（电力电子与电力传动专业论文）三相pwm大功率整流控制系统的研究.pdf

i nt h ei n d u s t r i a la r e a t h et r o d i t i o n a lp h a s e - c o n 仃o h e dr e c t i f i e rh a st h e d e f e c t so fl o wp o w e r - f a c t o r , p r o d u c i n gm a n yh a r m o n i c s oi th a sb e c o m e t h em a i ns o u r c 君o f p o l l u f i o nf o rt h ee l e c t r i c 鲥d b u tw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fp w mt e c h n o l o g y , t h ep w m - r e c t i f i e rc a no v e r c o m et h e s e p r o b l e m s ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs t e a d yd co u t p u t ，t h ea ci s n e a r l ys i n e w a v e ，w i t hh i g hp o w e r - f a c t o r s ot h er e s e a r c ho fp w m r e c t i f i e r h a v ei m p o r t a n ta c a d e m i ca n d p r a c t i c a lv a l u e st oi m p r o v et h er e l i a b i l i 哆o f p o w e rs u p p l y a t f i r s t ，t h i s a r t i c l e i s o nt h eb a s eo ft h er e s e a r c ho f p w m - r e c t i f i e r , h a v i n gd o n et h ef o l l o w i n gw o r k s ：p r i n c i p l eo ft h r e e p h a s e v s r ，t o p o l o g y , m a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o n t r o ls t r a t e g y t h em a t h e m a t i c a l m o d e li st h ef o u n d a t i o no ft h ep w m - v s r , s ot h i sa r t i c l eh a sb u 丑tu d t h el o w f r e q u e n c ym o d e l o f a ，b ，cc o o r d i n a t e ，a - 1 3 c o o r d i n a t e ，d - q c o o r d i n a t e ，w h i c hh a sm a d eam a t h e m a t i c a lb a s ef o r t h ef u r t h e rs t u d y a n dt h e n ，c o m p a r e dw i t ht h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l , t h ed i r e c tc u r r e n t c o n t r o lh a ss o m em e r i t s s ot h i sa r t i c l eh a sd o n es o m er e s e a r c hw i t h i t , w h i c hh a sb u n tu pt w om a r l a bm o d e l ，o n ei s t h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n o t h e ri st h et o p o l o g ym o d e l a n dt h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h e p w m v s rh a v em o r ef a v o u r a b l ep e r f o r m a n c e st h a np h a s ec o n t r o l l e d r e c t i t i e r a tl a s t ，o nt h ec i r c u i to ft h et o p o l o g y , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h e c a l c u l a t i n go ft h ea c i n d u c t a n c ea n dd c c a p a c i t a n c e d r i v ea n dp r o t e c t i o n o ft h ei g b t ，c u r r e n ts h a d n go ft h ev s r k e yw o r d s ：h a r m o n i c ，p w mr e c t i f i e r , h i g hp o w e rf a c t o r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 名：量竿 日期：山口7 年f 月抛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保留学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关规定送交学位论文。 作者签名鼍华导师签名鑫芦游日期：必7 年，咖日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 这些年来，随着国民经济的持续和快速发展，制造业中对电力能源的需求是 非常巨大的，对电能质量的要求也越来越高。这样一来，就对大功率开关电源提 出更高的要求，用以满足用户高质量的用电需求。而且由于常规能源储备日益减 少和环境保护的需要，能源的建设必须要以节电和重复开发利用的能源为重点。 电力电子交流技术的发展和其核心元器件的发展是离不开的，甚至是起到了决定 性的作用。它主要包括四大类，交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变 交流。电力电子装置广泛用于高压和超高压直流输电、静止无功补偿、电力机车 牵引传动、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电源系 统和电气工程领域。所以说，电力电子技术已成为当今任何高新技术系统中不可 缺少的关键技术之一，它的发展对工业领域的贡献难以估计“。“。 一般认为，电力电子技术的诞生是以1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出的第 一个晶闸管为标志的，从此就开启了电力电子时代。其核心元器件中的功率半导 体开关性能也是不断的提高，众所周知，已从原来广泛使用的半控型功率半导体 开关，比如从普通晶闸管发展到如今性能优越且类型诸多的全控型功率半导体开 关，到了7 0 年代后期，具体有门极可关断晶闸管( g t o ) ，电力双极型晶体管( b j t ) ， 和电力场效应晶体管( p o w e r - m o s f e t ) 的全控型器件迅速发展。他们的特点是， 对其门极的控制不但可以使其开通也能使其关断，而且其开关频率也高于普通晶 闸管，可以适用于开关频率比较高的电路中。功率元件的发展把电力电子技术推 向了一个新的高度。到了8 0 年代的后期，则又出现了绝缘栅极双极型晶体管 ( i g 盯) 的复合型器件。i g b t 有着以下两个主要特点：l 、驱动功率小、开关速 度快，2 、通态压降小、载流能力大，性能非常的优越，成为了当今电力电子技 术的主要器件。另外还有m 0 s 控制晶闸管( 狮阻) 和集成门极换流晶闸管( i g c t ) ， 它们也有m o s f e t 和g t o 两个器件的优点，i g c t 现在大规模的使用在高压直流输 电领域中，对现代电力工业技术的发展起到了很好的推动作用”。从另外一个方 面来说，随着微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法的研究， 如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，也使得电力电子技术获得了空前 的发展。 电力电子变流技术是一门节能的技术，对电气工业领域的节能降耗指标的降 低有很重要的作用，如在化工电解行业中，特别是规模比较大( 几十万吨级别) 硕士学位论文第章绪论 的化工有限公司，需要大直流离子膜电解食盐水以产生化学工业最基本的原料： 氯气和氢氧化钠，由此形成一个化工产业链。但是在这种高耗能的行业里面，由 于电力成本占了一部分，如果能把节电指标提高几个百分点的话就能节约很可观 的一部分成本，在激烈的市场中必定会使得自身的产品更加具有价格优势，大大 增强其核心竞争力。所以，这也就激发了一代代的学者和工程技术人员学习和研 究电力电子整流技术的热情，在这种背景下电力电子p w m 整流技术孕育而生。 对于过去的相控整流来说，因为二极管整流电路简单、经济可靠，所以广泛 地采用了二极管不可控整流电路或晶闸管半控电路。因此上个世纪它的应用十分 普遍，但是这种整流器的广泛使用也带来了以下几个方面的问题： 1 、二极管整流会使网侧电流波形严重畸变，造成功率因数较低，最高功率因数 只可能为0 8 左右。大量无功功率的消耗会给电网带来额外的负担，不仅增加 了输电线路的损耗，而且严重地影响了供电质量。 2 、如果对二极管整流器输入电流的频谱进行分析，发现输入电流中含有丰富的 低次谐波电流。 3 、而对于交流变频调速系统，由于二极管的单向导电性能，电机制动的再生能 量无法回馈给电网。为了装置的安全运行，这部分能量必须通过一定的途径消耗 掉。在中小容量系统中，一般采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的 方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单， 但是有几个缺点：浪费能量，系统效率低；电阻发热严重，影响系统的其他部分 正常工作；简单的能耗制动不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，从而限制了 性能的提高“目。 目前，解决上述谐波污染问题的有效途径主要有两条： l 、对电网来说，在电网中加入补偿器来补偿电网中的谐波，如有源滤波( a p f ： a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ，静止无功补偿( s v c ：s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) 等。 2 、设计网侧输入电流正弦化、谐波含量低、功率因数高的整流器。前者是产生 谐波后进行补偿，而后者是消除了谐波源，是解决谐波问题的根本措施。把逆变 电路中的p w m 技术应用于有m o s f e t 、i g b t 等全控器件组成的整流电路， 工作时可以使网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，甚至能量可以双向流动， 真正实现绿色电能转换，因而备受关注。这种整流器称为p w m 整流器，又称 为单位功率因数变流器o 。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 2 谐波标准及谐波危害 1 2 1 谐波标准 制定谐波标准是治理谐波的重要措施，一些国家和学术机构相继制定了谐 波标准。有的是针对公共电网接点电压的谐波，有的是针对用电设备的电流谐波， 有的是针对用户系统的电流谐波。 1 9 9 3 年，我国也正式颁布了谐波国家标准g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 ，从此使得谐波的 治理走向了标准化的道路，它规定了电网标称电压为0 3 8 6 1 0 3 5 6 6 1 1 0 k v 公 用电网中的电压总畸变率和公共接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量。限 制设备对电网污染的德国标准是v d e 0 8 7 1 ，欧洲标准是e n 0 6 5 5 5 2 目前国际上广 泛接受的标准是i e c5 5 5 - 2 ，1 9 9 5 年改为i e c1 0 0 0 - 3 2 标准，它是针对每相输入 电流小于1 6 a 的用电设备，而对于i e cl o o o - 3 4 则是针对每相输入电流在 1 6 a - 7 5 a 之间的用电设备“”。 1 用户系统谐波限制标准 i e e e5 1 9 - 1 9 9 2i e c1 0 0 01 0 0 0 - 2 - 2i e c1 0 0 0 - 3 6 2 设备谐波电流限制标准 i e c1 0 0 0 - 3 - 2i e c1 0 0 0 - 3 - 4 3 谐波测量标准 i e c1 0 0 - 4 7 1 2 2 谐波的危害 一般说来，谐波的危害主要体现在以下几个方面”1 ： ( 1 ) 、增加输电、供电和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设 备的利用率和经济效益。 ( 2 ) 、谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络 谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。 ( 3 ) 、谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度， 谐波电流的存在增加了铜损。 ( 4 ) 、含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小， 谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引 起电容器过负荷，危及设备安全。 ( 5 ) 、特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动 或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力 系统的安全运行。 3 硕士学位论文 第章绪论 ( 6 ) 、电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻 近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话 的清晰度。 ( 7 ) 、电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使 机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机 器性能。 ( 7 ) 电力谐波还会对测量、计量仪器的指示产生不良影响，使其误差增大，也 对整流装置控制器产生严重的干扰。 所以，谐波已经成为电网最大的公害，我们要积极消灭谐波污染2 一。 1 3 大功率州m 整流的主要特点 简言之，电压型大功率p 嘲整流的特点主要有凹个o “： ( 1 ) 、网侧电流为正弦波。 ( 2 ) 、网侧可以功率因数控制( 比如单位功率因数控制) 。 ( 3 ) 、电能可以双向流动。 ( 4 ) 、较快的动态控制响应。 ( 5 ) 、可以通过整流器的并联来增加输出电流。 显而易见，p 哪整流器不是一般意义上的a c d c 变换器。它可以使得电能双 向流动，当整流器从电网吸收能量的时候，是运行在整流状态；而当整流器向电 网传送电能的时候，是运行在有源逆变的工作状态。在理想情况下，整流器运行 在单位功率因数整流状态，其网侧电压和电流是同向的( 正电阻特性) ；在整流 器运行于有源逆变的状态下，其网侧电压和电流反相( 负电阻特性) 。正因为p 删 整流器的这个特点，所以也应用于有源电力滤波和无功补偿等非整流器的领域。 所以说，p 网整流器实际上是一个交流侧和直流侧都可控，且能四象限运行 的变流装置。如下图l - 1 ： 如果不计功率开关的损耗和交流侧电阻，由交流侧和直流侧功率平衡的关系 可以得出下面的公式： j y = ，r 。( 卜1 ) 上式( 卜1 ) 中：i 、v 是模型电路交流电流，交流电压。 i d cv d c 是模型电路直流电流，直流甩压。 由式( 卜1 ) 不难理解，如果通过对电路交流侧的控制，也就控制了直流侧， 反之也一样。 4 硕士学位论文 第一章绪论 f l _ 图i - ip 喇整流器简化图 1 4 国内外p 删整流器的研究现状 总的来说，在国外传统的化工电解行业中，一般也是采用相控整流技术，但 是因为倡导绿色电源，减少谐波污染，所以正在尝试采用大功率p w m 整流技术， 而且以几十年成熟的相控技术为基础，p w m 技术已经日趋成熟，其控制水平也 比国内高。其中，s i e m e n s 、a b b 、g e 、a l s t o m 等公司已经有了相关的产品， 当然价格也很昂贵，在国内难以推广。 而在国内的离子膜电解行业里，由于负载电流比较大，而且相控整流结构相 对简单、制造成本相对不高、相应的控制技术成熟等原因，则一般还是采用相控 整流，但它在深控状态交流输入因数低、产生的谐波大、损耗大，对电网供电质 量的影响比较大，需要技术转型。 l 、关于整流器电气拓扑结构的研究： 一般说来，整流器拓扑结构可以分为电流型和电压型两大类。其中，在中小功 率里，拓扑结构的研究主要集中在如何减少开关个数和提高输出电压质量上。而 在大电流、大功率的场合，拓扑结构的研究则是“多电平”、“软开关”、“变流 器的并联组合”上，通过对整流器的串联，可以满足高压、大容量的场合，而 对整流器的并联则是满足大电流、大功率的场合嘲。 2 、关于整流器控制技术的研究： 早在上世纪7 0 年代初，国内外就开始了p w m 整流控制技术的研究，1 9 8 2 年b u s s ea l f r e d 、h o l t 7j o a c h i m 首先提出了基于可关断器件的三相全桥p w m 整流 器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型p w m 整流器网侧单位 功率因数正弦波电流控制。1 9 8 4 年a k a g i h i r o f u m i 等提出了基于p w m 整流器拓 扑结构的无功补偿控制策略，这实际上就是电压型p w m 整流器早期设计思想。 到了上世纪8 0 年代，a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、 离散动态数学模型及控制策略，从此p w m 整流器的研究发展到一个新的水平删 3 、控制策略的分类： 在整流器技术发展过程中，一般将电压型p w m 整流器交流侧控制策略分成两 类；一类是由j w d i x o n 和b t o o i 首先提出的。间接电流控制”策略嘲；而另 一类则是目前占主导地位的“直接电流控制”策略。“间接电流控制”实际上就 是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型p w m 整流器的交流侧电压基波幅 5 硕士学位论文第一章绪论 值、相位，来间接的控制其网侧电流。但是因为“间接电流控制”它电流动态响 应慢，而且对系统参数变换灵敏，所以这种已经初步的被“直接电流控制”策略 所取代。“直接电流控制”策略电流响应的快速性和鲁棒性受到了学术界的关注， 先后研究出不同的控制方案，主要包括以固定开关频率的电网电动势前馈s p w m 控制，以及以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制等，为了提高电压利用率和降 低损耗，基于空间矢量p w m 控制在电压型p w m 整流器电流控制中广泛应用， 并先后提出了很多控制方案，各种p w m 技术的应用，使得p w m 整流器的控制 方式大为简化，提高了整流器的性能和效率所以说p w m 整流器控制技术是紧 随智能控制技术和现代控制理论的发展，及时地把最颉的控制方法应用于p w m 整 流器。其中对现在各种p w m 控制技术的改进也是发展的一个方面，本文就提出 了一种便于数字实现的p w m 控制策略，把它应用于三相电压型p w m 整流器中， 以实现化工p w m 整流器的应用。 4 、整流器的发展方向： ( a ) 、稳定性更好：因为在工厂里，整流器的电气运行环境一般是比较恶劣的， 电磁干扰、粉尘污染、化工原料的腐蚀等等、对其拓扑结构和控制系统的可靠性 要求特别的高，这就对整流器的稳定性提出了很高的要求。其中特别是对整流器 在网侧三相输入电压不平衡的情况下，如何检测正、负序电流、重构三相v s r 模 型、优化控制算法来使得整流器正常的运行。并且，随着功率元器件的发展，整 流器也朝着高电压，大电流，超大功率的方向发展嘲。 ( b ) 、智能控制：由于目前主要的p w m 整流器的控制系统都是在电网平衡，功 率开关嚣件为理想模型的基础上给定的，又由于系统巾p i 调节器的非线性和对 于整流器中参数的依赖性，所以系统的鲁棒性较差，对于输入侧的谐波抑制能力 有所欠缺，针对这些问题，人们对p w m 整流器的控制中应用了智能性的控制器， 如神经网络控制器、模糊逻辑控制器等“。这些智能型控制器的设计不太依赖整 流器本身的参数，它能实时地保证整流器输入侧电流波形为理想波形，从而达到 功率因数为1 的控制要求，同时，这种控制器对于l c 滤波器引起的谐振也有抑 制作用。 ( c ) 、多电平p w m 整流器的研究：三电平脉宽调制( p w m ) 变流器与常规的二 电平p w m 变流器相比，其主电路结构虽较复杂，但它具有后者所没有的优点。， 三电平整流电路可以减少高次谐波对电网的污染，以前只有高压变频器才会采用 这种技术，目前一般通用系统也有推广应用三电平技术的趋势“4 。 综上所述，大功率p w m 整流技术已经是化工、冶金整流新技术发展的关键 所在啪，对其理论和控制的研究意义重大。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 5 本论文的主要工作 首先，论文是在阅读了大量的国内外的相关工程资料和相关理论，跟踪最新 技术的基础上，研究了p w m 整流器的原理和控制器的设计，完成了以下工作： ( 1 ) 、查阅学习了很多相关国内外文献资料，对p w m 整流和其控制系统有较深 的了解。然后对电压型可逆p w m 整流和斩控p 嘲整流的工作原理进行了详细的 分析，为后面的分析和设计做为理论基础。 ( 2 ) 、建立了v s r 的低频数学模型，具体包括在，a b c 静止坐标下、a b 两相坐标 下和d - q 旋转坐标系下。 ( 3 ) 、进行了控制系统的研究，其中重点分析了电压外环和电流内环的控制。 ( 4 ) 、分析了大功率整流的相关问题，其中包括在满足控制系统指标的情况下交 流侧电感和直流侧电容的计算，整流模块并联的问题分析，还有功率元件i g b t d v d t 和d i d t 常用缓冲电路分析，散热器的设计，等等。 7 硕士学位论文第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制脉冲宽度调制技术，就是通过对 一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形( 含形状和幅值) 。p w m 控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是p w m 型，因为 p w m 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才奠定了它在电力电子技术中 的重要地位。同时，其重要性在大功率整流领域里面也变得越来越重要。 p w m 技术的基本理论基础“”： ( 1 ) 、冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上的时候，其效果基本相同， 也就是面积等效原理，它是p w m 技术最基本的理论基础。 ( 2 ) 、冲量指窄脉冲的面积。 ( 3 ) 、效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 ( 4 ) 、低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 所以，根据上述基本理论，我们可以把正弦波等效为p w m 波，幅值不变但 是宽度随着正弦波的规律而变化。如下图 1 ，与正弦波等效的p w m 波。 图2 - 1 与正弦波等效的p w m 波 根据上述的面积等效原理，p w m 波形和正弦半波是等效的，对于正弦波的 负半周，也可以用同样的方法得到p w m 波形。像这种脉冲宽度按正弦变化，幅 值一样，而且和正弦波等效的波形，称为s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形。 除此之外，p w m 波还可以等效成其他所需要的波形，如非正弦波等，其基 本原理和s p w m 控制相同，也是基于等效原理啪 。 2 1 大功率p 咖整流的分类形式 2 1 1 电压型v s r 目前，最基本的的分类是将p w m 整流器分成两个大类：一、电压型，二、 电流型。它们两种结构在主电路拓扑结构、p w m 信号发生、控制策略等方面都 有各自的特点，而且两者在电路上是对偶的。 硕士学位论文第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 其中，电压型p w m 整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r - v s r ) ，有个最明显的 特点就是直流侧一般都采用电容进行直流储能例，这样一来就使得v s r 直流侧 呈现低阻抗电压源特性。其拓扑结构通常有以下几种： 下图2 - 1 就是单相半桥v s r 拓扑结构，图4 是单相全桥v s r 拓扑结构，两 种电路的交流侧是一样的，电路里的交流电感的作用是为了滤除网侧电流谐波。 。- ( zp - ( ： i 户，1 + b = r j i ”长z i m 爵 iv d l =c 1 + e l 蔼z 一二b + 、v 0 2 “) 单相全桥( b ) 单相半桥 图2 - 2 单相v s r 拓扑结构 由上图2 - 2 ( b ) 可知，单相半桥v s r 拓扑结构中，相比而言比较的简单， 只有一个桥臂用了i g b t 开关，另一个则是由两个电容串联而成。这种结构适合 于价格低，成本低，小功率的场合。 而在全桥v s r 拓扑结构里，图2 - 2 ( a ) ，则采用了4 个i g b t 开关。两个电 路里每个i g b t 都反并联一个续流二极管，可以保证无功电流的流动。其中电容 的作用是均压和储能，但是这种拓扑结构对电容的数值要求比较高，系统对死区 也比较的敏感，所以其控制算法和策略方面仍然处于研究阶段。 进一步的研究表明，半桥和全桥在相同的交流参数下，只有使得半桥v s r 电 路的直流电压是全桥v s r 的两倍才会得到同样的交流侧控制特性，因此，对于 半桥v s r 电路来说i g b t 的耐压等级就要提高一倍嘲，从而对元器件的参数要 求相应就提高了不少，这样一来也就增加了系统的成本。 除了上述单相v s r 之外，三相六开关v s r 拓扑结构，相比而言则研究得比 较的多，如下图所示： 鹾 v p , 一( j ；，* j “2 = i =u j i m ( j鼍( 2 i v 坤 图2 - 3 三相六开关拓扑结构 在上图2 3 电路图里，各符号和参数的意义如下： 岛、e b 、e c ：三相电源电压瞬时值； 9 硕士学位论文 第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 l ：网侧滤波电感 c ：直流侧滤波电容的大小 i a 、i b 、i c ：三相输入电流瞬时值 v 1 、v 2 、v 3 、v 4 、v 5 、v 6 ：整流器功率开关管i g b t v d l 、v d 2 、v d 3 、v d 4 、v d 5 、v d 6 ：续流二极管 e d ：负载电动势 从图2 - 3 可以看出三相v s r 主电路由交流侧三相电感、三相全控桥、直流 侧滤波电容组成。它们对系统的作用和影响分别为“”： 1 、网侧滤波电感：v s r 正常工作时，能量在交流侧和整流桥之间流动，存 储在电感上，然后通过整流桥释放到直流侧，实现p w m 整流。电感是保证三 相v s r 正常运行的必要条件。电感值的大小对系统影响很大，增大电感值，可 以减小输入电流谐波，但是如果过大将导致系统的动态响应速度变慢，同时还会 影响系统的带载能力。 2 、直流滤波电容：电压型p i l l 整流器的标志。其作用是滤除直流电压脉动 成分，保证整流器正常工作。三相v s r 输出直流母线电压中的n 次谐波会经过 p w m 调制后在网铡输入电流中产生n + 1 次谐波，所以它也有减小输入电流谐 波的作用“1 。电容c d c 越大，直流电压谐波含量越小，抗负载扰动能力强，但是 同时响应速度也越慢。 3 、续流二极管：在功率管不导通时，电流可以在二极管中续流。为了分析 的方便，做如下的假设： ( a ) 、电网输入为理想电源，即三相电压平衡( 、e b 、e c ) 幅值相等、相位相 差1 2 0 度，波形为理想的正弦波) 。 ( b ) 、网侧滤波电感l 是线性的，不考虑饱和，而且各相电感大小和寄生电阻 阻值相等。 ( c ) 、功率管为理想开关，没有过渡过程和功率损耗，其通断状态可以由开关函 数描述，而且不考虑死区对系统的影响。 ( d ) 、开关频率远大于电网频率。 ( e ) 、忽略由开关引起的谐波。 但是，由于三相半桥v s r 比较适合于三相电网平衡的系统，如果电网三相不 平衡，控制性能会恶化，甚至于不能正常工作。为了解决这个问题，可以采用三 相全桥v s r 设计，本质上是三个独立控制的单相半桥v s r 的组合。由于里面有 1 2 个开关管和1 2 个二极管，所以控制起来比较的复杂，特别是在大功率整流的 大干扰环境下，使得控制难度加大，一般很少采用。 i o 硕士学位论文第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 2 1 2 电流型0 $ r 电流型嗍整流器( c u r r e n ts o u r c er o c t i f i e r c s r ) 拓扑结构最明显的特点 是直流侧用的是电感贮存能量，从而使得c s r 直流侧呈现出高阻抗的电流源特 性。c s r 跟v s r 一样，电气上有单相和三相两种不同的结构。 图2 - 4 单相c s r 拓扑结构 上图2 - 4 中所示的单相c s r 拓扑结构，它与单相v s r 相比，交流侧还增加 了一个滤波电容，作用是和电感一起构成l c 滤波器，滤除网侧来的谐波电流， 抑制谐波电压。并且每个i g b t 开关管都串联了个二极管，主要的目的是阻断反 向电流，提 图2 - 5 三相c s r 拓扑图 上图2 5 为三相c s r 拓扑图，可以看出这也是个半桥结构，它工作原理大致 和单相的一样，其中的电容和电感的作用和单相c s r 是一样的。由于大功率整 流的电流比较的大，所以为了防止铁心饱和，直流侧的电感器铁心体积会比较庞 大，这样的话就增加了电路损耗，同时也限制了直流电流的大小，不能太大h 刀 2 1 3p w 斩波整流 ttr r c l zl z l 2z 图2 - 6p 删斩波整流 硕士学位论文 第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 上图2 - 6 也是一种电压型v s r 的一种，斩波式的p 硎整流，在实际工程领域 里用得比较的多。左边是晶闸管不可控整流，右边是斩波p 删整流，通过控制 i g b t 的导通与关断可以控制电流的大小。 因为： e t 。= uof竹(2-3) 所以，可以得出p w m 斩波输出电压是： u o2 芒肚暑胁亡e ( 2 - 2 ) t t1 a ”t 。r f一。f f 一 由上式2 2 可以得出：通过改变导通比a ，a = t o , ( t o n + t o 亩，则直流输出电压 既可升高也可降低。当0 a 1 2 的时候，输出电压是降压；而当l 2 ：a 1 的 时候，是升压。所以上图电路称为升压降压斩波电路“”，也有的文献资料称之为 b o o s t - b u c k 变换器( b o o s t - b u c kc o n v e r t ) 。 如果在理想的情况下，所有的开关都是理想的，没有任何损耗的话，则交换 器的输入和输出的功率相等，也就相当于直流变压器，电力电子变压器e p t ( e l e c t r o n i c p o w e r t r a n s f o r m e r ) 的一种。这种结构的特点是：可以实现功率的双 向流动，功率既可以从高压侧流向低压侧即作为降压变压器使用，也可以从低压 侧流向高压侧，即作为升压变压器使用。 2 2 整流运行方式分析 。 通过把整流器电路加以简化后可以得到以下简化电路。 v e r 图2 - 7 整流器简化电路 上图里，u s 、i s 是网侧交流电压和交流电流，u d 、i a 是直流侧电压和电流。 h 2 l d ) 图2 - sp 喇整流运行方式简化向量图 上图2 8 中，根据网侧电流和电压的相位可以得出整流器的四种运行方式： ( a ) 整流方式运行，网侧电流i s 和网侧电压u s 相位相同，功率因数为1 。 ( b ) 、逆变方式运行，网侧电流i s 和网侧电压u s 相位相反，功率因数为l 。 ( c ) 、无功补偿方式运行，也称为静止无功发生器( s t a t i cv a tg e n e r a t o r - s v g ) 。 ( d ) 、网侧电流i s 超前网侧电压u s 运行，角度可以任意的调节。 硕士学位论文第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 所以通过控制网侧电流的方法，可以使得整流器在四个象限里运行。这个特 点对于交流电动机调速系统来说非常的重要，可以实现电动机的再生制动运行， 从而可以节约大量的能量溉“1 。 2 3 三相v s rp h 整流运行分析 在三相系统里面，三相半桥拓扑结构是g s r 最为常用的一种。与单相全桥 v s r 相比，三相v s r 拓扑结构主电路则多了一个桥臂。所以对于三相v s r ，需要 对其三相桥臂施加幅值、频率相等而相位上互差1 2 0 0 的三相对称正弦波调制信 号。每相桥臂上有两个开关，有两种开关模式。所以三个桥臂的话就有2 3 = 8 个 开关模式，用二值逻辑开关函数表示s j ( j = 1 、2 、3 ) 来描述，可以得到： s 。j 1 ，pj 、y d ，导通 ( 2 3 ) 【o ， y d ；，导通 上式2 3 中：v jv d j ( j - 1 、2 、3 ) 表示上桥臂的i g b t 开关和续流二极管 v jv d i ( j = 1 、2 、3 ) 表示下桥臂的i g b t 开关和续流二极管 三相v s r 总共有8 种开关模式，如下表2 - 1 所示： 表2 - 1 三相半桥v s r 开关模式图 三相g s r 八种开关模式下电路原理图如下： 甜 i 。气r 一 i ”。l ji v 髓 一 2 一 ix 三尚 一 j j - v o _ ( j m 2 警 ；j 一 斗o 图2 - 9 模式1 硕士学位论文第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 上图2 - 9 模式l 里，1 桥臂的上元件、2 桥臂和3 桥臂的下元件触发导通， 也包括各自并联着的二极管也可能承受正向电压导通。此时，电路里直流侧电容 是处于 v 2 - 一 园兰南三 ziv d 1 - j 1 一 iv d 2 。lji v z 、 基旦尚 型：r = 夏三南l 哕 v 1 一z 1 匕( z - v d - 2 2 ( j 一 - v d 3 图2 - 10 模式2 上图2 - 1 0 模式2 里，1 桥臂和3 桥臂的下元件、2 桥臂上元件触发导通，也 包括各自并联着的二极管也可能承受正向电压导通。此时，电路里直流侧电容是 处于放电状态。 图2 - 1 1 模式3 上图2 1 1 模式3 里，1 桥臂和2 桥臂的上元件、3 桥臂下元件触发导通， 也包括各自并联着的二极管也可能承受正向电压导通。此时，电路里直流侧电容 是处于充电状态。 一 上 错 一 z z 。z v m 、 i鬟三m l il = ” j j一仲i 鼍 ；： ：鼍| ：= z 却d3 图2 - 1 2 模式4 上图2 - 1 2 模式4 里，1 桥臂和2 桥臂的下元件、3 桥臂上元件触发导通， 也包括各自并联着的二极管也可能承受正向电压导通。此时，电路里直流侧电容 是处于充电状态。 1 4 硕士学位论文 第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 群 匕( 2一t ( ji ” 上 、 = i堇三尚 j z 冲1 _ ( j：m ，( j 0 d 1 图2 - 1 3 模式5 上图2 一1 3 模式5 里，1 桥臂和3 桥臂的上元件、2 桥臂下元件触发导通， 也包括各自并联着的二极管也可能承受正向电压导通。此时，电路里直流侧电容 是处于充电状态。 图2 - 1 4 模式6 上图2 1 4 模式6 里，2 桥臂和3 桥臂的上元件、1 桥臂下元件触发导通， 也包括各自并联着的二极管也可能承受正向电压导通。此时，电路里直流侧电容 是处于放电状态。 唾 h i 马气j 一。( ： i l 一 、 一生 一 m 鼍巳j2 马( 2 - j v o 图2 - 1 5 模式7 上图2 _ 1 5 模式7 里，1 桥臂、2 桥臂、3 桥臂的上元件触发导通，也包括各 自并联着的二极管也可能承受正向电压导通。此时，电路里直流侧电容是处于放 电状态。 硕士学位论文 第二章大功率p w m 整流原理及实现方案 秽 l鼍( li 一。f ji 7 h = i漫旦南 。zv o - 1 _ j 阳2 9 2 图2 1 6 模式8 上图2 一1 6 模式8 里，1 桥臂、2 桥臂、3 桥臂的下元件触发导通，也包括各 自并联着的二极管也可能承受正向电压导通。此时，电路里直流侧电容是处于放 电状态。其中，图2 - 9 到图2 1 6 是三相v s r 不在同的开关模式下电流回路图， 总共8 个模式。其中，模式7 和模式8 使得三相v s r 的交流侧线电压为零，所以 一般称之为零模式“】。 本章小结 本章主要讲了p w m 调制技术的基础、整流电路的工作原理，主要包括电流 型整流器和电压型整流器、其中又分为单相和三相拓扑结构，比较详细的分析了 三相p w m 整流器电气拓扑结构，并详细分析了其工作原理，为下一章数学模型 的建立和控制策略研究打下了基础。 硕士学位论文 第三章大功率p w m 整流的数学模型和控制策略研究 第三章大功率p w m 整流的数学模型和控制策略研究 简言之，大功率v s r 控制有两个大的目的，一个是对输入电流控制，一个 是对输出电压控制。并且两者之中对输入电流的控制是v s r 系统的关键，因为 把p w i v l 技术应用于大功率整流的目的就是要使得网侧电流正弦化，减少谐波。 当然对输出电压的控制也很重要，但是如果把网侧电流、也就是变流器网侧能量 控制好了，对输出电压的控制难题也迎刃而解。总的来说，可以分成直接电流控 制和间接电流控制两个大类。为了研究控制策略，先建立三相v s r 大功率整流数 学模型如下： 3 1 三相v s r 大功率整流数学模型 三相v s r 系统的数学模型的建立是分析其控制系统的一个重要步骤，它可以 帮助我们深入的研究可逆v s r 的特性和控制方法，同时也为下面章节的理论研究 和第五章节的仿真研究做理论基础。 3 1 1a b c 坐标系数学模型的建立 在上一节图2 2 的三相v s r 整流器主电路里面，先做出如下的理论假设： a ) 、三相电压稳定而且对称。 b ) 、功率开关i g b t 是理想开关，没有过渡过程。 c ) 、电阻r d 和反电势e d 串联等效直流侧负载。 厂套曼d ? i l 茧一 i 南正 一 a f 图3 - 1v s l t 开关等效电路 显然，在上图3 1 里，当a 相上桥臂导通，下桥臂关断，则开关函数s a = l u r n = u d ：而当a 相下桥臂导通，上桥臂关断时，则开关函数s a = ou a s = o ，因此， a 点与参考点n 之间的电压为： u 。s u ( 3 1 ) 同理可以得出： u b n 。s - u d ，u c n - s 。ud( 3 - 2 ) 1 7 硕士学位论文第三章大功率p w m 整流的数学模型和控制策略研究 联立上式可以得出三相v s ra 相交流侧电压的开关函数表达式为： v a o ( f ) = ( 2 s 。一s b 一) v 3 ( 3 3 ) 所以，得出下表： 表3 - 1 三相v s r 在不同的开关模式下a 相交流侧电压的值 从v s r 的回路上( 图2 - 3 ) 可以得出网侧a 相电感端电压v l a ( t ) 是： v 。( r ) = 。( f ) 一v 。( f ) ( 3 4 ) 设网侧a 相电流：i a ( t ) 如果忽略网侧电阻可以得出a 相电流如下式： l ( t ) = 寺v a ( r p r = 丢f c 。( r ) 一v 。( r ) d r 3 5 一设直流侧电流i d c ( t ) ，得到下表： 。 一 表3 - 2 三相v s r 在不同的开关模式下直流i “的值 对于三相v s r 系统来说，正常工作的时候，一般情况下都有三个功率元件导 通，总共有八种工作模式，所以可以得出： d = 。s 。s s 。+ f s 。s 。s + f ，s 。s 6 s 。+ ( + i ，) s 6 s ，s 。+ ( 。+ i ，) s 。s 。一s b + ( f 。+ i ) s b s 。一sc + ( f 。+ i b + i 。) s 6 s 。s 。 ( 3 6 ) = s i 。+ s b + s ，i 。 所以，如果设电感电流和电容电压为状态变量，可以得出下式： l ，掣二+ rm ：。( ，+ 【，。) 4 lj ! ；一+ r ，f 。：。一( ，+ u ，。) d lj 之l + 置m ：。一( 。，+ c ，。) di c ，等一一( * + 詈) ( 3 - 7 ) 硕士学位论文第三章大功率p w m 整流的数学模型和控制策略研究 因为假设三相电压平衡对称，所以存在下式： f “。4 - + 。= 0( 3 8 ) 1f 。+ i + i 。= o 综合( 3 - 5 ) 一( 3 - 8 ) 方程可以得出： “。= 一ud ( s 。+ s + sr ) i3 ( 3 - 9 )