（电力电子与电力传动专业论文）高功率因数pwm整流器在串级调速系统中应用.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nw i n dm o t o r a n dw a t e rp u m p se n e r g ys a v i n g b u ts e m i c o n d u c t o rc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ( s c r ) u s e di nt h e s ee q u i p m e n tc a u s e sl o wp o w e rf a c t o ra n dh a r m o n i cp r o b l e m w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i cp a r t sa n dn e wm e t h o do fp w mc o n t r o l ，p w m r e c t i f i e ri su s e di nc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e ms ot h a tr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mi s d e e p l yi m p r o v e d d u et ot h em e r i t so f p o l l u t i o n - f r e e ，b i d i r e c t i o np o w e rt r a n s f e ra n d h i 曲p o w e rf a c t o r , t h ep w m r e c t i f i e rc a nb ea ni d e a le l e c t r i ca p p l i a n c ea n dh a s b e c o m eah i g h l i g h ti nt h ef i e l do f p o w e re l e c t r o n i c s s oi ti ss i g n i f i c a n tt ob r i n gi tt o t h ef e e d b a c kc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo ff e e d - b a c kc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e ma n d s e v e r a lp o p u l a rf e e d - b a c kc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m , b r i n gh i g hf a c t o rp w m r e c t i f i e rt of e e d b a c kc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp w m r e c t i f i e r ，m o d e l so fh i g hp o w e rf a c t o rp w mr e c t i f i e ra r es e tu pi na b cc o o r d i n a t e ， 口，c o o r d i n a t e ，a n dd qc o o r d i n a t e t h em e t h o do fc o n t r o lp w mr e c t i f i e ri n c l u d e d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la n di n d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 t h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls y s t e m i ss i m p l ea n dw i t h o u te x p e n s i v ec u r r e n ts e n s o r t h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls y s t e mh a s 1 l i g hq u a l i t yr e s p o n s ea n de x t r e m e l yp r e c i s i o n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o li st h et e n d e n c y o fp w mr e c t i f i e rr e s e a r c h s ot h er e s e a r c hi nc h a p t e rt h r e ei se m p h a s i so nd i r e c t c u r r e n tc o n t r o la n dd i s c u s s e ss e v e r a ld i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o nm o d e lo fs v p w mr e c t i f i e ra n ds e v e r a ld i r e c tc u r r e n tc o n t r o l s y s t e mi sb u i l tu pu n d e rt h em a t l a b s i m u l l n kp l a t f o r m t h er e s u l to f s i m u l a t i o nr e f l e c tt h ep r o p e r t i e so fd i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls y s t e ma n di su s e f u lt o d e s i g nt h ep w mr e c t i f i e r c o m p a r et h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lp w mr e c t i f i e ra n d d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lp w m r e c t i f i e r , t h ea d v a n t a g eo fc u r r e n tc o n t r o lp w mr e c t i f i e r i so b v i o u s t or e a l i t yt h ep w mr e c t i f i e r ，h a r d w a r ep l a t f o r mi sb u i l d u pu s e dt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t h e 7 上海大学硕士学位论文 d e s i g no fh a r d w a r e ，f l o wo fs o f t w a r ea n dm e t h o do ft h ec o n t r o li sp r e s e n t a f t e rf i n i s ht h e s o f t w a r e p w mr e c t i f i e ri sd e b u g e d k e y w o r d s ：p w m r e c t i f i e r ，s v p w m ， f e e d - b a c kc a s c a d e s p e e d c o n t r o l ，m a t l a b ，c u r r e n tc o n t r 0 1 8 j 二海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 大功率风机、泵类负载调速发展现 状 在我国，电力、石化、矿山、冶金及给排水等领域，风机和泵类负载是应用最广 泛、耗电量最大的一类生产机械。据统计，泵和风机的耗电量占到整个工业用电量 的4 0 以上，而风机、水泵用电量的3 0 - 4 0 消耗在调节阀门及挡板上，使用中存 在运行效率低的缺点，这样就造成了电能的巨大浪费，与经济运行标准还有相当大 的差距，在能源日趋紧张的今天，如果能够对风机、泵类负载的节能技术改造有一 个突破性的研究，将形成巨大的经济效益【4 】。 风机、泵类负载一般调速范围不宽，对调速性能要求也不是很高，而且为二次 型负载，转矩与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比，所以这类负载的 节能潜力相当大。目前大功率电动机调速装置主要有两大类：定子侧直接变频的高 压变频器技术和转子侧串级调速。如果对于风机、水泵这类调速范围不宽，调速性 能要求不高的场合，采用定子侧直接变频来实现，其性价比较低，所以采用转子侧 串级调速不愧是一种好的，又比较经济的方案。然而传统串级调速的缺点就是功率 因数比较低，使这种方案的推广受到限制。斩波串调虽然比传统串调有很大的改进， 但是功率因数还是比较低，因为其后端逆变装置依然是可控硅，还是通过自然换相 点来实现逆变，本质上并没有得到很大的改善。为了彻底克服这一缺点，提高功率 因数，可以考虑引进了p w m 整流技术，把后端的可控硅逆变换成i g b t 逆变，其拓 扑结构如图2 6 所示2 】【艚1 。由于p w m 整流器可以四象限运行，功率因数可调，使得 串级调速系统的功率因数真正得到了提高。正因为p w m 整流器的重要性，因此本 文的课题就是完成内反馈斩波串级调速系统装置中的p w m 整流器部分，而且这个 部分相对独立，在第二章中简单介绍了串级调速系统，其余的章节将重点介绍p w m 整流器。 1 - 2 三相整流器的发展与现状 电力电子装置已经广泛的运用在工农业生产中，例如冶金、化i 、交通、传动、 上海大学硕士学位论文 电力、煤炭、通讯、家电等领域。多数的电力电子装置都是通过整流器来与电网接 口的。整流器在能源和设备之间起到了衔接的作用，从而三相整流器的发展研究得 到了人们的高度关注。整流器的发展大致经过了三个阶段：不控整流、相控整流和 p w m 整流。 最初采用的二极管整流也就是不可控整流，主回路电路简单，但是电流中含有 较大的谐波分量，对电网产生污染，引起公害。特别是大功率场合，其功率因数受 电路参数影响较大。二极管整流不便于大范围平滑调节输出电流或电压，它只能单 方向传递能量，节能性差，现多用于变频器中整流部分等无需控制的场合。 半控的晶闸管取代了不可控的二极管，相控整流技术得到了发展。相控技术， 就是通过控制晶闸管门极，触发脉冲与输入电压间的相位( 通常称为触发延迟角a ) 来 改变输出电压大小或调节输出电压极性。相控整流由于采用自然换流方式，无需附 加强迫换流电路，因而结构简单、控制方便。但它的缺点也不容忽视：深度相控下 交流侧的功率因数很低：交流侧输入端电流畸变；由换流引起的电网电压波产生畸 变；滤波器体积笨重，也增加了系统的成本。 从上面的分析可以得到这样的结论：无论是二极管不可控整流还是晶闸管相控 整流，其产生的谐波含量高都将导致电网正弦电压畸变，影响电网的质量。这使电 网的容量造成了很大的浪费而且产生的谐波污染也严重地干扰了其它电网上的设 备，同时电网的可靠性也大大的减小。国际很多的机构已经针对这种现象采取了相 关的措施并且作出了相关的规定限制，以保证设备对电网产生的影响不影响其他在 网设备。我国的工业正在蓬勃的发展，电力电子技术日渐成熟，随着产品的国际化 步伐的加快，为了迎合世界潮流，迫切需要新的技术和新的控制方法以及新的器件 来推动整流器的技术发展【5 1 】。 p w m 整流技术正是在这种呼声中发展起来的一门新型的控制技术。将p w m 技 术引入整流系统中，和常规的相控晶闸管整流相比，以全波整流代替了相控整流， 因而提高了系统的功率因数，减小了高次谐波对电网的影响：输出电压波形由方波 改进为p w m 波，谐波分量大大减少，得出的波形很容易处理成想要得到的波形【2 5 1 。 近年来，高功率因数整流受到了越来越多的重视，其控制策略和拓扑结构处于不 断发展中，很多种先进的方法和控制思想都相继提出。国外已经有了大功率的工业用 机，但我国还主要是中小功率的设备，而且大多数集中在实验室。随着市场需求的发 上海大学硕士学位论文 展，p w i v l 整流器会逐步走出实验室，走向市场。 1 - 3 课题研究的背景和研究意义 本论文课题来源于上海科祺电气调速系统公司的项目“高功率因数串级调速系 统”。该课题涉及很多方面的技术研究，比如斩波调速、i g b t 并联技术、p w m 整流技 术、现场总线技术、高压设备技术及系统工艺结构等等。本课题针对其中的p w m 整 流器技术进行详细的理论分析和仿真研究，用高性能的d s p 处理器对p 州整流器系 统进行数字化实现，提高了系统的控制性能和可用性。对风机、泵类负载采用串级 调速的优点是很明显的。这是因为串级调速的主要优点就是可以用容量较小的变流 装置在转子端来调节高压、大功率绕线式异步电动机的速度，从而把定子端的高压 调速转变成转子端的低压调速，把转差功率馈送到电网中去。而且串级调速系统比 较安全，在系统出现故障的情况下可以短接转子，旁路控制系统，电机依然可以全 速运行，而不用停机。但是功率因数比较低是传统串级调速系统的一个突出的缺点， 高速满载的情况下约为0 6 ，低速时总功率因数更低，对能源造成很大的浪费，而且 也对电网造成很大的污染。因此克服原有串级调速系统功率因数低的缺点是很多企 业和学者努力的方向，本课题就是这样一个大课题里的子课题：p 删整流器的研究和 开发。把p w m 整流器引入串调代替原有系统的可控硅逆变是技术上的一大进步。 本章小节 主要介绍了目前国内外大功率风机、泵类负载调速发展现状，传统机械方法产生 能量的大量浪费促进了电气调速方式在这些负载场合的应用。串级调速系统相对直 接变频调速具有装置体积小、成本低等优点适合大功率风机、水泵类负载。传统采 用晶闸管进行能量回馈的串调方法功率因数低、对电网造成很大的污染，且造成很 大的能量浪费，高功率因数p w m 整流器具有功率因数高、可以四象限运行等优点。 将高功率因数p w m 整流器应用到内反馈串级调速系统中将会有非常大的现实意义。 4 上海大学硕士学位论文 第二章串级调速的原理及常用方法 2 1 异步电机串级调速的工作原理 异步电机串级调速的工作原理是在异步电机的转子回路中串入一个频率和转子 回路频率相同的电动势，通过改变串入电动势的大小和幅值来改变电动机的机械特 性，从而达到电机调速的目的。在实际的系统中转差功率中除去转子本身绕组吸收 的能量外，其余的能量被附加的电动势吸收，在低速时表现得更为明显直接。为了 提高系统的效率减少能源的浪费，需要把这些转差能量合理利用，利用他们带动一 些负载或者直接回馈给电网，如图1 所示。 图2 1串调原理图图2 2 转子串入电动势原理图 在分析系统的时候，暂时可以不考虑后面的能量变换装置，研究串入电动势后，电 机的一些机械特性和调速的实现。异步电动机工作时，转子上面的电动势与转差率 成正比，如图2 2 所示的原理图中，如果串入的电动势为0 时，转子频率也与s 成正 比，漏抗大小也与频率成正比，由电机的等效电路图可以得出，在转子短路的情况 下，转子上的相电流为： ，：1 丝! 一( 2 1 ) r ；+ ( 瞄。) 2 如果在电路中串入一个与转子电动势有着相同频率的幅值和相位可以调节的附加电 动势，则转子回路中的相电流表达式为： ，：1 丝；! 圭篁些( 2 2 ) r ，+ ( 饼，0 ) 2 如果电机运行在电动状态，当在电机的转子回路中串入一个有效值为正的附加电动 上海大学硕士学位论文 势的值时，此时转子回路中的相电流表达式为： j ，：1 兰些兰量些( 2 3 ) 耳2 + ( s x m ) 2 转子回路中电流的值会变大，由电机运行的转矩公式： m = c 村2c o s 伊2 ( 2 4 ) 得知，电动机的电磁转矩就会加大，由原先电磁转矩等于负载转矩的稳定状态转变 为电磁转矩大于负载转矩的不稳定状态，电机就会加速，速度上升后，转差率s 就 会减小，s 减小后，电机转子回路中的电流就会减小，电动机的电磁转矩就会减小。 当电磁转矩和负载转矩再次平衡的时候，电机又达到稳定的状态，从而又进入了一 个平衡。从公式中可以得到，当转子回路中串入的电动势足够大的时候，在负载不 变化的时候，电机的转速必然超过同步转速，此时出现的情况就是s 小于0 ，电机运 行于超同步状态。电机中串入的电动势越大，电机的转速就会随着变大，可以实现 从稳定转速到更高转速转变的一个调速过程4 1 。 再分析一下电机的转子回路中串入一个有效值为负的附加电动势的值时的运行 情况，均假设电机原先运行在稳定的电动状态，此时转子回路中的相电流表达式为： j ，：! 兰些兰些 ( 2 5 ) 胄，2 + ( s o ) 。 转子回路中电流的值会变小，由电机运行的转矩公式( 2 4 ) 电动机的电磁转矩就会减 小，由原先电磁转矩等于负载转矩的稳定状态转变为电磁转矩小于负载转矩的不稳 定状态，电机就会减速，速度下降后，转差率s 就会增大，s 增大后，电机转子回路 中的电流就会增大，电动机的电磁转矩就会增大，当电磁转矩和负载转矩再次平衡 的时候，电机又达到稳定的状态，从而又进入了一个平衡。从转予回路相电流公式 和电机机械特性可以得到，电机中串入的电动势越大，电机的转速就会随着减小， 从而可以实现从稳定转速到低转速转变的一个调速过程。 从上面的分析可以得到，在电动机转子串入一个附加电动势时，由于电机转子 回路感应电动势频率随转差率的变化而变化，所以对串入电动势的要求是频率必须 随电动机转子回路感应电动势的频率一致。这就要求在异步电动机的转子回路中串 入一个与转予电动势同频率幅值和相位可以调节的附加电动势来调节电动机的转速 3 1 1 4 1 d 3 1 1 1 5 1 。 1 6 上海大学硕士学位论文 在实际的串级调速系统中，想要的状态基本上是在电动状态下的低于同步转速 下的调速方式，也就是次同步电动状态。此时可以用如下的方法来实现附加电动势。 由于对交流量的控制比较复杂，同时也比较难实现，可以先将交流的转子电压整流 成直流电压，从而就得到了一个直流电压控制量，这样就把从控制一个多变复杂的 交流量转变为控制一个直观的直流量。交流量的控制要考虑频率等问题，而转变成 直流后就没有这样的问题，使分析更加容易。在系统中，可以把交流电动势通过整 流转变为直流量，再通过一些变流装置使能量能够被重复利用而且可以控制直流侧 的直流电压的大小，从而达到控制转子回路中被变换的交流附加电动势的大小来调 节电动机的转速。为了达到控制系统的要求，变流装置必须控制直流侧电压平滑可 调，以保证对电机转速的平滑调节。从功率传递和能源效率来看，希望能吸收从电 动机转子侧传递过来的转差功率并加以利用。比如把能量回馈到电网、电动机或一 些装置，避免让它白白地消耗掉，可以大大地提高调速的效率，节约能源。当然也 可以选择一些可控器件和非消耗型器件来完成系统的要求，利用晶闸管可控整流器 作为产生直流电动势的电源把能量回馈到电网、或回馈给内反馈电机调节绕组，还 可以通过i g b t 等器件来实现如上功能2 0 【4 2 l 【4 3 】。 2 2 几种串级调速方法的实现和比较 串级调速系统非常适合大功率风机和泵类等调速范围不大的负载系统，它与其 它类型的调速方法相比，有着独特的优点。在大功率和中压高压调速系统中，控制 系统的稳定性和易控性也是所追求的。直接采用电机定子侧直接变频往往所用的控 制设备都是高压的、大功率的，成本增加，控制的难度明显增大，而且很难解决干 扰等问题。用低压控制高压设备就有着成本低、可操作性好、干扰明显小等优点。 在串级调速系统中，由于是在转子侧调速的，调速系统的容量就很小，在低速的时 候，负载转矩很小，s 大：在高速的时候，负载转矩大，s 小，所以调速装置的功率 很小。串级调速系统在启动或者控制系统故障时切换操作容易、安全，同时也不会 在很大程度上影响系统的运行。通过一些继电器和开关装置，在电机调速系统的控 制装置出现故障的时候，可以通过开关直接短路让电机直接运行，切除调速装置， 不会带来很大的影响。修复好控制装置以后，可以再切换接入控制装置。由此可知， 这样的系统具有很大的安全性和稳定性，确保整体系统的运行。大功率的系统在启 动的时候，大电流冲击也是需要避免克服的一个重要环节。串级调速系统可以很方 上海大学硕士学位论文 便的避免大电流冲击启动，在启动的时候可咀通过开关使转子回路中串频敏变阻器 限制起动电流，起动平稳。待起动完成后，再切换到正常状态或者进入调速状态， 不会对电网带来很大的电流冲击。 图2 3 传统串调原理图 图2 4 靳波串调腺理图 传统串级调速系统也有本身的缺点，变流装置的落后、体积庞大、能量利用效 率低下等等。串级调速系统经过了长时间的发展也有了长足的进步，已经越来越完 善，具备了能量的利用效率高的特性，可以满足工业的需要。下面就分析一下常见 的串级调速系统，通过这些系统的物理结构和常见的控制方法来阐述传统系统的特 性和优缺点。 2 2 1 传统串级调速方法 传统串调主回路如图2 3 所示，电机转子转差输出功率经二极管整流、平波电 抗器l 滤波、晶闸管逆变后回馈电网。通过控制晶闸导通角来改变直流电压( 等效 的串入电动势) 来调节电机转差进行调速。 上海大学硕士学位论文 2 - 2 2 斩波式串调 斩波式串级调速在传统的串调系统的基础上加入了升压式( b o o s t ) 斩波器。如 图2 4 所示，交流调速电机的部分转子转差功率移出来，经二极管整流、斩波器、晶 闸管逆变后回馈电网。通过控制i g b t 占空比来调节电机转差进行调速。由于加入了 斩波部分，可以使可控硅逆变器工作在最小逆变角，因此功率因数得到很大的提高。 但这种方式由于采用了逆变变压器，所以整个系统比较庞大。 2 - 2 _ 3 斩波内馈式串调 内反馈电机就是在电机定子绕组中多加一套调节绕组，转子上的转差能量变换 后向内馈电机的调节绕组供电。在整个系统中由于能量回馈给了电机，从而节省了 变压器，使电机和变压器合为一体。 斩波式内反馈串级调速系统以内馈电机作为主体，将电机转子侧转差能量经过 整流变换、升压、逆变回馈给内反馈电机的调节绕组，大大的简化了系统的结构。 由于采用了内馈电机，省去了逆变变压器，从而减少了系统体积。在实际应用中发 挥很大的经济效益【7 3 】。 图2 5斩波内馈式串调原理图 2 2 - 4p w m 整流式的斩波串调 逆变部分采用晶闸管的串调系统，功率因数比较低，带来的谐波污染比较大， 采用高功率因数的p w m 整流器来替代原有系统的晶闸管逆变部分，能使系统的功率 上海大学硕士学位论文 因数大大提高或者接近一，使调节绕组的电流和电压基本上同相位。该系统的功率 因数还可以根据实际需要在一定范围内调节，比较灵活，能够适应很多的工业场合。 由于斩波串级调速系统中，逆变部分相对而言比较独立，所以本论文后续的章节主要 介绍p w m 整流器f 2 0 1d 3 i 4 2 1 。 图2 6p w m 整流式串调原理图 本章小节 本章中主要论述和分析了串级调速系统的工作原理，并概述了传统调速系统方 法、斩波式串级调速方法、斩波内馈式串级调速方法、p 1 e v i 整流式整流器串级调速方 法的实现和原理，斩波式串调方法对于传统的方法可以使逆变器工作在最小逆变角， 容易对系统进行控制；斩波内馈式串调方法相对斩波串调方法使系统的体积有了很 大的减小：p w m 整流式串级调速方法功率因数比较高，能量的利用率比较高。在几 种串调方法中，p w m 整流式串调是国内研究的热点课题，能量利用率高，对电网污染 小，对p w m 整流式串级调速系统进行研究推广将会产生很大的现实效益。 p w m 整流器在串级调速系统中的应用将会使串级调速系统的控制性能得到很大 的改善，并且会带来很大的经济效益。串级调速系统中有很多难点例如斩波调速、 i g b t 并联技术、p w i t t 整流技术、现场总线技术、高压设备技术及系统工艺结构。本 文重点分析和研究p w m 整流器系统。 上海大学硕士学位论文 第三章高功率因数p w m 整流器 虽然采用斩波控制技术可以提高串级调速系统的功率因数，但是没有改变晶 闸管逆变桥通过电网电压换流的本质，依然有相位滞后，还是需要从电网吸收大量 的无功功率，功率因数想再次提高很难。针对这个问题，引进p w m 整流技术，改变 原有串级调速系统的拓扑结构成分，把晶闸管逆变结构换成i g b t 的p 1 i m 整流结构， 外接电感l ，起储存、传递能量和平衡电压的作用，其结构图如图2 6 所示。采用 这种方案不仅可以使调节绕组电流和电压同相位，甚至可以按照需要产生容性功 率，补偿电网的无功，使整个系统的功率因数得到提高。由于i g b t 具有自关断能 力，在调节绕组失电的情况下，可以克服可控硅不能克服的逆变颠覆故障，使系统 的可靠性得到提高【3 4 l 【7 2 1 。 3 1p w m 整流器工作原理 工业化程度的提高，各种变流装置得到了广泛的应用，一些不控整流电路和相 控整流电路的使用给电网注入了大量的谐波和无功，给电网带来了污染。解决电网 污染和提高功率因数的根本措施就是使交流网侧的电流信号正弦并且和电压信号 同相位，也就是所说的功率因数等于1 ，p w m 整流器也正是在这样的情况下发展起来 的，p w m 整流器可以有以下的优越性甜3 0 】【3 1 】： ( 1 ) 网侧电流为正弦波； ( 2 ) 网侧功率因数控制( 如单位功率因数控制) ； ( 3 ) 电能双向传输； ( 4 ) 较快的动态控制响应； 下面将对p w m 整流器的运行状态和控制原理进行阐述。 在稳态的条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系如图3 1 所示： e _ 一交流电网电动势矢量v 一交流侧电压矢量 上海大学硕士学位论文 v i _ 交流侧电感电压矢量 i 一交流侧电流矢量 图3 1 交流侧矢量关系图 为了分析的方便，在上面的p w m 整流器模型电路中，只考虑基波分量而忽略 p w m 谐波分量，同时忽略交流侧电阻。定义电网电动势矢量做为向量参考，可以 发现通过控制交流电压矢量v 即可以实现p w m 整流器的四象限运行，从图3 1 可 以看出，h 如果不变，电流和电压相差的角度从0 3 6 0 变化中就绕成了一个圆，在 这3 6 0 度的某些特殊的时刻点如图3 1 所示的a 、b 、c 、d 点建立网路电压的平衡 关系，就可以得到当电压矢量v 端点位于圆轨迹a 点的时候，电流矢量i 比电动势 e 滞后了9 0 度，此时可以看出p w m 整流器网侧呈现纯电感特性，如图3 1 ( a ) 所示。 当电压矢量v 端点运动至圆轨迹b 点时，电流矢量i 与电动势矢量e 平行且同向， 此时p w m 整流器网侧呈现正电阻特性，如图3 1 m ) 所示。当电压矢量端点运动至 圆轨迹c 点时，电流矢量i 比电势矢量e 超前9 0 度，此时p w m 整流器网侧呈现 纯电容特性，如图3 1 一( c ) 所示。当电压矢量v 端点运动至圆轨迹d 点时，电流矢 量i 电动势矢量e 平行且反向，此时p w m 整流器网侧呈现负阻特性，如图3 1 ( d ) 所示。以上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 9 1 1 2 6 1 1 4 4 。 由于内反馈斩波串级调速系统主要运行在有源逆变状态，把转子侧能量逆变回 调节绕组，所以系统中p w m 模块主要运行在逆变状态。 3 2p w m 的拓扑结构 伴随着整流器越来越大规模地运用于工业和生活中，p w m 整流器得到了很大 的发展，且被灵活地应用在工业生活控制中。为满足人们的方便，p w m 整流器根 据不同运用场合、不同的特征被划分为各种类型。通常的结构分类方法是将p w m 整流器分成电压型的和电流型的两大类。这两种结构的根本区别就是直流侧能量的 储存方式，电压型p w m 整流器直流侧采用电容进行储能，电流型p w m 整流器直 流侧采用电感的方式进行储能。但长期以来，电压型p w m 整流器以其简单的结构、 较低的损耗、方便的控制等一系列优点，一直成为p w m 整流器研究的重点。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 滤波环节所导致 的电流畸变、震荡等问题，使其结构和控制相对复杂，从而制约了电流型p w m 整 上海大学硕士学位论文 流器的应用和研究，因此本系统也采用了电压型p w m 的拓扑结构，而电压型p w m 拓扑结构尤其以三相半桥v s r 拓扑结构最为常见，所以下面将重点介绍三相半桥 v s r 拓扑结构【5 】【6 【1 2 l 【2 l 】【2 4 1 。 - - t np w m 整流器 图3 2 三相p w m 整流拓扑结构示意图 2 如图3 2 为三相半桥v s r 拓扑结构，其交流侧采用三相对称无中线连接方式， 采用了6 个功率开关管。图中c k ( t ) ( 1 f a 、b 、c ) 为图2 6 内反馈系统的调节绕组电压 ( 下面论述将把它称为电网电压) ，电感l 为图2 6 的外接电感k ，起储存、传递 能量和平衡电压的作用，电阻r 为调节绕组和整流器的等效电阻，阻值比较小，可 以忽略。端子1 、2 接图2 6 主电路里的斩波模块。这是最常用的三相p w m 整流器。 三相半桥和单相全桥有着相似的运行过程，具体的分析就省略了。当整流器进入稳 态工作状态时，输出直流电压恒定，整流桥的三相桥臂按正弦脉宽调制规律进行调 制。若开关频率很高，由脉宽调制的基本原理可知，整流器的交流侧电压含正弦基 波电压和其他很高次的谐波电压。由于电感的滤波作用，高次谐波电压产生的谐波 电流非常小，因此可以认为电感在电网电压和整流器交流输出正弦基波电压共同作 用下形成非常近似于正弦的电流。如果只考虑电流和电压的基波，整流桥可以看作 是一个理想的三相交流电压源。三相半桥v s r 较适用于三相电网平衡系统。当三 相电网不平衡时，控制性能将恶化，甚至发生故障。为克服这个不足，采用三相全 桥v s r 设计。其特点是：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。 上海大学硕士学位论文 3 3 三相电压型p w m 整流器 电压型p w m 整流器从电流控制技术方面主要分为两大类，即间接电流控制和 直接电流控制。间接电流控制也称为相位和幅值控制。它的优点在于控制简单，无 需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制。但它的主要问题在于电流动态响应不 够快，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常用于那 些对动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合。直接电流控制是针对间接 电流控制不足而提出来的。这种直接电流控制与间接电流控制在结构上的主要差别 在于：前者具有网侧电流闭环控制，而后者则无网侧电流闭环控制。由于采用了网 侧电流闭环控制，使网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对 系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性，因此直接电流控制可以获得 较高品质的电流响应，但控制结构和算法较间接电流控制复杂【5 】【8 】【1 1 】【1 4 】【8 ”。 3 3 1 间接电流控制p w m 整流器 三相电压型问接电流控制主要依据三相交流侧基波电流电压矢量的静态关系， 求解相应的控制算法。图1 9 表示出复平面上三相p w m 整流器交流侧基波电压矢 量v p w m ，电感基波电压矢量u “c o l ，) 、等效电阻压降r j 、电流矢量i 及电网电动 势矢量e 的静态关系。图中矢量i 与e 间相角为妒；矢量v p w m 与e 间相角为，。 由图3 _ 3 表示的静态关系可得到图3 4 的等效电路。由图3 4 的等效电路并根据基尔 霍夫电压定律，得 v p w m = e - - u l r i ( 3 1 ) 由图3 4 可知，电感电流由电源电压e 和整流桥输入电压v e w m 的基波分量决 定，当电源电压和电感值一定时，通过控制电压v p w m 的幅值和相位，即可控制输 入电流，这就是间接电流控制的基本原理i l l 】1 1 7 i t l8 1 。 j 石巨a 。 蔷u 鼯 图3 3 三相p w m 整流器交流侧静态矢量关系图3 4p w m 整流器等效电路 2 4 上海大学硕士学位论文 由于电路的对称性，仅以一相为例来分析间接电流控制时p w m 的产生机理。 设p w m 整流器交流电网a 相电动势e a ( 1 ) 、交流侧a 相基波电压k ( t ) 、交流侧a 相 基波电流i a ( t ) 时域表达式为 e 。( f ) = e 。s i n m tv d ( f ) = v 。s i n ( a , t 一，) ( 3 2 ) 式中e 。一三相电网电动势峰值； v 矗一三相p w m 整流器交流侧基波电压峰值； i 。一三相p w m 整流器交流侧基波电流峰值。 再由图3 _ 3 和式( 3 1 ) 可以得到三相p w m 整流器交流侧电压矢量v p w m 在n 、b 轴上投影为 v 。= v 。c o s 7 = e 。+ ( r c o s 妒一x s i n e ) i 。( 3 3 ) v 口= v 。s i n ，= ( x c o s 9 ，+ r s i n 妒) ，。( 3 4 ) 式中x 一三相p w m 整流器交流侧每相感抗。 式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 表明：当三相p w m 整流器交流侧参数( r 、x 、e i i - ) 已知时，可 根据所要求的三相p w m 整流器网侧电流峰值i 。及相角妒，计算出三相p w m 整流 器交流侧基波电压矢量v p w m 在n 、b 轴上的分量圪、，从而获得三相p w m 整流 器静态间接电流控制时的矢量v p w m 的控制算法，最终通过p w m 控制，实现三相 p w m 整流器间接电流控制。 图3 5 为间接电流控制的系统结构图。直流电压给定信号“：和实际的直流电压 u d 比较后送入p i 调节器，p i 调节器的输出为一直流电流指令信号f 。+ ，i 。+ 的大小 和整流器的交流输入电流的幅值成正比，也和整流器交流输入电流的幅值相对应。 当负载电流增大时，直流侧电容c 放电而使其电压“。下降，p i 调节器的输入端出 现正偏差，使其输出f d 增大，f d 的增大会使整流器的交流输入电流增大，也使直 流侧电压“。回升。达到稳态时，“。仍和；相等，p i 调节器输入仍恢复到零，而i 。 则稳定在新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流相对应。当负载 电流减小时，调节过程和上述过程相反。若整流器要从整流运行变为逆变运行时， 首先是负载电流反向而向直流侧电容充电，使“。抬高，p i 调节器出现负偏差，其 上海大学硕士学位论文 输出如减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。达 到稳态时，“。仍和“：相等，p i 调节器输入仍恢复到零，其输出“变为负值，并与 逆变电流的大小相对应2 3 】【2 7 】【4 习。 下面再来分析控制系统结构图中其余部分的工作原理。图中两个乘法器均为三 相乘法器的简单表示，实际上两者均由三个单相乘法器组成。上面的乘法器是i 。分 别乘以和a 、b 、c 三相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻r ，就可得到各相电流 在电阻上的压降；下面的乘法器是i d 分别乘以比a 、b 、c 三相相电压相位超前2 的余弦信号，再乘以电感l 的感抗，就可得到各相电流在电感上的压降。各相电源 相电压分别减去前面求得的输入电流在电阻r 和电感l 上的压降，就可得到所需要 的整流桥交流输入端各相的相电压信号，用该信号对三角载波进行调制，得到p w m 开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。 给 三相输 图3 5 间接电流控制系统结构 上海大学硕士学位论文 给定 三相榆 图3 6 滞环电流控制系统结构 3 3 - 2 直接电流控制p w m 整流器 这种控制方法中，通过运算求出交流指令值，再引入交流电流反馈，通过交流 电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，因此电流控制是整个控制系统的核心部 分，它的性能决定了整个系统的性能，要求电流控制器有快的瞬态响应和满意的稳 态特性。在负载有扰动和参考发生变化的情况下，对高性能的系统，快速的响应是 非常重要的，慢的响应可能导致在瞬态区域直流侧电压不可控。由于内反馈斩波串 级调速系统的前级b o o s t 斩波电路对于后级p w m 整流是个以固定开关频率的 扰动，如果p w m 整流器不能快速的消除这种扰动，则直流母线电压将急剧上升， 给系统造成危险。因此在系统设计时，考虑到这些因素，后级p w m 整流器采用了 直接电流控制策略1 2 2 3 6 】【3 7 】胪5 】f 6 8 】。 目前运用较广的直接电流控制技术主要有滞环电流控制和固定开关频率电流 控制。 滞环控制p w m 整流器 a w g r e e n 和j t b o y s 在1 9 8 9 年提出了基于电流滞环控制的p w m 高频整流器。 电流滞环控制是通过反馈电流f ，与给定电流f ；进行滞环比较，将两者的偏差限制在 设定的范围内，当反馈电流f r i f + f 。2 时，调制电路的输出使系统输入侧 电流i t ( 七= n ，b ，c ) 减小。这样不断进行滞环比较调节，使i ；( 足= 口，抚c ) 始终跟踪给定 电流疗，围绕给定电流波形作锯齿状变化，并将误差限制在滞环宽度范围内。若给 上海大学硕士学位论文 定电流波形为正弦，滞环宽度恒定，n i , ( k = 口，b ，c ) 的波形就会接近于正弦。 图3 6 给出的是一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。其控 制系统是一个双闭环控制系统。其外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。 外环的结构、原理均和图3 5 的间接电流控制系统相同。外环p i 调节器的输出为直 流电流信号i 。，i 。分别乘以和a 、b 、c 三相相电压同相位的正弦信号，就得到三相 交流电流的正弦指令信号i ：，i ：，f ：。可以看出，f ：，i ：，i ：分别和各自的电源电压同 相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号i 。成正比，这正是整流器作单位功率 因数运行时所需要的交流电流指令信号。该指令信号和实际交流信号比较后，通过 滞环对各开关器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值，其跟踪误差在 由滞环环宽所决定的范围内6 9 】 7 0 】【7 4 】。 采用滞环电流比较的直接电流控制系统结构简单，易于硬件实现，电流响应速 度快，特别适合于高性能的矢量控制系统。另外，控制算法中未使用电路参数，系 统鲁棒性好，因而获得了较多的应用。 但是这种控制方法存在着以下问题： 滞环控制的开关频率是可变的，其平均开关频率随直流负载电流的变化而变 化，导致开关状态的不稳定性和任意性，引起e m i 问题和电流过零点的死区，可以 说这种控制方法是以牺牲系统开关频率特性来达到好的电流控制的： 开关频率变化范围很大，尽管现代电力电子器件一般具有较高的开关频率， 可以满足这个要求，然而开关频率的变化给驱动保护电路和网侧滤波电感的设计带 来困难，功率模块应力及开关损耗增大，因而在大功率变流领域难以应用； 滞环控制不能使输出电流达到很低，因为当给定电流太低时，滞环调节作用 将消失； 负载对开关频率影响很大，滤波器只能按最低频率设计； 参考电流的变化率接近零时，功率器件的工作频率增高，加剧了开关损耗， 甚至超出功率器件的安全工作区； 传统的滞环控制改变开关频率的缺点促使研究者寻求改进的方法，主要思路是 将滞环控制的优点与恒频控制的优点结合起来的固定开关频率的滞环p w m 电流控 制策略。 上海大学硕士学位论文 固定开关频率电流控制p w m 整流器 如上所述，具有固定滞环宽度的电流跟踪型p w m 整流器的开关频率变化过大， 不仅会降低电流的跟踪精度和产生谐波影响，而且不利于功率器件的安全工作。解 决方法之一是使整流器的开关频率基本保持一定，也就是说，开关频率固定的p w m 控制方法可以消除开关频率变化对整流系统带来的影响，一般是指p w m 载波( 如三 角波) 频率固定不变，而以电流偏差调节信号作为调制波的p w m 控制方法。 给 三相输 图3 7 开关频率固定的p w m 电流控制系统结构 图3 7 是常用的一种固定开关频率p w m 电流控制原理图。外环的结构、原理均和 图3 6 的滞环电流控制系统相同。电压外环得到的给定正弦波电流信号与反馈电流信 号的偏差经电流控制器处理后与一个固定频率的三角波信号相比较而得到p w m 波 形，因而又称为三角波调制p w m 方法。本质上，经电流控制器处理后的电流误差信 号作为正弦波调制信号，而三角波信号作为载波信号。如果给定电流信号比反馈电流 信号大，其偏差信号就为正，经过正弦波与三角波调制后，使下桥臂功率器件导通， 从而使反馈电流增加；反之，使反馈电流减