楊亞萍，王 成，雷新穎

（西安航空學(xué)院 陜西 西安 710077）

電壓型PWM整流電路研究與控制實(shí)現(xiàn)

楊亞萍，王 成，雷新穎

（西安航空學(xué)院 陜西 西安 710077）

針對(duì)傳統(tǒng)相控整流方式中，電網(wǎng)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(guān)器件，并將PWM控制技術(shù)引入整流電路，通過滯環(huán)電流控制方式，在穩(wěn)定直流電壓輸出的同時(shí)，使交流側(cè)電源電流波形近似正弦波，實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸。結(jié)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(shí)驗(yàn)電路，實(shí)現(xiàn)PWM整流電流正弦化并可四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電能雙向傳輸。

PWM整流；滯環(huán)電流控制；四象限運(yùn)行；STM32F103RBT6

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，全控型器件得到更加廣泛的應(yīng)用，由于此類器件易實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，若PWM整流電路采用全控式器件實(shí)現(xiàn)，其體積更小，功率因數(shù)更高。且由于開關(guān)頻率較高，電流容易連續(xù)，諧波少，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。

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(diào)制原理控制導(dǎo)通與關(guān)斷。在此控制方式下工作，PWM整流電路可使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，并工作于單位功率因數(shù)。為提高控制系統(tǒng)電流跟蹤精度，減小電流偏差，PWM整流器使用滯環(huán)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(cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，使電壓型PWM整流電路直流側(cè)呈現(xiàn)低阻抗的電壓源特性。電流型PWM整流電路直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能，使電流型PWM整流電路直流側(cè)呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)及工作原理

PWM整流電路結(jié)構(gòu)為全橋形式，如圖1所示[2]。

圖1 PWM整流電路結(jié)構(gòu)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(guān)橋式電路、直流回路組成。其中交流回路由交流電源uS及網(wǎng)側(cè)電感LS組成，直流回路由負(fù)載電阻Rd及電解電容C組成。當(dāng)忽略功率橋路損耗時(shí)，交流、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得：uS×iS=ud×id

式中：uS，iS——PWM整流電路交流側(cè)電壓、電流；

ud，id——PWM整流電路直流側(cè)電壓、電流。

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

穩(wěn)態(tài)條件下，PWM整流電路交流側(cè)電壓、電流矢量關(guān)系如圖2所示。

圖2 PWM整流電路交流側(cè)穩(wěn)態(tài)相量關(guān)系圖

U˙S：交流電網(wǎng)側(cè)電壓相量；U˙AB：交流側(cè)電壓相量；

U˙L：交流側(cè)電感電壓相量；I˙S：交流側(cè)電流相量。

從2圖分析得：當(dāng)交流電網(wǎng)側(cè)電壓相量為參考時(shí)，通過控制交流側(cè)電壓相量即可實(shí)現(xiàn)PWM整流電路的四象限運(yùn)行。若假設(shè)交流側(cè)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(cè)電壓相量U˙AB端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成了一個(gè)以U˙L為半徑的圓。

當(dāng)交流側(cè)電壓相量U˙AB端點(diǎn)位于圓軌跡A點(diǎn)時(shí)，交流側(cè)電流相量I˙S比交流電網(wǎng)側(cè)電壓相量U˙S滯后90°，此時(shí)PWM整流電路電網(wǎng)側(cè)呈純電感特性，如圖2（a）所示。

當(dāng)交流側(cè)電壓相量U˙AB端點(diǎn)位于圓軌跡B點(diǎn)時(shí)，交流側(cè)電流相量I˙S與交流電網(wǎng)側(cè)電壓相量U˙S平行且同向，此時(shí)PWM整流電路電網(wǎng)側(cè)呈正電阻特性，如圖2（b）所示。

當(dāng)交流側(cè)電壓相量U˙AB端點(diǎn)位于圓軌跡C點(diǎn)時(shí)，交流側(cè)電流相量I˙S比交流電網(wǎng)側(cè)電壓相量U˙S超前90°，此時(shí)PWM整流電路電網(wǎng)側(cè)呈純電容特性，如圖2（c）所示。

當(dāng)交流側(cè)電壓相量U˙AB端點(diǎn)位于圓軌跡D點(diǎn)時(shí)，交流側(cè)電流相量I˙S與交流電網(wǎng)側(cè)電壓相量U˙S平行且反向，此時(shí)PWM整流電路電網(wǎng)側(cè)呈負(fù)電阻特性，如圖2（d）所示[3]。

由此可知，要實(shí)現(xiàn)PWM整流電路的四象限運(yùn)行，關(guān)鍵在于電網(wǎng)側(cè)電流相量I˙S的控制。即通過電網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制直接控制PWM整流電路的網(wǎng)側(cè)電流。

3 PWM整流電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PWM整流電路采用滯環(huán)控制方式。滯環(huán)控制是一種基于邊帶規(guī)則的控制方法，對(duì)于邊帶寬度ΔI，依據(jù)被控量與參考量的關(guān)系，按照一定的控制規(guī)律，使被控量與參考量之差始終處于邊帶寬度內(nèi)。對(duì)于滯環(huán)電流控制，當(dāng)電流偏差超過滯環(huán)寬度ΔI時(shí)，驅(qū)動(dòng)主電路功率開關(guān)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(nèi)，達(dá)到準(zhǔn)確控制電流的目的，是一種典型的非線性控制系統(tǒng)[4]。研究表明，滯環(huán)電流控制方式具有較好的穩(wěn)定性和快速性。

PWM整流電路由單片機(jī)電路，電流采樣電路，驅(qū)動(dòng)電路，零點(diǎn)檢測電路組成，框圖如圖3所示。

單片機(jī)STM32F103RTB6是基于ARM內(nèi)核的32位處理器產(chǎn)品，內(nèi)置128 kB的Flash，20 kB的RAM，12位AD，4個(gè)16位定時(shí)器和3路USART通訊口的多種資源，時(shí)鐘頻率最高達(dá)72 MHz[5]。

圖3 PWM整流電路結(jié)構(gòu)框圖

電流采樣電路核心器件為CSM001A型霍爾電流傳感器，是應(yīng)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)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(guī)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(dāng)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(yīng)采用電源模塊單獨(dú)供電。

圖4 霍爾傳感器外部接線圖

驅(qū)動(dòng)電路采用帶過流保護(hù)的IGBT驅(qū)動(dòng)光耦 HCPL-316J，其輸出高達(dá)2 A?？沈?qū)動(dòng)IGBT最高為150 A/1 200 V級(jí)。芯片為16腳貼片封裝，CMOS/TTL兼容，500 ns開關(guān)速度，內(nèi)部光學(xué)隔離，帶故障反饋輸出，采用軟關(guān)斷技術(shù)，集成過流，欠壓保護(hù)，是一款簡單易用的智能型IGBT驅(qū)動(dòng)光耦。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

直流電壓采樣通過對(duì)直流側(cè)電解電容兩端電壓進(jìn)行采樣，采樣后電壓送入單片機(jī)PC1對(duì)應(yīng)的第9引腳，該通道設(shè)置為注入通道。

STM32單片機(jī)采用ARM先進(jìn)的Cortex-M3內(nèi)核，具有出色的控制功能和強(qiáng)大的外設(shè)，ST提供了完整、高效的開發(fā)工具和庫函數(shù)，使程序開發(fā)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(jìn)中進(jìn)行修改。

系統(tǒng)主程序中，首先要進(jìn)行單片機(jī)初始化，初始化主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置、定時(shí)器的設(shè)置、中斷系統(tǒng)的設(shè)置、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)置等。主程序流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)初始化后，程序運(yùn)行過程中需要對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，電壓過零的處理、并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行滯環(huán)電流的控制。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，為消除隨機(jī)誤差造成的影響，采用數(shù)字濾波的方式進(jìn)行平均值濾波。滯環(huán)電流控制中，當(dāng)采樣電流與設(shè)定電流之差大于滯環(huán)寬度的一半，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)管切換以減小電流誤差；當(dāng)采樣電流與設(shè)定電流之差在滯環(huán)寬度的一半范圍內(nèi)，原驅(qū)動(dòng)狀態(tài)維持不變。因此，最終控制電流為圍繞設(shè)定電流且限定在滯環(huán)環(huán)寬內(nèi)的包絡(luò)線。當(dāng)電網(wǎng)電壓經(jīng)過上升過零點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行外部中斷的服務(wù)子程序，服務(wù)子程序中設(shè)置IGBT交流側(cè)等效電壓的相位。這樣在每個(gè)周期都進(jìn)行相位的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓的同步。中斷子程序如圖7所示。

圖5 PWM整流電路驅(qū)動(dòng)電路

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)了以STM32F103RTB6為控制核心的滯環(huán)控制電壓型PWM整流電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，電路參數(shù)輸入交流電壓220 V，經(jīng)變壓器后變?yōu)?2 V交流，頻率為50 Hz，直流側(cè)電壓設(shè)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(shè)定，模擬四象限運(yùn)行，測得電網(wǎng)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(wǎng)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(huán)規(guī)律變化。圖8（b）中，使電網(wǎng)電壓與輸出同相，為模擬純阻性負(fù)載特性時(shí)時(shí)的情況；圖8（c）中，電網(wǎng)電壓超前于輸出電流45度，為模擬阻感性負(fù)載特性時(shí)的情況，圖8（d）中，電網(wǎng)電壓滯后于輸出電流45度，為模擬阻容性負(fù)載時(shí)的情況。由圖可看出，模擬阻感或阻容性負(fù)載時(shí)，輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率一致，且波形保持純正弦，電流波形呈滯環(huán)規(guī)律變化，較好的實(shí)現(xiàn)了PWM整流電路的四象限運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)論

PWM整流電路通過滯環(huán)電流控制，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流正弦化且運(yùn)行于單位功率因數(shù)，甚至能量可雙向傳輸，真正實(shí)現(xiàn)了“綠色電能變換”。因此，在新型UPS以及太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等方面，PWM整流電路將有更為廣泛和更為重要的應(yīng)用。

[1]張興，張宗巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]霍姆斯，利波.電力電子變換器PWM技術(shù)原理與實(shí)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(fù)載變換器研究 [D].南京：南京航空航天大學(xué)，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(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)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(shè)計(jì)方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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(hào)：201508018

陜西省教育廳2014年科學(xué)研究計(jì)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。