三相電流型 PWM 整流器是一種能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)且能量雙向流動(dòng)的綠色電能變換器，但在寬負(fù)載范圍變化情況下實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的能力卻有限。本文針對(duì)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的能力，首先基于時(shí)域方法，分析了三相電流型 PWM 整流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的條件，得出實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)時(shí)網(wǎng)側(cè)濾波器與直流側(cè)電流和調(diào)制比之間的關(guān)系。為拓寬單位功率因數(shù)工作范圍提供了依據(jù)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了文中分析的正確性。

　　1.引言

　　大功率高速電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合， 如風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)等。傳統(tǒng)的高速場(chǎng)合通常是由低轉(zhuǎn)速電機(jī)為基礎(chǔ)， 通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速輸出。目前，隨著開(kāi)關(guān)器件容量和頻率的提高、以及高速電機(jī)的發(fā)展，已可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到高速需求。 省去機(jī)械傳動(dòng)裝置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、效率高、成本低和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[1]。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有電壓源型和電流源型兩種基本類(lèi)型[7]。與電壓源型傳動(dòng)系統(tǒng)相比，大功率電流源型傳動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 很好的電機(jī)電樞電流波形、 四象限運(yùn)行能力和可靠的故障保護(hù)能力等特點(diǎn)[5]。三相電流型 PWM 整流器(CSR)作為大功率電流源型傳動(dòng)系統(tǒng)中的網(wǎng)側(cè)變換器， 它必須滿足電網(wǎng)對(duì)用電設(shè)備的要求， 主要是網(wǎng)側(cè)電流畸變率和輸入功率因數(shù)[4]。

　　對(duì)于網(wǎng)側(cè)電流畸變率問(wèn)題，主要是由 PWM 調(diào)制方式、開(kāi)關(guān)頻率以及網(wǎng)側(cè)濾波器 LC 的設(shè)計(jì)決定;而對(duì)于輸入功率因數(shù)則主要是由 CSR內(nèi)在實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的能力和控制方法決定的。其中 LC 濾波器對(duì)網(wǎng)側(cè)電流諧波和功率因數(shù)有直接影響。文獻(xiàn)[2]對(duì)網(wǎng)側(cè)濾波器 LC 設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的研究， 得出濾波器應(yīng)對(duì)與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的諧波有很大衰減， 且應(yīng)保證在電網(wǎng)基頻處不存在諧振現(xiàn)象。 而文獻(xiàn)[3]更進(jìn)一步， 不僅分析電網(wǎng)本身諧波和直流側(cè)電流紋波對(duì) LC 濾波器設(shè)計(jì)的影響，還詳細(xì)地給出LC 濾波器的設(shè)計(jì)流程。對(duì)于實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的能力，文獻(xiàn)[2]在 dq 坐標(biāo)系下對(duì)其進(jìn)行了分析，得出其對(duì)網(wǎng)側(cè)濾波器中電容值的限定。通常對(duì)于 CSR 的研究是建立在輸出電流恒定或變化范圍小的基礎(chǔ)上， 而對(duì)于對(duì)直流側(cè)電流寬范圍變動(dòng)情況下的研究相對(duì)較少[9],[10]。

　　本文從時(shí)域角度深入討論了三相電流型PWM 整流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的工作原理，并且分析研究了網(wǎng)側(cè)濾波器參數(shù)與電路輸出特性之間的聯(lián)系， 并給出了相應(yīng)的關(guān)系和設(shè)計(jì)要求。對(duì)于在實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的條件下，討論了直流側(cè)電流取值和調(diào)制比范圍的要求， 為提高直流側(cè)電流變化范圍提供參考依據(jù)。 仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析的正確性。

　　2. 三相電流型 PWM 整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行能力的分析

　　2.1 三相電流型 PWM 整流器的電路等效[6]

　　三相電流型 PWM 整流器電路如圖 1 所示。 該電路由網(wǎng)側(cè)濾波器LC、 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò) (T1~T6)和直流側(cè)儲(chǔ)能電抗 Ldc組成。其中 Ea，Eb，Ec為三相輸入電源電壓;isa，isb，isc為網(wǎng)側(cè)電流;ipa，ipb，ipc為整流器交流側(cè)輸入電流;ica，icb，icc為三相交流濾波電容上的電流;Ra，Rb，Rc為電感的等值電阻與電源內(nèi)阻之和;R 為電阻負(fù)載。其中 LC 濾波器的兩個(gè)基本作用：其是輔助整流器中的功率器件進(jìn)行換相; 其二是　濾除進(jìn)線電流諧波。 它的設(shè)計(jì)不僅決定輸入電流的諧波含量，還決定了輸入功率因數(shù)的大小。

　　對(duì)圖 1 進(jìn)行分析， 可以將開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效，等效到交流側(cè)為受控電流源，而等效到直流側(cè)為受控電壓源，如下圖 2 所示。

　　為了便于對(duì)三相電流型 PWM 整流器進(jìn)行分析，作出如下假設(shè)[2]：

　　(1) 三相電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)平衡且其波形為純正弦;

　　(2) 三相交流濾波電感相等 La=Lb=Lc=L;

　　(3) 交流、 直流側(cè)濾波電感均為線性的，且不考慮飽和;

　　(4) 忽略開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的開(kāi)關(guān)損耗折合到負(fù)載電阻 R 上。根據(jù)以上假設(shè)可以得出三相電流型 PWM整流器的電網(wǎng)中性點(diǎn)n和濾波器C網(wǎng)絡(luò)的中性點(diǎn) N 為等電勢(shì)點(diǎn)。即可得出三相電流型 PWM整流器中一相的等效電路圖如圖 3 所示(以 a相為例) 。

　　3.實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的條件