三相整流器在三相靜止坐標(biāo)下的技術(shù)研究

吳 特，李 權(quán)，譚 健，鄧鈞韜，榮 軍,2

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三相整流器在三相靜止坐標(biāo)下的技術(shù)研究

吳 特1，李 權(quán)1，譚 健1，鄧鈞韜1，榮 軍1,2

（1.湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414006；2. 復(fù)雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 岳陽(yáng) 414006）

闡述了三相電壓型PWM整流器的工作原理，推斷了其在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)理論分析得出三相電壓型PWM整流器在低頻時(shí)是解耦的，而在高頻時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行解耦，因此增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。論文最后在MATLAB/Simulink中對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明理論分析完全正確。

三相整流器 靜止坐標(biāo)系 解耦 仿真

0 引言

三相電壓型PWM整流器廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源以及直流電機(jī)供電電路中，其本身是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，在低頻和高頻其特性不同，因此設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)也比較繁瑣和復(fù)雜[1][2]。正是基于這方面的原因，本文通過(guò)建立了三相電壓型PWM整流器在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其在低頻和高頻的性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出了工作頻率在不同情況下系統(tǒng)的工作特性，最后在MATLAB/Simulink中的對(duì)其理論分進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 三相電壓型整流器的工作原理

三相電壓型PWM整流器由網(wǎng)側(cè)電路、整流器、中間電路以及PWM控制器組成，其工作電路圖如圖1所示[3]。三相交流輸入電路采用星型連接，目的是防止諧波串入。變換電路采用全控器件進(jìn)行控制，每個(gè)全控器件反向并聯(lián)一個(gè)二極管，為能量流通提供回路。圖1中的三相電壓型PWM整流器工作在升壓變換工作狀態(tài)，通過(guò)電感充放電才能工作。

2 三相電壓型整流器在三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)三相電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c）中根據(jù)電路相關(guān)知識(shí)可以建立其數(shù)學(xué)模型，其三相電壓型PWM整流器簡(jiǎn)化模型如圖2所示[4] [5]。

整流器三相輸入端相電壓分別為:

又因?yàn)椋?/p>

由于電網(wǎng)輸入為三相對(duì)稱理想正弦電壓，所以有式（4）：

由式（2）、（3）和（4）聯(lián)立可得：

同樣可得：

三相電壓型整流器交流側(cè)電壓滿足式（7）：

三相電壓型整流器直流側(cè)滿足式（8）：

由式（8）可知，三相電壓型PWM整流器是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，但是通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)其頻率不高的時(shí)候，變換器的電容中點(diǎn)電位等于電網(wǎng)中點(diǎn)電位，此時(shí)變換器在頻率較低的時(shí)候是可以解耦的，因此適合研究。另外，變換器在頻率取得較大的時(shí)候，此時(shí)電容中點(diǎn)電位不等于電網(wǎng)中點(diǎn)電位，出現(xiàn)電位差，變換器是一個(gè)耦合系統(tǒng)，因此需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦，特別是在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)就顯得比較復(fù)雜[7]。

3 仿真結(jié)果及其分析

為了驗(yàn)證三相電壓型PWM整流器在三相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型的正確性，在Matlab/Simulink中對(duì)其進(jìn)行了建模和仿真[8]，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。其中圖3為三相（a相、b相和c相）輸入電壓和輸入電流仿真波形，可以清楚地知道輸入電流跟隨輸入電壓，變換器功率因數(shù)較高。圖4為整流器輸出電壓仿真波形，輸出電壓很快穩(wěn)定在110 V左右，而且?guī)缀鯖](méi)紋波電壓，說(shuō)明電壓輸出質(zhì)量高，可以說(shuō)明三相電壓型整流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型完全正確。

圖3 三相電壓型PWM整流器三相輸入電壓和輸入電流仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析三相電壓型整流器電路工作原理的基礎(chǔ)上，推斷了其在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并得出其在在頻率比較低的時(shí)候，三相電壓型PWM整流器是解耦的，而在頻率比較高的時(shí)候，三相電壓型PWM整流器是互相耦合的，最后通過(guò)Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，為其實(shí)際控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

圖4 三相電壓型PWM整流器直流側(cè)輸出電壓

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Technology Research on Three-phase Rectifier in Three-phase Stationary Coordinate

Wu Te1, Li Quan1, Tan Jian1, Deng Juntao1, Rong Jun1,2

（1. Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China; 2. Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics System, Yueyang 414006, Hunan, China)

TM46

A

1003-4862（2018）01-0013-03

2017-10-15

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助（2016TP1021）和2016年岳陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目。

吳特（1997-），男，本科在讀。研究方向：電力電子技術(shù)。