基于零矢量控制的单位功率因数单相输入系统.doc

中南大学信息与工程学院 姓名： 学号： 课程：电力系统建模与仿真 老师： 基于零矢量控制的单位功率因数单相输入系统jun-ichi itoh和kouetsu fujita摘要：本文提出两种新电路，实现了输入功率因数为1的单相转三相，负载为电机的变频电路。电源与电机的中性点相连，三相逆变器也被三相逆变器的零矢量控制成为ac/dc整流电路的一个虚拟桥臂。这两个电路的主要特点如下所示：l 不需要感性元件。l 与传统拓扑相比，开关器件数量大大减少。l 由于整流器电流流经电机绕组，其电流增加。全桥电路能用与传统半桥电路一样的开关器件数量搭成，且不需要有中点的电容桥臂。本文中，提出的全桥型电路用750w的感应电机作负载用实验测试过，达到本文提出的性能要求。关键词：大容量整流器，输入谐波，三相逆变器，零相序，零矢量1. 简介实现单相到三相变换最简单的方式就是将一个ac/dc整流器接入一个三相逆变器。近来，我们研究对大容量ac/dc整流器降低谐波电流含量进行了研究。通常只有两种类型的ac/dc整流器能够将负载能量反馈给电源，一种就是所谓的全桥ac/dc整流器，它有四个开关器件，因此造价昂贵。全桥整流器的两个开关器件被两个电容取代后，就成为了半桥整流，它的主要优点就是便宜，因为减少了开关器件，但与全桥整流器相比，它的容量增加了，这也是因为含有电压中性点的电容的取代。半桥和全桥整流器都需要一个输入电感，它的大小主要由系统决定的。传统的三相逆变器，由三个桥臂组成，每个桥臂有两个开关器件。然而，当问题是单相向三相的转变时，整流阶段与逆变阶段揉合在一起，这样导致了在无损其性能的情况下减少开关器件，来达到降低成本。其中一种方法是如图1和2所示。用半桥整流来代替全桥整流，三相逆变的一个桥臂用电容来代替，只需要六个开关器件，但会带来相对高的输出电流纹波，因为改变后的逆变器只能产生四个电压空间矢量。总之，开关器件必须能够承受两倍的输出线电压。本文提出了两个新电路，均能够减少开关器件的数量，并保持一个稳定的输入因数。在这两个电路中，输入电源与负载的中性点相连。关键点在于通过控制逆变器的零向量把逆变器的桥臂当作ac/dc整流器的一个桥臂来使用。全桥类型的电路已经通过仿真并且用一个750w的感应电机作为负载测试过了。结果表明从输入功率因数和输入电流失真来说的整流器的效率。2. 传统电路图1显示了一个传统的单相到三相电路电路，它由单相全桥ac / dc变换器和三相电路逆变器级联连接。这个电路的有五个桥臂，每一个由两个开关器件串联而成。电抗器与单相电源串联在一起，输入应用于全桥ac / dc变换器桥臂的中心点。电源电流控制是由全桥ac / dc变换器正弦中央点，而电机的输入电压控制由脉冲宽度调制（pwm）inverter.这两个控制行动是独立的，一个大电容在直流环节脱钩插入。随着降低成本，全桥交流的目的/ dc转换换器可以被替换为半桥如图2所示。然而，更便宜的解决方案在大容量电路中有一个缺点，这是由于带有电压中点的电容桥臂的存在引起的。在任何情况下，输入电抗器是必要的，这进一步增加了系统的规模。图3显示了传统的电路概念。ac / dc整流器的控制显然是区别于逆变器控制。3. 新的电路a.新电路 1全桥类型三相逆变器有八种开关状态与八种输出电压空间矢量对应。特别地，存在两种矢量为负载产生零线电压，与之相对应的是输出电压空间矢量称之为零矢量。当然，这种两个零矢量就产生的线电压的效果来说是等效的，但是产生的电压是不同的，即负载星形连结中点与dc环节的电压中点之间的电压。可由下式得出： 当所有的上桥臂全打开时； 当所有的下桥臂全打开时；上式中的就是dc环节的电压。因此，负载中点电压能够通过正确地运用零矢量来控制。本文中，通过控制逆变器的零矢量，逆变器的桥臂有一个额外的功能作为ac/dc整流器的虚拟桥臂。图4显示了新的单相到三相电路的变换电路。这个电路由一个电机，一个三相逆变器和一个额外的桥臂组成，有如图1和2中所示的ac/dc整流器的功能。电源直接与电机的中性点相连。这样做，输入电抗器就多余了，因为它被电机的漏感所取代了。由于电源直接与负载相连，电源的输入电流与输出电压的控制动作就不再是独立的了。逆变器与ac/dc整流器如图5所示耦合在一起了。假设负载对称，电机的相电流，如下所示： （1）式中， ，指传统电机模型中的电流 指电源电流它可能指出了电源电流怎么是一个零电流。 在合理地假设电机u-v-w三相定子对称的分析过程中，零电流流进定子中并不会产生电磁转矩，因此可能会被视为铜损耗的相对增加作为其它一些优点的补偿，比如：造价和尺寸的减少。图6的a和b分别显示了正序和零序的新拓扑图的等价电路。在正序电路中，电源电压并没有出现，因为它是一个零序电压，它的等价电路与传统逆变器的拓扑是一样的。当虑及零序，电机就相当一个简单的电抗器（漏感），逆变器就可视为一个单桥臂拓扑。因此，零序等价电路与传统的单相全桥拓扑相同，它的左桥臂的控制方法如以往一样，而它的右桥臂如图6,b所示，通过为图4中的逆变器选择合适的零矢量来控制。通过比较图1和图6，当把电机的漏感当作全桥ac/dc整流器的输入电抗时，它们是等效的。尽管减少了开关器件的数量，我们还是实现这种等价，也得了一个在个非常简单的ac/dc整流器。由于新电路采用了零矢量来控制电源电流，它比传统电路需要更高的dc环节电压。逆变器的参考dc环节中性点的输出电压和如下式所示：式中，a 表示传统电机电压的幅值率，0a1; 表示电机中性点电压（零序电压）； 表示逆变器输出频率逆变器的线电压如式（3）：传统的逆变器应用pwm调制，要得到最大的输出线电压（rms），则dc环节电压应满足：与此同时，在新电路中，每一个桥臂都用来控制电源电流。定义作为ac/dc整流器桥臂的中性点与dc环节的电压中性点之间的电压，则电机的中性点的电压为：式中： 是电源电压（rms） 是电源频率。逆变器u相的输出电压为：其它相电压的表达式与此一样。与之间的电压可以通过输出线电压与电源电压算出：由于与都是以dc环节中性点的电压为参考点的，它们很明显数值上必定要小于。所以，（7）式成为dc环节电压的一个限制条件来控制输入电流。总之，新电路的dc环节电压必须同时满足式（4）和式（8），它们两个一起推出下面的一个限制式：b. 新电路2 半桥类型同样的概念能够应用于图2所示的用半桥ac/dc整流器的单相输入系统，推出图7所示的整流器。带中性点的容性桥臂与图2所示的传统单相半桥ac/dc整流器相对应。新电路2非常简单，因为它仅用了六个开关器件和两个电容。在这种情况下，电源电流可以通过在逆变器调制中插入恰当的零矢量来控制。然而，这个电路需要一个dc环节电压，它是所新的全桥整流器的一个桥臂的电压的两倍。实际上，由于没有控制对象，整流器的桥臂电压总是为0。从式（7）可以得出对于作为控制电源电流的一个固定的逆变器输出电压，它的最小dc环节电压如式（10）所示：c.传统电路与新的全桥类型电路的比较表1显示了图1所示的传统电路与图4所示的新电路之间的比较。电源电压是100v（日本单相电压标准），逆变器输出电压为200，负载电机功率为750w。表1的数据是在假设整个系统的效率为80%的情况下计算所得：新电路的优缺点总结如下：优点：1. 不需要输入电抗器；2. 开关器件减少了两个；3. 所有开关器件的损耗降低了20%；缺点：1. 电机电流增加了32%；输入为100v的电源，输出为200v的系统，第一个约束条件式（9）占主要地位，关于所需要的dc环节电压，新电路与传统电路没有任何区别。电机电流的增加的引起电机温度的升高（额外的铜损耗）。新电路需要一个特制的电机来引出定子的中性点和降低主要的铜损耗。当电源电压为200v时，若输出电压设为200v，则式（9）的第二行成为主要的约束条件，新电路的dc环节电压则需要450v。然而，在这种情况下，电机电流的增加仅仅降低了9%。尽管增加了电流，但传导损耗降低了。这是因为在电流路径上开关器件的数量减少了。整个开关损耗的粗略计算如附录所示。新电路的一个令人满意的优点是它的极其简单的结构，它结合了使用8个开关器件的优点（图2所示的传统整流器）和避免了带中性点的电容桥臂的需要所带来的优点（图1所示的传统整流器）。总之，不需要输入电抗器，使得整流器受尺寸所限时仍可适用。d. 控制策略图8显示了图4所示的新的全桥类型电路的控制模块图。ac/dc整流器桥臂的参考电压与传统单相ac/dc整流器的相同。电源参考电流通过电压调节器的输出乘以一个与电源同步的正弦波发生器所得结果。acr用来计算dc环节的参考电压。传统的v/f控制器可以保持逆变器的输出电压的幅值与频率的比值不变，它用来产生电机相电压的参考值。零序参考电压然后加到电机输入参考电压上来产生逆变器桥臂的参考值。dc环节的电压尽可能地低，为了降低开关器件的电压。当ac/dc整流器桥臂和每一个逆变器桥臂控制电源电流的时候就应该同时控制降低dc环节电压。而零序电压就被控制在最大值。最大的零序参考电压如式（11）所示：上式右边的第一项就是桥臂的最大电压，同时第二项为逆变器相电压的峰值。因此，从式（9）和式（11），最大的零序参考电压为：因此，零序参考电压为：在电源为100v，输出线电压为200的情况下，电机中性点电压没有特殊零矢量控制下保持为0。由于dc环节的电压要超过电源电压的两倍，ac/dc整流器能像半桥整流器那样控制，电机的中性点担当起dc环节中性点的作用，与两个电容的需求无关。当电源电压为200v，输出线电压为200时，电机中性点电压由式（13）的下行所决定。4 仿真结果图9与图10分别为当电源电压为100v和200v时，半桥型电路的仿真结果。仿真参数如表2所示，电机模型由电阻，漏抗和电机感应电动势电源组成。在仿真过程中，只是为了检测新电路的基本性能，故没有考滤器件的死区时间。图9 输入电压为100时全桥型电路仿真结果可以从电源电压与电流同相位的仿真结果中得出新电路可以做出输入功率因数为1，电源电流几乎为正弦，dc直流环节也没有大的纹波。由传统电机模型中电机电流组成的电机相电流，其频率为33hz，并与50hz的电源电流同相位。然而，从电机相电流中减去1/3的电源电流所得为一正弦电流信号，这意味着由转矩电流产生的正序电流可以通过新电路的控制正弦化。图10中，电机中性点电压由式（13）的二式控制，也说明了为什么dc环节的电压为什么要高于前一事例中的电压。与图9相比，由于输入与dc环节电压都较高，输入电压失真更严重。图10 输入为200v时全桥型电路仿真结果图图11表明了，新半桥型逆变电路的仿真结果，输入为100v和输出线电压为200v。仿真参数如表2所示，仿真结果表明了输入电流由逆变器的零矢量控制。图11 输入为100v时半桥型电路仿真结果图在这个事例中，需求的dc环节电压要高于全桥型电路，因为半桥型电路需要几个零矢量来控制电源电流，因此由开关动作所引起的纹波要比全桥型电路高。5 实验结果图12所示为，电源电压为100v时，全桥型电路所得结果，其开关频率为10khz，电机速度为1000r/min。表3为实验中所使用的电机的参数，也有相似的中性点。电机相电流的波形由于由电源电流所组成的零相电流引起一定程度的失真。然而，实验中的正序电流，即从电机实际电流中减去1/3的电源电流，几乎为正弦，其频率为期望中的33hz。与仿真结果相比，更高的畸变率是由逆变模型的死区时间所引起的。在传统的电路中，由死区所造成的失衡电压与电机电流同相位。在新电路中，电机电流前一个额外的由电源电流构成的频率为50hz的电流，由死区导致的失衡不再与电机电压同相位，而是引起更大的畸变。图13所示的电源电流，两电机电流，正序电流在电源频率与逆变器输出频率均为50hz时所得。实验中的正相序电流基本上为50hz的正弦波，且电源电流也是一个非常标准的正弦波。在这种情况下，电机相电流与电源电流的基波之间的相移基本上是不变的，为一常量，这也就很好的解释了为什么电机的每相电流都是不是一样的，看起来有点失衡。然而，从电机实际电流中去除零相电流（电源电流）后正序电流是平衡的。当电机的某相电流相位几乎与电源电流同相位，电机此相电流就会增加，而其它电流就会减少。然而，这也不代表着电机发热不均衡问题，因为电源频率并不与逆变器输出频率一样，因此，在同一时间内每一相都是过载的。图14所示为逆变器输出频率为40hz时电源电压和电流波形。输入功率因数高，且电源输入电流波形为纯正弦，且电流谐波畸变率低于3%。图15表明了当输出频率为40hz时，电源电流与输入功率因数之间的关系。当负载超过30%时，则输入功率因数则超过99%。ac/dc整流器性能基本是与传统的整流器一样，因为它们都使用了acr控制器。以上实验结果表明了，逆变器与整流器的功能均可通过新电路实现。6 总结本文提出了两种不同的单相变三相的变频器，均用到了三相负载的中性结点。两种电路的特点都是从电源中汲取电流作为零相序电流供给电机。新电路有着非常重要的优点，那就是避免了额外器件的使用，与传统电路相比，更是减少了开关器件的数量。新全桥型电路更是尺寸与成本之间的一个折中，因为它既不使用带中点的电容桥臂也不用输入电抗器，它的开关器件数量与传统的半桥整流电路一样。这两个电路非常适用于由逆变器与电机构成的最优化的整体系统。以后将从以下几个方面来提高新电路的整体性能：l 充分利用pwm脉宽调制方法l 设计一个用中性点与定子电阻小的电机l 消除由逆变器死区时间导致的电机相电流畸变附录：开关器件的导通损耗可由以下所述方式粗略估算假设整个系统的效率为80%，不管其为新电