摘 要：由于能源緊缺和環(huán)境污染，電動(dòng)汽車的發(fā)展受到國家的大力支持，其發(fā)展前景十分光明。電動(dòng)汽車充電樁作為電動(dòng)汽車的“加油站”，其對(duì)電動(dòng)汽車普及的重要性不言而喻，而PWM整流器作為電動(dòng)汽車充電樁中重要的一環(huán)，受到了廣泛的關(guān)注。文章對(duì)PWM整流器的原理進(jìn)行了分析，并仿真驗(yàn)證了PWM整流器應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電樁的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞：PWM整流器電動(dòng)汽車

中圖分類號(hào)：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2018）01-0048-03

Study on the Performance of Three Phase Rectifier Used in Electric Vehicle Charging Pile

XU Zheng

（Wuhan University of Technology，School of Automation，Wuhan 430070，China）

Abstract：Due to the shortage of energy and environmental pollution，the development of electric vehicles has been strongly supported by the state，and its development prospect is very bright. Electric vehicle charging pile，as the “gas station” of electric vehicle，is very important for the popularization of electric vehicle. PWM rectifier as an important part of electric vehicle charging pile has been widely concerned. The principle of PWM rectifier is analyzed，and the feasibility and reliability of PWM rectifier used in electric vehicle charging pile is verified by simulation.

Keyword：PWM rectifier electric vehicle

0 引 言

隨著人類的發(fā)展，人們不得不重視日益突出的能源與環(huán)境問題，而電動(dòng)汽車以電能為動(dòng)力，既可以解決燃油汽車尾氣排放的污染問題，又可以減少對(duì)化石能源的消耗。因而逐漸受到青睞，現(xiàn)在電動(dòng)汽車僅占總體汽車的0.2%，有很大的發(fā)展前景，而方便快捷的充電設(shè)施能極大的促進(jìn)電動(dòng)汽車的普及和推廣[1]。

目前電動(dòng)汽車的充電設(shè)施根據(jù)充電電壓可以分為交流充電和直流充電。與交流電相比，直流電的充電效率更高，也是未來電動(dòng)汽車充電樁的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車充電樁通常采用的是不控整流，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但整流的同時(shí)也將大量的諧波污染帶到了電網(wǎng)中，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行造成了危害。而采用全控開關(guān)管的三相PWM整流器由于其具有網(wǎng)側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)可控、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、能量的雙向傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電樁的前端整流模塊中。

1 PWM整流器原理概述

研究整流器控制策略，首先需要理解PWM整流器的工作原理。從電力電子技術(shù)誕生的近半個(gè)世紀(jì)來看，整流器是較早應(yīng)用的一種交流變直流的變流裝置。隨著電力電子半導(dǎo)體器件的發(fā)展，二極管、晶閘管、門極關(guān)斷功率開關(guān)管等電力電子器件開始應(yīng)用于電力電子裝置中，整流器經(jīng)歷了由不控整流、相控整流最后到PWM整流器的發(fā)展歷程。

由于模型電路結(jié)構(gòu)清晰而且可以代表任意形式的整流器，所以通過分析整流器的工作原理和控制原理。如圖1所示[2]，PWM整流器模型由三部分組成，第一部分為交流回路，包括交流電動(dòng)勢(shì)e和網(wǎng)側(cè)電感L等；第二部分為功率開關(guān)管橋路，功率開關(guān)管橋路可以由電壓型或者電流型橋路組成；第三部分為直流回路。

通過上式可以理解：若想控制電路的直流側(cè)可以采取控制電路交流側(cè)的方式來實(shí)現(xiàn)，所以接下來對(duì)模型電路的交流側(cè)進(jìn)行分析。為了簡(jiǎn)化分析，我們對(duì)PWM整流器模型電路做出幾點(diǎn)假設(shè)：（1）忽略掉PWM的高次諧波分量只考慮基波分量；（2）不考慮交流側(cè)電路。

這樣從圖2中分析：將電網(wǎng)的電壓矢量E作為參考量時(shí)，可以通過控制交流側(cè)的電壓矢量V來實(shí)現(xiàn)PWM整流器的四象限運(yùn)行。若假設(shè)|I|不變，那么可以得出|VL|=ωL|I|也固定不變，在這種情況下，PWM整流器功率橋的電壓矢量V端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成了一個(gè)圓。A、B、C、D四點(diǎn)分別代表著PWM整流器四象限運(yùn)行的四個(gè)特殊狀態(tài)點(diǎn)，通過進(jìn)一步分析，可以得到PWM整流器四象限運(yùn)行規(guī)律如下[3]：

（1）如圖2（a）所示，當(dāng)電壓矢量V運(yùn)行于圓弧AB上時(shí)，電路處于整流狀態(tài)。此時(shí)的PWM整流器從電網(wǎng)吸收有功功率及無功功率，PWM整流器從電網(wǎng)將電能傳輸?shù)街绷鞫素?fù)載。當(dāng)PWM整流器運(yùn)行狀態(tài)為A點(diǎn)時(shí)，PWM整流器則從電網(wǎng)中只吸收無功功率；運(yùn)行狀態(tài)為B點(diǎn)時(shí)，不僅從電網(wǎng)中吸收有功功率，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流控制。

（2）如圖2（b）所示，當(dāng)電壓矢量V運(yùn)行于圓弧BC上時(shí)，電路處于整流狀態(tài)。此時(shí)的PWM整流器需從電網(wǎng)吸收有功及無功功率，PWM整流器從電網(wǎng)將電能傳輸?shù)街绷鞫素?fù)載。當(dāng)PWM整流器運(yùn)行至C點(diǎn)時(shí)，PWM整流器則從電網(wǎng)只吸收無功功率，不吸收有功功率。

（3）如圖2（c）所示，當(dāng)電壓矢量V運(yùn)行于圓弧CD上時(shí)，電路處于逆變狀態(tài)。此時(shí)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及無功功率，PWM整流器從直流側(cè)將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。當(dāng)PWM整流器運(yùn)行狀態(tài)為D點(diǎn)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

（4）如圖2（d）所示，當(dāng)電壓矢量V運(yùn)行于圓弧DA上時(shí)，電路處于逆變狀態(tài)。此時(shí)，PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，PWM整流器從直流側(cè)將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

3 整流器的設(shè)計(jì)與仿真

三相整流器的設(shè)計(jì)與仿真，如圖3、圖4、圖5所示。圖3、圖4分別為三相整流器的電路仿真拓?fù)鋱D和三相整流器的控制器的電路仿真拓?fù)鋱D，圖5為本文的仿真波形圖，包含輸入電壓、輸出電壓、輸出電流。本文采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三相電壓型整流器，通過電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)進(jìn)行控制，根據(jù)輸入到DSP處理器模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理計(jì)算，通過空間矢量脈寬調(diào)制算法，計(jì)算得出占空比，生成六路PWM波輸入到帶保護(hù)的開關(guān)管模塊，產(chǎn)生六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，作用三相整流器開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和降壓功能并輸出需要的電壓值[4]。輸入電網(wǎng)交流電壓為380V，通過整流的輸出直流電壓為580V，輸出電流為26A，后面可再接DC/DC電路進(jìn)行調(diào)壓，可以達(dá)到電動(dòng)汽車需要的充電直流電壓。

4 仿真結(jié)果分析

通過MATLAB里面的simulink對(duì)三相整流器進(jìn)行建模仿真，根據(jù)其波形可以得出，三相PWM整流器在實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時(shí)，其輸入諧波含量小，能夠減少其對(duì)公共電網(wǎng)的諧波污染，并且還可以對(duì)公共電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，降低公共電網(wǎng)的無功功率，非常適用于電動(dòng)汽車充電樁的前端整流裝置。

5 結(jié) 論

本文在對(duì)三相PWM整流器的工作原理進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上，通過MATLAB中的simulink模塊對(duì)其進(jìn)行建模仿真，根據(jù)其仿真結(jié)果，驗(yàn)證了三相PWM整流器應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電樁前端整流裝置的可行性與可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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[4] 張瑞，劉浩，魏克新.三相PWM整流器基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流控制方法 [J].電源技術(shù)，2016（3）：649-651+739.

作者簡(jiǎn)介：徐錚（1994.09-），男，湖北孝感人，武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生。研究方向：三相整流器。