電壓源型PWM整流器的研究與設(shè)計

耿洋，王鵬

(中機(jī)十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471000)

1 引言

PWM整流器已不是傳統(tǒng)上的AC/DC變換器。由于PWM整流器可實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸，當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài);而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運(yùn)行于有源逆變工作狀態(tài)。隨著電力電子器件不斷發(fā)展及控制芯片性能的不斷提高，實(shí)現(xiàn)雙PWM的變頻器已成為發(fā)展趨勢。目前，逆變部分在電機(jī)控制上已非常成熟。因此，研究整個系統(tǒng)的控制關(guān)鍵在于整流部分［1］。本文首先介紹了單相電壓源型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并在其基礎(chǔ)上給出了三相電壓源型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡單分析了其工作原理，建立了三相電壓源型PWM整流器在d、q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，介紹了三相電壓源型PWM整流器的電壓空間矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計。并建立了數(shù)學(xué)模型，提出了基于固定開關(guān)頻率的SVPWM電流控制，并對三相電壓源型PWM整流器整個系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明，本文所采用的電壓空間矢量控制策略是可行的，可以使三相電壓源型PWM整流器實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行，能量雙向流動，節(jié)約了大量電能。

2 電壓源型PWM整流器基本結(jié)構(gòu)

2.1 單相全橋電壓源型PWM整流器基本結(jié)構(gòu)

單相全橋電壓源型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢e以及網(wǎng)側(cè)電感L等，電感在這里起著傳遞能量、限制諧波電流和平衡電網(wǎng)電壓與橋臂終端電壓的關(guān)系等作用;直流回路包括負(fù)載電阻R，其中電容為高次諧波電流提供低阻抗通路;功率開關(guān)管橋路由電壓源型H橋路組成。

圖1 單相全橋電壓源型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 三相電壓源型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相電壓源型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括交流側(cè)的電感、電阻、直流輸出電容以及由全控開關(guān)器件和續(xù)流二極管組成的三相半橋電路，ua、ub、uc為電源電壓，L為交流側(cè)濾波電感，用來濾除網(wǎng)側(cè)電流的諧波，電阻R為濾波電感L的等效電阻和功率開關(guān)管損耗等效電阻的合并，RL為負(fù)載的電阻。

圖2 三相電壓源型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 三相電壓源型PWM整流器工作原理

與單相全橋 PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，三相PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中主電路多了一相橋臂。對于單相電壓源型整流器的單極性PWM過程，只需對兩相橋臂施加幅值、頻率相等，而相位相差180°的正弦波調(diào)制信號即可。與單相全橋電壓源型整流器相似，三相電壓源型整流器則需對三相橋臂施加幅值、頻率相等，而相位互差120°的三相對稱正弦波調(diào)制信號，電路工作原理和前述的單相全橋電路相似。在穩(wěn)態(tài)工作時，三相電壓源型整流器輸出直流電壓不變，開關(guān)器件在PWM控制下開通或關(guān)斷，由于輸入電感的濾波作用，忽略三相電壓源型整流器交流網(wǎng)側(cè)電壓的諧波，可以把網(wǎng)側(cè)交流電壓看成是可控的正弦三相電壓源。與單相全橋電壓源型整流器工作原理相同，只考慮輸出的基波電壓的作用，適當(dāng)調(diào)節(jié)整流器交流側(cè)可控交流電壓矢量的幅值和相位，就可以獲得所需幅值和相位的輸入電流［2］。

3 電壓源型PWM整流器數(shù)學(xué)模型

本文研究的電壓源型PWM整流器數(shù)學(xué)模型是在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)下給出的。(d，q)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型需要將三相靜止對稱坐標(biāo)系(a，b，c)變換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)，其突出優(yōu)點(diǎn)是將三相靜止對稱坐標(biāo)系(a，b，c)中的基波正弦變量變成坐標(biāo)系(d，q)中的直流變量。在三相電路中，兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)中的q軸分量常表示有功分量，而d軸分量常用于表示無功分量，如圖3所示。

在三相靜止對稱坐標(biāo)系(a，b，c)中，E、I分別表示三相電網(wǎng)電動勢矢量和電流矢量，并且E、I以電網(wǎng)基波角頻率逆時針旋轉(zhuǎn)，為簡化分析，將q軸按矢量E定向，E矢量方向的電流分量Iq定義為有功電流，而比矢量E滯后90°相角的軸方向電流分量Id定義為無功分量。可以推導(dǎo)出三相電壓源型整流器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)下的數(shù)學(xué)模型為:

圖 3 坐標(biāo)系(d，q)、(a，b，c)及矢量分解

4 電壓源型PWM整流電路控制策略

三相電壓源型PWM整流器的控制方法分為兩種:沒有引入交流電流反饋的間接電流控制和引入了交流電流反饋的直接電流控制。間接電流控制主要是相位幅值控制，直接電流控制有電流滯環(huán)控制、電流差與三角波比較控制、電壓空間矢量調(diào)制控制、瞬時功率平衡控制等。另外還有為了有目的地抑制某些諧波而提出的最優(yōu)PWM控制方法等。本文采用的是電壓空間矢量調(diào)制控制。

4.1 電壓空間矢量控制理論

電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制策略是依據(jù)變流器空間電壓(電流)矢量切換來控制變流器的一種新穎思路的控制策略。空間矢量PWM控制策略是早期針對交流電動機(jī)變頻驅(qū)動而提出的，其主要思路在于拋棄了原有的正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)，更加直接地控制了交流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，使得在靜態(tài)和暫態(tài)期間采用逆變器空間電壓矢量的切換以獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，使交流電動機(jī)獲得了較SPWM控制更好的性能，其主要表現(xiàn)在:SVPWM提高了電壓源型逆變器的電壓利用率和電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能，同時還減小了電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動等。將SVPWM應(yīng)用于三相電壓源型整流器控制之中，主要繼承了SVPWM電壓利用率高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)［3］。

4.2 電壓空間矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

三相電壓源型整流器采用基于固定開關(guān)頻率的SVPWM電流控制，即利用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)中電流調(diào)節(jié)器輸出的空間電壓矢量指令，再采用SVPWM使PWM整流器的空間電壓矢量跟蹤電壓矢量指令，從而達(dá)到電流控制的目的。針對直接電流控制，采用雙閉環(huán)(電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán))控制的設(shè)計思路，采樣網(wǎng)側(cè)電流瞬時值，通過3s/2r坐標(biāo)變換得到網(wǎng)側(cè)電流的有功分量和無功分量，直接控制網(wǎng)側(cè)電流的相位和幅值。在三相電壓源型整流器設(shè)計中，主電路交流側(cè)電感L和直流側(cè)電容C的選擇對整個整流器各方面性能的影響都是至關(guān)重要的。

三相電壓源型整流器控制框圖如圖4所示。圖中，La、Lb、Lc是網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電感，ia、ib、ic是網(wǎng)側(cè)實(shí)際三相電流值，Udc、分別為直流側(cè)電壓檢測值和給定值，兩者的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，輸出有功分量電流指令值i*q，因?yàn)檠芯康氖菃挝还β室驍?shù)整流和逆變，所以無功分量電流指令值i*d=0，網(wǎng)側(cè)實(shí)際檢測電流值ia、ib、ic經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換輸出d、q坐標(biāo)系下的d軸和q軸實(shí)際電流分量id和iq，分別和電流指令值和做差，得到的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)輸出d、q坐標(biāo)下的指令電壓值和，再經(jīng)過dq/αβ坐標(biāo)逆變換得到αβ坐標(biāo)下的指令電壓值，，通過對A相相位的和SVPWM控制算法輸出功率管的控制脈沖［4］。

圖4 三相PWM整流器電壓定向矢量控制框圖

5 電壓源型PWM整流器仿真

通過建立仿真模型，構(gòu)造三相電壓源型PWM整流器仿真圖，如圖5所示。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為:三相交流側(cè)電源電壓有效值為220V，頻率為50Hz;直流側(cè)給定為620V，直流側(cè)反電動勢為220V，直流側(cè)支撐電容為605uF，直流負(fù)載為40;交流側(cè)電感為9mH，交流側(cè)電阻為0.5;開關(guān)頻率為10kHz。

圖6～圖9為SVPWM控制的三相電壓源型PWM整流器整個系統(tǒng)仿真結(jié)果波形。

圖5 三相電壓源型PWM整流器仿真圖

圖6 整流時網(wǎng)側(cè)A相電壓和電流波形

圖7 有源逆變時網(wǎng)側(cè)A相電壓和電流波形

圖8 從整流到逆變狀態(tài)時A相電壓和電流波形

圖9 整流到逆變狀態(tài)時直流側(cè)電壓波形

由以上仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)PWM整流器穩(wěn)定運(yùn)行在同步整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電流與電壓相位基本一致，且網(wǎng)側(cè)電流波形的正弦度較好，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，能量從電網(wǎng)傳向負(fù)載。當(dāng)PWM整流器穩(wěn)定運(yùn)行在有源逆變狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電流與電壓相位相反，且網(wǎng)側(cè)電流波形的正弦度較好，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近－1，能量從負(fù)載傳向電網(wǎng)。

6 結(jié)束語

三相電壓源型PWM整流器是目前電力電子領(lǐng)域中廣泛研究的課題之一。采用電壓空間矢量控制可使PWM整流器具有輸入電流正弦性好，高功率因數(shù)等特性。本文通過對電壓源型PWM整流器進(jìn)行深入分析，提出數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析，可以看出采用電壓空間矢量控制實(shí)現(xiàn)電壓源型PWM整流器的可行性，為電壓源型PWM整流器的設(shè)計與使用提供了參考。由于仿真是在理想條件下進(jìn)行，而實(shí)際上系統(tǒng)的情況較復(fù)雜，因此，工程參數(shù)通過調(diào)試應(yīng)進(jìn)一步修正。

［1］ 武志賢，蔡麗娟，湯酉元.三相高功率因數(shù)整流器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.電氣傳動，2005.

［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，2003.

［3］ 熊健，康勇，等.三相電壓PWM整流器控制技術(shù)研究［J］.電力電子技術(shù)，1999.

［4］ 李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.