（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的三相pwm整流技术研究.pdf

西华大学硕士学位论文 s t u d y o ft h r e e p h a s ep w mr e c t i f i e rb a s e do nd s p p o w e re l e c t r o n i c sa n dt e c h n o l o g y p o s t g r a d u a t e ：r e n g u o - x i n g a d v is e r ：z h a n g g u a n g - y i t h ec o n v e n t i o n a lr e c t i f i e rp r o d u c eh a r m o n i cp r o b l e mi np o w e rs y s t e m w h i l e t h r e e p h a s ep w mv s r ( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ) c a np r o v i d ec o n s t a n t d cb u s v o l t a g ea n dg e tu n i t yp o w e rf a c t o r i ta l s oh a sl i n ep o w e rf e e d b a c kc a p a b i l i t y s oi ti s b e c o m i n gi n t e r e s t e di np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l ei n t e g r a t ec i r c u i tt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，m i c r o c o m p u t e r - b a s e dr e c t i f i e rc o n t r o l l e rw i l lb e c o m et h em a i ns t r e a m o fr e c t i f i e rc o n t r o l l e r si nt h ef u t u r e c o n s t a n ti m p r o v e m e n ti nr e c t i f i e rc o n t r o l m e t h o ds e ta ne v e n h i g h e rr e q u i r e m e n t f o r t h e c o m p u t a t i o n o ft h e m i c r o c o m p u t e r - b a s e dr e c t i f i e rc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt ot h i sr e q u i r e m e n t ，t h ep a p e r s t u d i e sa n dd e s i g n st h ed s p b a s e dr e c t i f i e rc o n t r o l l e rb yu s i n gd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) a st h ec o n t r o lc e n t e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o lf u n c t i o na n dt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f p w mr e c t i f i e r a n d ，i ti l l u s t r a t e sd s p sp e r f o r m a n c ea d v a n t a g ec o m p a r e dw i t ht h e o t h e rs i n g l ec h i p so rg e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o r s i td e a l sw i t ht h ed e s i g no ft h e d s p b a s e dr e c t i f i e r sh a r d w a r ea n dt h ef l o w c h a r ta n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fi t s s o f t w a r ef r o mt h ea s p e c t so fc o n t r o lc i r c u i t ，m e a s u r i n gc i r c u i t ，m a i nc i r c u i ta n dt h e m e t h o do f r e a l i z i n g s v p w m t h e p a p e r a l s oi n t r o d u c e s u s eo fi p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) ，a n dd e s i g n sm a i nc i r c u i tb a s e do ni t b e c a u s eo ft h e a d o p t i o no ft h e s ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，t h ep w mr e c t i f i e rs t r u c t u r ei ss i m p l e r , i t s p e r f o r m a n c ei sr e l i a b l ea n di t so p e r a t i o nc o n v e n i e n t t h ed s p - b a s e dt h r e e p h a s ep w mv s rh a sb e e nt e s t e di nt h el a b o r a t o r y t h e r e s u l to ft e s ts h o w st h a ta l lf i t n c t i o n so ft h ep w mr e c t i f i e ra r ee f f i c i e n t k e y w o r d s ：p w mr e c t i f i e r ；s v p w m ；d s p ；i p m i i 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 近2 0 年来随着电力电子装置的广泛使用，由此引起的谐波污染问题日益严 重，逐渐受到了人们的重视。目前，大部分的电力电子装置所使用的直流电源 是通过不可控整流或相控整流得到的，这些传统的设备在运行中对电网注入了 大量的谐波和无功，因此造成了严重的电网污染。 1 1 传统整流装置的缺点 传统整流装置主要是指由二极管组成的非线性电路或由晶闸管组成的相控 电路，它们主要存在以下缺点： ( 1 ) 网侧功率因数低，对电网造成了无功增加，危害电网质量。同时，无 功的副作用还表现为降低了发电、输电设备的利用率，增加了线路损耗： ( 2 ) 输入电流谐波含量高，谐波除了降低了发电、输电设备的利用率外， 还会影响设备的正常工作，产生不希望的机械震动和噪音：谐波还容易引起某 些继电器、接触器的误动作，造成事故；同时，谐波也对周围环境产生电磁干 扰，影响通讯设备的正常工作等。 ( 3 ) 交流侧电网电压波形畸变，污染电网。 获得高功率因数，消除谐波的方法主要有两种：一种是被动法，即在谐波 和无功产生的情况下采用补偿装置，补偿其谐波和无功功率；二是主动法，即 对传统整流装置本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且不消耗无功功率或根 据需要对其功率因数进行控制；两者比较，采用改进传统整流装置的方法改善 功率因数和实现谐波抑制更为有效，也就是开发输入电流为正弦、谐波含量低 且功率因数接近于1 的高性能三相整流器。 三相p w m 高功率整流器与传统的整流装置相比，具有交流侧输入、输出 电流谐波小，功率因数可调，直流侧电压波动小，能量能双向流动等优点，因 而其控制的策略研究成为目前电力电子领域中的一个热点。 西华大学硕士学位论文 1 2p w m 整流器的研究发展状况“5 1 1 2 1 电力电子器件的发展状况 半导体变流技术的发展，是立足于电力电子半导体器件的发展基础之上的。 继电子离子器件之后，电力半导体器件是以美国1 9 5 6 年生产硅整流管( s r ) 、 1 9 5 8 年生产品闸管( s c r ) 为起始点逐渐发展起来的。经过几十年的发展，在 器件制造技术上不断提高。从2 0 世纪7 0 年代后期开始，可关断晶闸管( g t o ) 、 电力晶体管( g t r 或b j t ) 及其模块相继使用化，在中、大容量的变流装置中， 传统的s c r 即将被这些新型器件取代。8 0 年代以来，微电子技术和电力电子 技术在各自发展的基础上结合，产生了一批工作频率高，具有门极全控性能的 功率集成器件，从而使电力电子技术由传统电力电子技术跨入现代电力电子技 术的新时代。进入9 0 年代，功率集成器件从单一器件发展到模块化，将功率变 换电路与触发控制电路、缓冲电路、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在 一起，开发出了具有智能化功能的模块( i p m ) 。 根据器件的物理结构，可将电力电子器件分为双极型电力半导体器件、 m o s 结构型电力半导体器件和功率智能集成模块。 ( 1 ) 双极型电力半导体器件 包括：半控型器件，如晶闸管，逆导晶闸管等；全控型器件，如可关断晶 闸管( g t o ) ，电力晶体管( g t r ) ，静电感应晶闸管( s i t h ) 等。2 0 世纪7 0 年代以来，经过几十年的发展，g t o 以推向实用化阶段，最大容量可达到 6 k a 6 k v ，工作频率一般在1 k h z 以下。g t r 由于具有高频特性好、通态压降 低、控制方便等优点，也得到迅速发展，单管容量已达8 0 0 a 1 8 k v ，开关频率 在2 k h z 以下，容量6 0 0 a 1 4 k v 的管子可工作到5 k h z 。s i t h 是在7 0 年代 提出、8 0 年代才发展起来的一种新型器件，它利用电场效应来控制器件导电性 能，既有较大的电压和电流容量又有较高的开关频率，因此，近年来在国外得 到了速发展。 ( 2 ) m o s 结构型电力半导体器件 近年来，功率m o s f e t 发展很快，它是一种电压驱动器件，驱动电路只需 要在器件开通时提供容性充电电流，而关断时提供放电电流即可，因此驱动很 简单，此外m o s f e t 的一个重要特性是它的通态特性是阻性的。但是它的通态 西华犬学硕士学位论文 压降随着额定电压的增加而增加。 1 g b t 是8 0 年代初问世的一种新型复合型电力半导体器件，它兼有 m o s f e t 高输入阻抗、高速特性和g t r 大电流密度、低导通压降的特性，近 1 0 年来发展特快，已经过三代的更新，目前进入第四代。现在i g b t 单管容量 己达6 0 0 1 8 k v ，三相模块的容量为1 2 k a 3 5 k v 。 ( 3 ) 功率智能模块 进入2 0 世纪9 0 年代，i g b t 开始向智能型模块( i p m ) 和智能型功率集成 电路( s p i c ) 发展。i p m 是将i g b t ：吝片、驱动电路、保护电路、筘位电路等 封装在一个模块内。s p i c 是把逻辑单元、传感单元、测量单元及保护单元等与 功率单元集成在一起，使它具备了相当某种复杂电路的功能。这类智能型功率 模块和功率型集成电路的出现，预示着电力电子技术的新发展。 l 2 2 微处理器技术的发展 纵观计算机的发展微处理器性能的不断提高是计算机应用得以迅速发展 的真正动力。它比历史上任何发明都进展得更为迅速。同样，高性能微处理器 的引入也使交流调速技术发生了前所未有的变化：它使控制系统硬件更为简 化，能够实现复杂而灵活的控制算法。同时也使现代电机控制理论、人工智能 等技术的应用成为现实。因此浣现代交流传动技术和其它技术一样，都很大程 度上取决于和得益于微处理器技术的发展。 控制系统所用的微处理器有许多种类。以i n t e l 公司的产品为例，如m c s - 5 1 及9 6 系列都是大家所知的芯片。这些芯片一段时期内曾是控制系统首选的器 件，尤其如8 0 c 1 9 6 m c 型芯片，它有内置波形发生器可直接输出三相脉宽调制 波形，因此比较适用于一般的变频调速系统。但是它在用于大量数据实时处理 时还是显得有些不足。 近些年来，许多通用的或者有专业指向的数字信号处理器( d s p ) 得到了 迅速发展。d s p 从某种程度上说就是更高性能的微处理器芯片。目前适用于电 动机控制的d s p 有许多种类，比如德州仪器( t i ) 公司生产的f 2 8 x x 系列就 是专门为电动机控制而设计的。该系列中的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ( 也是本研究所 用) 来说，该芯片采用3 2 位定点计算设计，它的实时计算功能也相当强大，不 西华大学硕士学位论文 仅有通用d s p 的快速性特点，而且还拥有方便电机控制的丰富的片内外设。因 而非常适用于交流电机的调速控制。 1 2 3p w m 整流器的研究状况 当前对p w m 整流器的研究主要是以下几个方面： ( 1 ) 关于p w m 整流器的建模研究 p w m 整流器数学模型的研究是p w m 整流器及其控制技术研究的基础。 自从出现基于坐标变换的p w m 整流器的数学模型之后，各国学者对p w m 整流器 的数学模型进行了详细的研究，其中r w u 、s b d e w a n 等较为系统的建立了 p w m 整流器的时域模型，并将时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相 应的时域解。而c h u nt o r i m 和d o n gy h u 等则利用局部电路的d q 坐标变换建 立了p w m 整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性 分析。在此基础上，h e n g c h u nm a o 等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型， 从而简化了p w m 整流器的数学模型及特性分析。 ( 2 ) 关于p w m 整流器拓扑结构的研究 p w m 整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。电压型p w m 整流 器( v s r ) 最显著的拓扑特征是直流侧采用电容进行电流储能，从而使v s r 直 流侧呈低阻抗的电压源特性。电流型p w m 整流器( c s r ) 直流侧则是采用大 电感进行电流储能，使得c s r 直流侧呈高阻抗的电流源特性。 长期以来，因为电压型整流器结构简单、损耗较低、控制方便，所以一直 是人们研究地重点。而电流型p w m 整流器由于需要较大的直流储能电感，以 及交流侧l c 滤波问题，制约了电流型p w m 整流器地发展。但随着超导技术 的发展，因为超导线圈可以直接作为直流储能电感，电流型p w m 整流器在超 导储能技术中有更大的优势。 在小功率场合，p w m 整流器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进 直流输出性能上。j j s h i e h 等对四开关- - n 电压型p w m 整流器进行了建模与 分析。一般b o o s t 型变换器直流侧电压大于交流侧电压峰值，为了实现降压功 能，有学者对拓扑结构进行了改造，并取得了一定的成果。对于大功率p w m 整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上。 4 西华大学硕士学位论文 多电平拓扑结构的p w m 整流器主要应用于高压大容量场合。而对大电流应用 场合，则常采用变流器组合拓扑结构，即将独立的电流型p w m 整流器进行并 联组合。与普通并联不同的是，每个并联的p w m 整流器中p s v m 信号采用移相 p w m 控制技术，从而以较低的开关频率获得了高效的高频控制，即在降低损 耗的同时，提高了电流、电压波形品质。同样，可以将电压型p w m 整流器串 联组合，以适应高压大容量的应用场合。此外，在大功率p w m 整流器设计上， 还研究了基于软丌关( z v s 、z c s ) 控制的拓扑结构和相应的控制策略，这一 技术有待进一步完善。 ( 3 ) 关于电压型p w m 整流器的电流控制策略研究 为了使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策 略的研究显得十分重要。在p w m 整流器技术发展过程中，电压型p w m 整流 器网侧电流控制策略主要分成两类：一类是由j w d i x o n 提出的间接电流控制 策略；另一类就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 基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于间接电流控制的网侧电流动 态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略已经逐步被直接电流控 制策略取代。直接电流控制以其快速的电流响应和鲁棒性受到了重视，出现了 不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的s p w m 控 制，以及滞环电流控制。为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的p w m 控制在电压型p w m 整流器中取得了广泛的应用，并提出了多种方案。目前电 压型p w m 整流器网侧电流控制已开始将固定开关频率、滞环及空间矢量控制 相结合，以使其在大功率有源滤波等需快速电流响应场合获得优越的性能。此 外，控制策略上还出现了状态反馈控制。 ( 4 ) p w m 整流器系统控制策略的研究 在对p w m 整流器的研究过程中，出现了一些较为新颖的控制策略： p w m 整流器的时间最优控制 常规的d q 模型的电压型p w m 整流器控制，一般通过前馈解耦控制，并采 用两个独立的p i 调节器，分别控制相应的有功、无功分量。而有功、无功分量 间的动态耦合和p w m 电压利用率的约束，影响了电压型p w m 整流器有功分 西华大学硕士学位论文 量的动态响应。针对这一问题，有学者提出了直流电压时间最优控制。其基本 方法是根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在 动态过程中降低无功分量的响应速度，提高有功分量的响应速度，实现了时间 最优控制。 无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制 为了简化信号的检测，t n o g u c h i 等学者提出了一种无电网电动势传感器 p w m 整流器控制策略。这一研究主要包括两类电网电动势重构方案：一种是 通过功率估计，另一种是通过电流的偏差求导重构电动势。m r i e s e 则通过直 流侧电流的检测来重构交流侧电流，进而实现无交流电流传感器控制。 电网不平衡条件下的p w m 整流器控制 一般的策略研究总是假设电网是平衡的。实际上，电网经常处于不平衡状 态。当电网出现不平衡时，以三相电网平镛为约束所设计的整流器会出现不正 常运行，表现为：p w m 整流器直流侧电压和交流侧的低次谐波幅值增大，且 产生非特征波形，同时损耗相应增大。p w m 整流器的交流侧电流不平衡，严 重时可使整流器故障烧毁。 为了能使整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，有学者提出了不平衡 条件下，网侧电流和直流电压的时域表达式，认为电网负序分量使导致网侧电 流畸变的原因。电网不平衡条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐 波分量，交流侧会产生奇次谐波分量。d v i n c e n t i 等人较为系统地提出了正序 d q 坐标系中地前馈控制策略，即通过负序分量地前馈控制来抑制电网负序分量 地影响。但是由于该方法地负序分量在d q 坐标下不是直流量，导致p i 调节不 能实现无静差控制。因此，又有学者提出了正、负序双旋转坐标系控制，该方 法实现了无静差控制。但是，双旋转坐标系控制度的结构比较复杂，运算量大。 基于l y a p u n o v 稳定理论的p w m 整流器控制 针对p w m 整流器的非线性多变量强耦合的特点，常规的控制策略和控制 器的设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性处理方法，这种方法的不足之处 是无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，有学者提出了基于l y a p u n o v 稳定性理论的控制策略。这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建 立了l y a p u n a o v 函数，并由三相p w m 整流器的d q 模型以及相应的空间矢量 6 西华大学硕士学位论文 p w m 约束条件，推导出相应的控制算法。这一方案较好的解决了p w m 整流 器的大范围稳定控制问题。 ( 5 ) 对电流型p w m 整流器的进一步研究 随着超导技术的应用与发展，电流型p w m 整流器克服了自身的一些缺陷， 在近些年里取得了成功应用。由于在超导储能变流环节中应用的电流型p w m 整流器无需另加直流电感，并且具有良好的电流保护性能，因此与电压型p w m 整流器相比，电流型p w m 整流器显得更有优势。目前，电流型p w m 整流器 的研究主要集中在数学建模及特征分析、网侧电流畸变和谐振抑制及控制策略、 网侧滤波参数的优化设计和不平衡电网条件下的控制设计等上。 1 2 ，3p w m 整流器控制技术研究方向 控制技术是p w m 整流器发展的关键。近年来，有关p w m 整流器高频整 流控制技术的研究围绕在以下几个方面： ( 1 ) 减少交流侧输入电流畸变率，降低其对电网的负面效应。一般要求在 整个负载波动范围内，交流侧输入电流的总谐波畸变率低于5 。 ( 2 ) 提高功率因数，减少整流的非线性，使之对电网而言相对是“纯电阻” 负载。 ( 3 ) 提高系统的动态响应能力，减少系统的动态响应时间。 ( 4 ) 降低系统的开关损耗，提高整个装置的效率。 ( 5 ) 减少直流侧纹波系数，缩小直流侧滤波器体积，减轻重量。 ( 6 ) 提高直流侧电压利用率，扩大调制波的控制范围。 1 3 课题的研究目的和意义m 3 各种电力电子装置的使用对公用电网所造成的谐波污染问题受到了人们的 关注。据日本电气协会1 9 9 2 年发表的一项关于谐波源的调查报告表明，到2 0 0 1 年，a c d c 开关电源的需求平均年增长率为1 2 7 ，通讯设备配套用a c d c 开关电源增长率超过1 5 ，全球开关电源市场规模从9 2 年的8 2 亿增加到9 9 年 的1 6 6 亿美元，平均年增长率为1 0 ，到0 3 年全球开关电源规模超过2 8 8 亿 7 西华大学硕士学位论文 美元。因此，消除谐波污染并提高功率因数，已经成为电力电子技术中的一个 重大课题。同时，为了保证电网和用电设备的安全经济运行，目前许多工业国 家和组织都制定了相应的谐波标准，如国际电工委员会( i e c ) 制定的i e e e 5 5 5 2 标准对用电装置的功率因数和波形失真度作了具体的限制，欧洲也制定了相应 的i e c 一1 0 0 0 3 2 标准，我国国家技术监督局也于1 9 9 3 年颁布了电能质量公 用电网谐波标准( g b 1 4 5 4 9 9 3 ) ，并于1 9 9 4 年3 月1 日起正式执行。而我国 对高功率因数p w m 整流器的研究起步较晚，对p w m 整流技术的工程应用研 究还有待继续深入。 鉴于国际标准的要求、国内研究现状及a c d c 电源行业的巨大市场需求， 本课题显得尤为贴近实际。 1 4 本文的主要研究内容 本论文在进行了大量有关p w m 整流器控制的文献研究和资料分析的基础 上，主要完成一下工作： 1 首先阅读了大量关于三相高功率因数整流器方面的文章，对该系统及其 控制系统有了定的了解。通过对电压型p w m 整流器的工作原理进行了比较 详细的分析，建立了整流器的数学模型，为后面的分析提供了理论基础。 2 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器( d s p ) ，设计了系统的控制回路 和检测回路。 3 以三菱p s 2 1 8 6 7 功率智能模块( i p m ) 为硬件基础，设计了p w m 整 流器的主回路。 4 基于硬件实现方案，即通过t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部的s v p w m 硬件模块生 成p w m 波形，利用汇编和c 语言的混合编程，编写了其实现程序，完成了对 p w m 整流器的数字控制。 西华大学硕士学位论文 第二章p w m 整流器的工作原理、拓扑结构及数学模型 本章先对p w m 整流器的工组原理进行详细的分析，剖析其改善功率因数， 实现能量双向流动的原因，在此基础上，阐述了多种p w m 整流器的拓扑结构 并加以比较说明。接着，文章又建立了p w m 整流器的两种基本的数学模型， 并在本章最后简要介绍了几种p w m 整流器的控制方式。 2 1p w m 整流器的工作原理”h ” p w m 整流器是与传统整流装置关键性的不同之处是用全控型功率器件取 代了半控型功率开关或二极管，以p w m 斩控整流取代了相控整流或不控整流， 因此，p w m 整流器具有下列优越性能： ( 1 ) 网侧电流为正弦波； ( 2 ) 网侧功率因数可控或为单位功率因数； ( 3 ) 电能双向流动： ( 4 ) 较快的动态控制响应。 由此可见，p w m 整流器己不是一般传统意义上的a c d c 变换器，由于能 量的双向传输，当p w m 整流器从电网吸取能量时，则运行于整流工作状态： 而当p w m 整流器向电网传输电能时，则运行于有源逆变工作状态。单位功率 因数指的是：当p w m 整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位( 正 阻特性) ；当p w m 整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相( 负 阻特性) 。 n r r ” h 州 孓 一针 f i g 2 1t h em o d e lc i r c u i to fp w m r e c t i f i e r 图2 1p w m 整流器模型电路 9 西华大学硕士学位论文 因此，p w m 整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流 装置，下面从模型电路说明其基本原理。 从图2 1 可以看出，p w m 整流器模型电路是由交流回路、功率开关桥路 和直流回路组成的。其中交流回路包括交流电动势e 以及网侧电感l 等。直流 回路包括负载电阻r ，及负载电势e ，等。功率开关桥路为电压型或电流型桥路组 成。 当不计功率桥的损耗时，由交、直流侧功率平衡关系可得 v i = i d c ” ( 2 1 ) 式中， v ，f 为模型电路交流侧电压、电流。v 。，f 。为模型电路直流侧电压、电 流。 由式( 2 1 ) 可看到：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧， 反之亦然。下面从模型电路交流侧入手，分析p w m 整流器的运行状态和控制 原理。 为简化分析，对于p w m 整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略p w m 谐波分量，并且忽略交流侧电阻。稳态条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系 如图2 2 所示 d c a ) p u r ei n d u c t a n c eo p e r a t i o n a ) 纯电感特性运行 d b b c ) p u r ec a p a c i t a n c eo p e r a t i o n 曲纯电容性运行 r a t l o n d ) n e g a t i v er e s i s t a n c eo p e r a t i o n d 1 负阻特性运行 f i g 2 2t h es t e a d y s t a t ev e c t o ro fp w m r e c t i f i e rv cs i d e 图2 2p w m 整流器交流侧稳态矢量关系 1 0 妲一一 | 零 西华大学硕士学位论文 图2 2 中：，交流电网电动势矢量； y ，交流侧电压矢量： k ，交流侧电感电压矢量； ，交流侧电流矢量。 由图2 2 分析可知，当以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢 量v 即可实现p w m 整流器的四象限运行。假设i i 不变，kj = o n l l i 也是固定 不变，此时，p w m 整流器交流电压矢量v 端点运动轨迹为一个以眈i 为半径的 圆。当电压矢量y 端点位于圆轨迹a 点时，电流矢量，比电动势矢量e 滞后9 0 。， 此时p w m 整流器网侧呈纯电感特性，如图2 , 2a 1 所示：当电压矢量v 端点 运动到圆轨迹b 点时，电流矢量，于电动势e 平行且同向，此时，p w m 整流 器网侧呈正电阻特性，如图2 2b ) 所示；当电压矢量y 端点运动到c 点时， 电流矢量f 超前电动势矢量e9 0 。，此时，p w m 整流器网侧呈纯电容特性，如 图2 2c ) 所示；当电压矢量y 端点运动到d 点时，电流矢量，于电动势e 平 行且反向，此时，p w m 整流器网侧呈负电阻特性，如图2 2d ) 所示。上述中 的a 、b 、c 、d 四点是p w m 整流器四象限运行的四个特殊工作状态点，进一 步分析，可得p w m 整流器四象限运行规律： ( 1 ) 当电压矢量y 端点在圆轨迹a b 上运动时，p w m 整流器运行于整流 状态。此时，p w m 整流器需从电网吸收有功及无功功率，电能将通过p w m 整 流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当p w m 整流器运行在b 点时， 则实现单位功率因数整流控制。而在a 点运行时，p w m 整流器则不从电网吸 收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。 ( 2 ) 当电压矢量矿端点在圆轨迹b c 上运动时，p w m 整流器运行于整流状 态。此时，p w m 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传输至直流负载。当p w m 整流器运行至c 点时，此时，p w m 整流器将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。 ( 3 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹c d 上运动时，p w m 整流器运行于有源 逆变状态。此时p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输至电网。当p w m 整流器运行至d 点时，便可实现单位功率 因数有源逆变。 1 l 西华大学硕士学位论文 ( 4 ) 当电压矢量y 端点在圆轨迹d a 上运动时，p w m 整流器运行于有源 逆变状态。此时p w m 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传输至电网。 2 2p w m 整流器电路拓扑 p w m 分类方法很多，但最基本的分类方法是将其分为电压型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 ) 和电流型p w m 整流器( c u r r e n ts o u r c e r e c t i f i e r , c s r ) 两大类，这主要是因为电压型、电流型p w m 整流器，无论是 在主电路结构、p w m 信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，且两者 间存在电路上的对偶性。 2 2 1 电压型p w m 整流器拓扑结构 1 单相半桥、全桥v s r 拓扑结构 如图2 3 是单相半桥和全桥电路拓扑结构，两者交流侧结构相同，交流侧 的电感主要用以滤除电流谐波。 卜 a ) s i n g l e p h a s eh a l f - b r i d g ev s rc i r c u i t a ) 单相半桥v s r 西华大学硕士学位论文 l 女 b 1s i n g l e p h a s ef u l l 。b r i d g ev s rc i r c u i t b 1 单相全桥v s r f i g 2 3t h et o p o l o g yo fs i n g l e - p h a s ev s r 图2 3 单相v s r 电路拓扑 由图知，单相半桥v s r 只有一个桥臂为功率开关，另一桥臂由两个电容串 联组成，两串联电容兼做直流侧储能电容；而单相全桥v s r 的两桥臂都采用功 率开关，图中的反并联的二极管为续流二极管，用来缓冲p w m 过程中的无功 电能。对比可见，半桥电路结构简单，造价低，因此常用于低成本、小功率的 场合。然而，在相同的交流侧电路参数条件下，要使单相半桥v s r 和单相全桥 v s r 获得同样的交流侧电流控制特性，半桥电路直流电压应是全桥电路直流电 压的两倍，因此功率开关耐压要求相对提高。另外，为使半桥电路中电容中点 电位基本不变，还需引人电容均压控制，可见单相半桥v s r 的控制相对复杂。 2 三相半桥、全桥v s r 拓扑结构 a ) t h r e e p h a s eh a l f - b r i d g ev s r c i r c u i t a ) 三相半桥v s r 卜 陌华大学硕士学位论文 k b ) t h r e e p h a s eh a l f - b r i d g ev s rc i r c u i t b 、三相全桥v s r f i g 2 4t h et o p o l o g yo ft h r e e - p h a s ev s r 图2 4 三相v s r 电路拓扑 如图2 4a ) 为三相半桥电压型p w m 整流器拓扑，这是一种最常见的三相 p w m 整流器，其交流侧采用三相对称无中线连接，3 个桥臂具有6 只功率开关。 图2 4b ) 为三相全桥v s r 拓扑，其公共直流母线上连接了三个独立控制的单 相全桥v s r ，并通过变压器连接至电网。因此，三相全桥v s r 实际上是由三 个独立的单相全桥v s r 组合而成的，当电网不平衡时，不会严重影响p w m 整 流器控制性能，由于三相全桥电路所需的功率开关管是三相半桥电路的两倍， 所以三相全桥电路一般较少采用。 上述的1 和2 拓扑都属于常规的二电平拓扑结构，其不足之处是在高压场 合下，需使用高反压的功率开关或多个功率开关串联使用。此外，由于v s r 交 流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，会导致谐波含量相对较 大。 3 三电平v s r 拓扑结构 1 4 阮， 西华大学硕士学位论文 f i g 2 5t h et o p o l o g yo ft h r e e p h a s ea n dt h r e el e v e lv s r 图2 5 三相三电平v s r 电路拓扑 三电平v s r 可以解决二电平v s r 的不足。从图2 5 可以看到，这种拓扑 结构中以多个功率开关串联使用，并采用二极管筘位以获得交流输出电压的三 电平调制，因此，三电平v s r 在提高耐压等级的同时有效的降低了交流侧谐波 电压、电流，从而改善了其网侧波形品质。三电平电路所需功率开关与二电平 相比成倍增加，并且控制也相对复杂。 4 基于软开关调制的v s r 丰 = 一k本 = 一(o i 士也j 】【_ r k 本t - 一j u 1 7 k 鬯d 1 e ： 三 一 l = 醑一k 可，丌 ： ：一 ：b 。s i nc o t + y n 。c o s c o t ( 2 1 5 ) 对于一个s p w m 酣自然采样频率，在一个周期内的转换点并不是对称的。 然而，当转换频率比固有频率大的多的时候，在一个转换周期内调制波可被看 成一个常量。因此，转换部分接近对称了，如图( 2 9 ) 所示 f i g 2 9t h em o d u l a t i n gw a v ei nas w i t c h i n gc y c l e 图2 9 一个转换周期内的调制波 对进行偶拓展得： 小如薹( 刮磊2s i n ( n d j r ) c o s 。m ( 2 1 6 ) 2 0 丑 刚 。 西华大学硕士学位论文 令d ? = s 。代入方程( 2 1 4 ) ，这样( 2 1 4 ) 就由带开关函数得方程变为了连 续方程，如下： c d m u a c 。d 。“d 。“d 。- i l l ；i d i + r 。i ，= u a - b l d 。d ，一u n c l ，百d i b + r ，f b = u o - u a 。d b - u u o t 鲁删。= u , - u d 。d 。- u 。o “。一；嘣d 。“地) ( 2 1 7 ) 式中d 。为一个开关周期内开关函数文的平均值，由于开关函数是幅值为1 的脉冲，所以其平均值等于其占空比。根据状态空间平均定义三相相电压平均 值函数。 令 d 二= 丸一； 。+ d 。+ d 。 d 二= d 6 一l ( d 。+ d o + d 。 d 二= d c j 1 ( d 。+ d 。+ d 。 扣 扛 可得基于状态空间平均法p w m 整流器等效模型： 2 1 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 1川川1川 矿 办 办 + + + 6 6 b d d d + + + ： 出 出 出 “ “ “ = = = 栅 苫 饥 “ h “ 西华大学硕士学位论文 f i g 2 1 0t h ep w m r e c t i f i e re q u i v a l e n tm o d e lb a s e ds t a t e s p a c et h e o r y 图2 1 0 基于状态空i h q 平均法p w m 整流器等效模型 对于幅相控制，相角l 王，和调制系数m 将控制d j ，第i 相的占空比d 。可表示 女下：如丢+ 詈c o s 【叫一妒一i 2 叫 根据文献【1 1 】，可得：。：害篓兰善咚 ，妒：o。 ks i n 缈+ r ) 。1 这里，e = e 。2 ，r = a r c t g ( q l ) r ，e 。是的稳态值，q 是的稳 态值，妒是功率因数角，伊= 0 表示单位功率因数。 八胤。 vv wvvv f i g 2 1 1m o d u l a t i n gw a v ea n dc a r r i e rw a v eu n d e rm a g n i t u d ea n dp h a s ec o n t r o l 图2 儿幅相控制下的调制波和载波 西华大学硕士学位论文 第三章整流器主电路参数的选择 主电路参数的选择主要是指直流侧电压、交流侧电感和直流侧电容的选取。 3 1 直流侧电压的选定啤1 直流侧输出电压u 。不仅要满足负载对电压的要求，而且要能控制流过滤 电感l 中的电流波形为正弦。从电源控制方面看，u 。过低，将会导致交流侧 电流畸变严重，甚至不能跟随给定：u 。过高，将会提高器件的耐压定额，增 加成本，也会降低系统可靠性。 由原理图2 4a ) ，可以看出，要保证续流二极管只在续流时导通，系统完 全可控，直流电压u 。必须不小于输入端a 、b 、c 处的交流线电压基波的峰值。 在滞环电压控制方式下，。产生的三相桥输入端线电压基波最大值为 4 3 u 。2 ，而交流侧三相对称系统电压合成矢量幅值为鲫。2 ( u 。为相电压峰 值) ，因此，4 3 v 。2 芑3 u 。2 ，及直流侧电压满足： u n 叫。 ( 3 1 ) 在交流电源电压最大值或有效值给定后，可根据( 3 1 ) 大致确定直流侧电 压值。 3 2 交流侧电感的设计 在v s r 系统设计中，交流侧电感的设计至关重要，这是因为v s r 交流侧 电感的取值不仅影响到电流环的动、静态响应，而且还制约着v s r 输出功率、 功率因数以及直流电压。v s r 交流侧电感的主要作用可归纳如下： 1 ) 隔离电网电动势与v s r 交流侧电压。通过v s r 交流侧电压幅值、相位 的p w m 控制，或通过v s r 交流侧电流幅值、相位的p w m 控制均可实现v s r 四象限运行。 2 ) 滤除c s r 焦炉测p w m 谐波电流，实现v s r 交流侧正弦波电流或一定 范围内的任意电流波形控制。 3 ) 使v s r 具有b o o s tp w ma c d c 变换性能及直流侧受控电流源特性。 西华大学硕士学位论文 4 ) 使v s r 获得良好电流波形的同时，还可以向电网传输无功功率，实现网 侧纯电感、纯电容特性运行。 5 ) 使v s r 控制系统获得了一定的阻尼特性，有利于控制系统的稳定运行。 可见，交流侧电感的选取对整个系统有很大的影响。在实际系统没计中， 直流侧电压选定后，交流侧电感的设计对电源电流波形影响很大，一方面它影 响到输入电流谐波含量，总的输入电流谐波畸变率定义为： t h d = ( 1 h ，。) x 1 0 0 = ( ，；+ ，；+ + ，? + + ，：) ，? x 1 0 0 ( 3 ，2 ) 式中，。为所有谐波电流分量的总有效值，f ，为基波电流有效值。因此，从 滤波的角度看，希望交流侧电感不能太小；另一方面，电感参数的选择也影响 了实际电流的跟踪速度。设计交流侧电感应考虑以下两个方面： 1 ) 电感设计不能太小，否则输入电流的谐波过大。 以a 相分析，由式( 2 9 ) 可得 l ，d i 。a t = u 。+ k 。u = u 。+ ( - 2 s 。+ s b + s 。) 3 ( 3 3 ) 写成增量形式 出4 = t s 。+ k 。u k ) l ；= ( ；u 。+ k 。u h ) z 。l ( 3 4 ) 其中t 为斩波开关周期。从每个控制周期内电流波动幅值的要求考虑，越。 最大不超过f 。的0 2 倍，上式中，当【，。取最大值，k 。取最大2 3 时，出。波 动最大，此时满足： a i 。= ( 【，+ 2 3 u 女) l ，丘so 2 i 变换上式可得： 9 一 u + 詈u 女- , 2 u 。+