為2 000 μF。

在相同工況條件下，通過程序設定，模擬四象限運行，測得電網電壓和輸出電流的波形如圖8所示。

圖8 PWM整流電路電壓電流波形

如圖8（a）中所示為電網電壓與輸出電流波形，兩者頻率相同、相位一致，波形跟蹤良好，電流波形呈滯環規律變化。圖8（b）中，使電網電壓與輸出同相，為模擬純阻性負載特性時時的情況；圖8（c）中，電網電壓超前于輸出電流45度，為模擬阻感性負載特性時的情況，圖8（d）中，電網電壓滯后于輸出電流45度，為模擬阻容性負載時的情況。由圖可看出，模擬阻感或阻容性負載時，輸出電流與電網電壓頻率一致，且波形保持純正弦，電流波形呈滯環規律變化，較好的實現了PWM整流電路的四象限運行狀態。

5 結論

PWM整流電路通過滯環電流控制，實現了網側電流正弦化且運行于單位功率因數，甚至能量可雙向傳輸，真正實現了“綠色電能變換”。因此，在新型UPS以及太陽能、風能等可再生能源的并網發電等方面，PWM整流電路將有更為廣泛和更為重要的應用。

[1]張興，張宗巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]霍姆斯，利波.電力電子變換器PWM技術原理與實踐[M].周克亮，譯.北京：人民郵電出版社，2010.

[3]王雷.能量回饋型交流電子負載變換器研究 [D].南京：南京航空航天大學，2008.

[4]Gatlan C，Gatlan L.AC to DC PWM voltage source converter under hysteresis current control[J].International Symposium on Industrial Electronics，IEEE，1997:469-473.

[5]王永紅，徐煒，郝立平.STM32系列 ARM Cortex—M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6]徐金榜，何頂新，趙金，等.一種新的PWM整流器電感上限值設計方法[J].華中科技大學學報：自然科學版，2006 34（4）：33-35.

Research and control voltage type PWM rectifier circuit implementation

YANG Ya-ping，WANG Cheng，LEI Xin-ying
（Xi’an Areonautical University，Xi’an 710077，China）

In view of the traditional phase controlled rectifier，the power grid is injected into a large number of harmonics and reactive power，which can easily lead to the adverse effects of the power supply.The PWM control technology is used in the control circuit，and the hysteresis current control mode is used to stabilize the DC voltage output.With the control method of voltage type PWM rectifier circuit，the experimental circuit is built with STM32F103RBT6 microprocessor as the core，and the PWM rectifier current is sinusoidal and can run in four quadrant，Realization of electric energy bidirectional transmission.

PWM rectifier；hysteresis current control；four quadrant operation；STM32F103RBT6

TN353

A

1674－6236（2016）15-0154-03

2015-08-04 稿件編號：201508018

陜西省教育廳2014年科學研究計劃（14JK1364）

楊亞萍（1972—），女 ，陜西岐山人，碩士，副教授。研究方向：電力電子。