（电力电子与电力传动专业论文）三相高功率因数整流器的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s 仃a c t e l 诎i n gd e c 缸ct 埝肌o n i c s 孔di n l p r o v i i l gm ep o w e rf h c t o ri s 锄i i n p o r t a r i t a n dp m c t i c a ls u b j e c ti np o w 盯e l e c 劬n i 矗e l d w i t hi h ed “d o p i i l e n to fm o d c m p 0 、v e re l e c 廿o i l i c s ，m i c r o d e c 昀i l i c s 锄dc o m p u t 盯s i i r m l a t i o nt e c t l i l i q u e ，s p a c ev e c t o r n n d l 廿1 e o r y ( s 1 汗w m ) w h i c h 喇g 抽a t e di n1 9 8 0 si s c o m b i n c dw j t l 】p w m r e c t i 铆n gt c c h n 0 1 0 9 yt ob eu s e d 抽也r e e - p h a s ep o w e rf 各嘶c o 麟t i o n ，a n ds o m e 擎e a tp r o 孕鹤sh a sb e e nm a d e i i l “sp a p e rat t l r e e _ p h 硒ev o l t a g e - 白，p ep w mr e c t i f i 口i sr c s e 甜i c d ，锄dm e b a s i cc o m e i l to fs p a c ev e c t o rc o n t r o lt l l r yi sa l s o 黝l y z e d t h ew o r k i i l gp r i 埘p l e 柚d 舢u t a t i o np r o c c s so f p 、mr c 硝f i 盯i ss 伽i c d a n dam e t l l o dh o wt o 璐ea v s rt or e a l i z ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ni si i l 仃i ) d u c e d f l m h e n n o r e ，s i m l l l a t i o nm o d e l s a r ee s t a b l i s h e du s i n gm a t l 蝠a n ds a b e rs 印a r a t d y n u g l lt l l em a m 锄a t i cn 1 0 d d o fm a t l a ba n dp h y s i c a li n o d e lo fs a b ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fp w m v s ri s m a d e ，a i l dt h ep a m m e t e r sd e s i 鲫g 锄ds e t t m gm e m o d s 缸ea l s oi i l 仃o d l l c e d f i n a l i y ， t l l eh a r d w 盯ec i r c u i t sb 酣o nd s p l f 2 4 0 7a 1 1 di r 2 1 3 0a r ea l s op r e s e n t c d k e y w o r d s ：t l m e p h a s ep f c p w mv s rs v p w m s y s t e mi n o d e l i n ga n a l y s i ss i n l u l a t i o n d s p 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：弛 柚年夕月i 如 指导教师签名碰 刁年岁月沙日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包古任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 静 年 柚， 西北工业大学硬士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 谐波的危害 谐波问题，既是一个旧话题也是一个新话题。甚至在晶闸管的问世之前，传 输系统中的谐波闯题就已经引起了工程师们的注意。随着电力电子技术的不断发 展，带非线性负载的电力电子装置应用日益广泛，电网系统中的谐波污染也日趋 严重。因此电力电子装置已经成为电网最主要的谐波源之一。这些电力电子装置 多数通过整流器与电力网接口，在电网中产生大量的电流谐波。这些谐波电流污 染“了电网系统，干扰了电气设备，增加了功耗，降低了传送容量，成为电力 公害。因此，谐波问题引起人们越来越多的关注。 在现代工业、交通、国防、生活等领域中，很多场合需要大量其他各种类型 的交流装置将一种频率、幅值、相位的屯能变换为另一种频率、幅值、相位的电 能，使得用电设备处于理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获 得最大的技术经济效益。当今，经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发 电量中所占的百分比值，已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一“”。 二十世纪末期，美国发电站生产的电能4 0 【4 8 】以上都是经过变换和处理后才供 负载使用的，预计到2 1 世纪二、三十年代，美国发电站生产的全部电能都将经 过变换和处理后供负载使用。控制芯片的飞速发展和新的控制算法引入使得电力 电子变流技术越来越受到全世界的重视，它的应用已经深入到了电力、冶金、化 工、通讯、铁路以及航空航天等领域。 现代电力电予技术的发展，使它的应用领域几乎扩展到了人们生活的每一 个领域，它给人们带来高技术享受的同时，由电力电子装置产生的谐波问题却与 日俱增，引起了国内外专业人士的高度重视，并开展了大量的研究工作2 2 1 。抑 制电力电子装置在电力系统的。谐波污染”，首先可以减少谐波电流通过输电线 路和它上面的元件时所产生的附加功率损耗，提高发电、输电及用电设备的效率， 避免因过热而损坏电网设备和其它负载，抑制谐波还可消除电网中的串、并联谐 振，使各种电气设备能够正常工作，电力系统的自动装置和继电保护装置可避免 误动作。另外，由于电力系统的谐波电流和谐波电压噪声会影响邻近的通信线 路的通信质量，严重的会造成信息丢失，损坏通信设备，抑制谐波对于使用日益 频繁，建设日益密集的通信线路来说无疑有了安全通信的保障，消除谐波危害已 经到了非常迫切和重要的阶段，解决电力电子装置产生的“谐波污染”问题，会 大大促进电力电子技术的进一步发展。 在我国，一项调查显示：目前的大型企业中，几乎每家企业都有电网污染的 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 现象。在现代通信设施使用集中的商务楼内，污染更为严重。电网污染还会随流 动的电波而传染，造成大面积隐患，并有可能引发重大事故。有关谐波的数学分 析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定了良好的基础，傅里叶等人提出的谐波分析方法 至今仍被广泛应用。 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。 当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文圈。 到了5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的快速发展，相关学者发表了有 关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文，鼬a r i 【e w 在其著作中对此进行 了详细的总结j 。 随着电力电子技术的迅猛发展，各种电力电子设备在电力系统、工业部门、 家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用，其产生的谐波以及造成的危害日益 严重，世界各国对谐波问题都给予了高度重视。 目前解决电网污染问题主要有两条途径，一是采用在电力系统中加入补偿器 来补偿电网中的谐波，如有源滤波( a p f ：a c t i wp o w e rf i l t e r ) ，静止无功补偿 ( s v c ：s t a t i c c o m p c n s a t o r ) 等。另一种途径是设计输入电流为正弦、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 l 、 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 种整流器称为高功率因数整流器即p w m 整流器。 1 2 谐波、无功功率以及功率因数的产生 1 2 1 正弦电路 在正弦电路中负载是线性的，电压和电流都是正弦波。设电压和电流可分别 表示为“= 猫s i n 国f 和l - 西咖( 耐一咖= 盈c o s 矿s i n 耐一_ ，c o s 研s i n p ，其 中矿电流滞后电压的相位角； 电路的有功功率p 就是整个电路的平均功率，表示为： p = 去f “以耐= 研c o s 矿 ( 1 1 ) 电路的无功功率q 定义为： q = 阻s i n 矿 ( 1 2 ) 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 由无功功率的定义可知，其平均值为零，这表示其有能量的交换但是没有能 量的消耗。在单相电路中这种能量的交换通常是在电源和储能元器件之间进行 的；在三相电路中嗍，无功功率的能量在三相电路之间的相互流动。在工程应用 中，把电气设备额定电流和额定电压的有效值乘积作为其设计的极限值，这个值 也就是该电气设备最大可利用容量。因此引入视在功率s 的概念： s = 明= 厢 ( 1 3 ) 由上式可知，有功功率p 的最大值等于视在功率s ，p 越接近s 说明电气设备的 利用率越高，为了反映p 接近s 的程度或者电气设备容量利用率的高低定义了 有功功率和视在功率s 的比之五为功率因数，即五2 吾a d 1 2 2 非正弦电路 在实际应用中尤其是含有开关元器件的电力电子电路中，绝大多数情况下电 压和电流并不是标准的正弦波而是含有谐波的非正弦波。在这些电路中，有功功 率、视在功率和无功功率的定义以及物理意义均和正弦电路相同。非正弦的周期 函数可以用傅立叶级数之和来表示，因此有功功率p 定义为： 尸= 去r “耐饼= 薹以l c o s 纯； ( 一4 ) n ：表示经过傅立叶分解后谐波的次数； 以：n 次谐波电压的有效值； 厶：咒次谐波电流的有效值； 总电压和电流的有效值为： 一r = - _ u 5 、善玑2 ；7 2 、善厶2 仿照在正弦电路，此处对无功功率的定义为： q = u 。ls i n ( 1 5 ) 式( 1 5 ) 中的q 是由同频率电压电流正弦波分量之间产生的，不同频率的无 功功率是无法互相补偿的，这时，q 已经没有度量电源和负载之间能量交换幅度 的物理意义了。在非正弦电路的情况下，s 2 p 2 + q 2 ，因此引入畸变功率d ，定 义为： s 2 = p 2 + q 2 + d 2 ( 1 6 ) 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 d 和q 完全不同，d 是由不同频率之间的电压电流正弦波分量之间产生的。在 公共电网或者是独立电网中，通常电压的畸变都很小，而电流的畸变则可能很大。 因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波，电流波形为非正弦波时的情况 有很大的实际意义。 设电压为正弦波，其有效值为u ，电流产生畸变，畸变电流有效值为i ，其 中基波电流有效值和电压相角差分别为，魏，n 次谐波的有效值为l 考虑到 不同频率之间的电压和电流不产生有功功率，由上述定义可得： p = 观c o s 吼 ， q = s i n 仍 s 2 = u 2 ，2 = u 2 砰+ u 2 砰 1 2 ( 1 7 ) d 2 = s 2 一p 2 一q 2 = u 2 霹 q 是基波所产生的无功功率，d 是谐波电流所产生的无功功率，这时功率因数五 定义为 五= ；= 兰竺铲= 争c o s 鳃= y c o s 砚 ( 一s ) 式中，l ，= 导即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而c o s 竹称 为位移因数或基波功率因数。由此可以看出，功率因数是由基波电流相移和电流 波形畸变两个因数决定的。总电流也可以看成由三个分量，即基波有功电流，基 波无功电流和谐波电流组成。在三相电路中，各项电压，电流均对称，功率因数 相同，总的功率因数等于各相的功率因数，但是在三相电路中，还有一个因数影 响着功率因数，那就是三相不对称，对于三相不对称电路至今仍没有统一的定义， 定义之一为嘲， a = 毒告 ( 1 一” 式中，s 为各相电流与到人为电压中点电压的乘积，可以看出，即使三相都 为阻性负载，只要不对称，功率因数仍小于1 。 1 2 3 无功功率的物理意义 无功功率只是用来描述能量交换的幅度，而并不消耗功率。在一个r 和l 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 串连的电路中，电阻消耗有功功率，而电感在一周期内的一部分时间把从电源吸 收的能量储存起来，另一部分时间再把储存的能量向电源和负载释放，只是能量 的交换转移，而无功功率的大小就是表示了这种交换转移的幅度。 1 2 4 瞬时功率概念 在传统的功率的定义中，只有有功功率，无功功率以及视在功率，但这些只 是适用在正弦波的电路的情况下，为了更好的解决越来越多的在非正弦波电路的 场合下的问题，提出了瞬时功率的概念嘲。 设三相电路的电压和电流的瞬时值分别为，“。，f c ，将其变换到盯，坐 标系下，可以得到两相坐标系下的电压，和电流，。在口，夕坐标上，电压 和电流可以分别合成旋转的电压和电流矢量，两个矢量的夹角为口。定义三相电 路的瞬时有功电流为f ，= f c o s 口，瞬时无功电流= f s i n 口。定义三相电路的瞬时 有功功率p 为电压矢量的模和三相瞬时有功电流的模的乘积，三相瞬时无功功率 q 为电压矢量的模和三相瞬时无功电流的乘积。 p = “f 。= “f c o s 口 日= “= “f s i n 口 ( 鞘宅羔) 将上式变换到三相静止坐标系下p q p = + + “。i c ( 1 一l o ) q = 【( 一心) 屯+ ( 心一) + ( 吆一) f c 】 在对称的三相系统中，三相瞬时有功功率为恒定值，因此三相电路的稳态平 均功率就是其瞬时有功功率。上述瞬时有功功率和无功功率的定义打破了传统功 率中平均的概念，同时也适用于非正弦电压、电流和过渡过程的情况。 1 3 不控整流 在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路 大多采用晶闸管相控整流电路或二极管不控整流电路，其中又以单相和三相的二 极管不控整流电路应用最多，其原理电路如图l l 所示，但这种电路存在两个 5 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 主要缺点，一是从公共连接点吸取高峰值脉冲电流，使网侧功率因数降低，网损 增加。二是给电网注入大量的谐波，造成严重的谐波污染。这种电路的一个显著 特点是，在稳态时负载只在输入电压峰值附近获得电能，输入电流为尖脉冲。这 种通用的整流方式仅当输入正弦电压的幅值高于滤波电容两端电压与整流器正 向压降之和时，才从电网取电流，势必造成网侧输入电流的导通时问很短且瞬时 值很高，如果在大功率场合下，其电流畸变就会变得更为严重。图1 一l 为在s a b e r 软件环境下单相和三相不控整流的仿真结果，由此可以更为直观的了解不控整流 电流谐波的产生，从图中可以看出不论在单相还是三相的情况下，电流的畸变都 相当的严重，根据电流的频谱关系可以发现，单相整流下交流电源电流畸变更为 严重。一般不控整流是作为一个系统的前置电路，它的电流谐波直接干扰了后续 电路的运行。 jlji l i k 。ill 匠 jlj 垂一! 目匿兰 o 0 o o 0 0 7 t ( o ) j - 。g 钉 ljlj 1 4 离 卜一 r j ljlj 0omo 0 帏a 口7 i ( ” o o l 0 00 0 2 ko 瓤o ko j o “07 ko 瓤0 9 k 1 淑 0 0 1 们_ 0 妇o 鱼“k0 j kd 且o a0 廓o 1 x t 胛2 )t ( h 砷 ( a ) 单相不控整流( b ) 三相不控整流 图1 1 不控整流电路电流波形以及其谐波含量 从图1 1 的仿真结果可以看出，传统整流电路的输入电流波形严重畸变，在 6 枷种跏缃枷 “；舯 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 单相电路中，总谐波畸变率( 珏) 高达9 5 6 ，功率因数只有o 6 8 9 3 ，含有大 量谐波，从而污染了电网，这是十分有害的。 谐波的危害【2 】主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 、谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设 备的效率，大量的3 次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾； ( 2 ) 、谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过 热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩 短以至损坏； ( 3 ) 、谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会 使上述( 1 ) 和( 2 ) 两项的危害大大增加。甚至引起严重事故； “) 、谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不 准确； 1 4p w m 整流电路 迄今为止所有的整流电路几乎都是晶闸管相控整流电路或二极管不控整流 电路。晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发延迟角搿 的增大而增大，位移因数随其降低。同时，输入电流中谐波分量较大，因此总的 功率因数很低。二极管整流电路虽然位移因数接近1 ，但输入电流中谐波含量很 大，总的功率因数也很低。 p w m 控制技术是首先在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的技术【。随 着g 1 1 0 晶闸管，i g b t 等全控型器件的不断进步，p w m 控制技术也逐渐丰富、 成熟起来。目前空间矢量控制技术( s ) w m ) 已在交流变频调速，不间断电源 中获得了非常广泛的应用。把逆变电路中的这种技术应用于整流电路中就形成了 p w m 整流电路。通过对p w m 整流电路的适当控制，可以使网侧输入电流非常 接近正弦波，且和网侧电压同相位，功率因数近似为l ，这种整流电路就叫做单 位功率因数整流器，不仅如此，因为该控制技术在相同的拓扑结构中适用于逆变 电路，所以p w m 整流电路还可以运行在有源逆交状态下，所以确切的说应当为 p w m 变流电路。 1 5 国内外研究现状 众所周知，工频二极管和晶闸管整流器存在两个缺点：一是从公共连接点吸 取高峰值脉冲电流，使网侧功率因数降低，网损增加；二是给电网注入大量的谐 波，造成严重的谐波污染，影响供电质量，危及电力系统安全、优质和经济的运 行。因此，必须对这类整流器采取有效的抑制和改善措施。 对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器，抑制谐波和提高功率因数 7 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 的基本思路有两条：一是装设补偿装置对其谐波进行补偿；二是对整流器本身进 行改进。与设置补偿装置来补偿谐波相比，改进变流器自身性能的方法是一种更 积极的方法，也是目前的研究热点之一。 电力电子技术、控制技术、微处理器技术的不断发展促使了p w m 整流器不 断向前发展，可以归纳为以下几个趋势n 钔： 1 、多功能化和智能化 传统电力电子器件只有开关功能，而现代电力电子器件品种增多，功能扩大， 使用范围拓宽，不但具有开关功能，有的还具有放大、调制、振荡以及逻辑运算 等功能。 2 、高频化 提高整流器的开关频率可以显著降低交流输入电流的谐波含量，由此降低对 电网的谐波影响，同时，提高开关频率还可以降低电路中无源器件的体积和容量， 从而提高系统的整体性和可靠性。 3 、电路弱电化，数字化 全控型器件及其高频化的功能促进了电力电子的弱电化。随着微型计算机技 术的发展，特别是d s p 在电力电子系统中的应用日趋增多，使得电力电子从传 统的模拟控制向数模混合控制以及全数字化控制的方向发展。数字化可以使控制 系统软件化，并能实现复杂的控制算法，但是数字化系统的运算速度、稳定性、 抗干扰性值的考虑。 我国对p w m 整流技术的研究起始于9 0 年代初期，且主要集中于高等院校。 如华中科技大学、清华大学、北京交通大学、西南交通大学、西安交通大学、浙 江大学他们作了大量基础研究工作，为p w m 整流技术在我国的应用于发展作出 了很大的贡献。就论文而言，着重分析了p w m 整流器在提高三相整流电路功率 因数方面的应用，因此有必要首先介绍一下目前国内外在三相p f c 方面所作大 量的研究工作，这主要集中在控制策略和拓扑结构方面的研究。有的文献利用三 次谐波注入法来控制功率因数，但是产生合适的三次谐波却非常困难；在另外的 文献中，为了减少输入电流的总谐波畸变，采用了三次谐波和六次谐波注入技术， 并提出了一种优化的设计方案；通过设置三组串联的l c 分支并调谐到电网频 率来实现三次谐波电流注入法。还有提出了校正电路的几种拓扑结构【l ”，然后运 用滞后控制技术，但是开关频率变化非常明显，对滤波电路设计造成诸多的困难。 国际上三相p f c 研究较早，国内研究稍晚，目前以实验研究为主。国内三 相p i c 研究的文献最早出现于9 0 年代中期，随后三相既_ c 技术的研究迅速引起 关注，各种有关p f c 技术的研究论文频频出现，取得了不少成果，到目前为止， 三相p f c 技术的研究在国内方兴未艾，主要的研究工作和成果概括起来主要包 8 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 括：仿真分析、建模分析、控制方法研究、控制电路改进研究、 总之，三相p f c 技术是近几年刚兴起的一个电力电子领域的研究热点。国 内目前的研究特点是集中于控制方法的实验研究，分析各参数与系统性能之间的 关系，并找出改善电流跟踪性能、提高输入功率因数的方法，仿真和实验是主要 手段，对于系统建模研究较少。三相高功率因数整流的研究正处于发展中，今后 的方向是新的拓扑结构研究和新的控制策略研究。 1 6 课题研究的目的和意义 进入二十一世纪，p f c 技术的研究方兴未艾，特别是在我国，对于这方面的 要求和标准规范还不健全，选择该课题研究的目的和意义具有如下几点h 1 】【4 2 】 ( 1 ) 、开关电源功率因数校正技术作为电源的一门新兴技术，它的作用和重 要性已得到广泛的认可，如何提高功率因数已成为当今电力电子界的研究热点。 ( 2 ) 、提高功率因数，开发新型高功率因数变流器是节省能源、提高电能质 量、保证电力系统安全稳定运行的要求。 ( 3 ) 、针对谐波污染，国际上已制定了各种相关的标准和规定，以限制谐波 的危害，净化电磁环境，如m ，s i d 1 3 9 9 、b e u o 砒j o o l 0 8 9 、疋c 5 5 5 2 、 e e 5 1 9 等，其中m c 5 5 5 2 标准自1 9 9 4 年起在欧盟国家全面实施，所有不符合此 标准的用电装置不准在欧洲销售。随着这些标准的强制执行，以及i c 厂家的积极 努力，p f c 技术势在必行。 ( 4 ) 、在用电设备中采用p f c 技术来提高功率因数、提高效率，可以减少电源 整机成本，提高可靠性，对于提高产品的竞争力具有十分重要的意义。 ( 5 ) 、在航空、航天等领域中，负载多为非线性负载，而且负载性质比较恶劣， 对飞机电力系统和供电质量造成严重影响，致使飞机发电系统与机载设备、机载 设备之间不能正常协调工作。采用本文所研究的高功率因数整流器能使网侧电流 快速跟踪控制参考量，且不受负载电流的约束，即使负载电流有很大的谐波也不 会使输入电流发生畸变。因此，该控制方案对航空、航天领域的功率因数校正有 着重要意义。可以预见，该研究项目的研究成果无论在工业生产中，还是在航空、 航天领域，都具有十分良好的应用前景。 1 7 本文的主要研究内容 在整流器中采用p w m 整流技术不仅可以解决电能双向流动，实现单位功 率因数的正弦波电流控制，提高直流电压的稳定度，改善传动系统性能，而且可 以减小储能电容容量，提高可靠性和快速的电流响应等。空间矢量控制理论自 2 0 世纪8 0 年代提出到现在已经取得了长足的进步，空间矢量调制具有动静态特 9 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 性好，直流电压利用率高等优点，随着d s p 的大量应用，将s v p w m 应用在p w m 整流器上成为了现在一个研究热点，基于上述原因，本文主要做了以下几方面的 工作。 1 、在第一章介绍了功率因数校正的目的和意义；阐述了电网谐波污染问题和谐 波抑制的方法；分析了功率因数校正技术的研究背景与研究现状 2 、第二章中详细阐述了空间矢量控制理论的推导过程以及该控制理论在三相电 压型整流电路( v s r ) 中的物理意义；在介绍p w m 整流器的工作原理和换流过 程的基础上，解释了如何将空间矢量控制技术应用在p w m 整流器中实现单位功 率因数运行。 3 、在第三章中分别应用m 棚。a b 和s a b e r 两种软件对采用空间矢量控制技术 的p w m 整流器进行了建模和伤翼，论述了各种参数包括主电路的电感、电容参 数的选取理论依据和方法，最后仿真结果进行了详细的分析。 4 、在第三章仿真的基础上，论文的第四章设计了以d s p u 7 2 4 0 7 为核心的控制电 路和以刀趁1 3 0 为核心的驱动电路以及相应的保护电路和主电路，并且对上述两 种常用芯片进行了简要介绍。 5 、第五章对论文工作进行了总结和展望。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章p w m 整流器工作原理和空间矢量控制技术 第二章p w m 整流器工作原理和空间矢量控制技术 2 1 p w m 整流器研究概况 p w m 整流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代【l 】j 这一时期由于自关断器件的成 熟与应用，推动了p w m 技术的应用与研究。1 9 8 4 年a k a 百h 的f i l 】【i l 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，自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器一直是学术界关注和研 究的热点，随着研究的深入，p w m 整流器及其控制策略也取得了进步和完善， 这些研究主要集中在以下几方面： 1 、p w m 整流器的建模与分析 2 、主电路拓扑结构的研究 3 、电压型p w m 整流器的电流控制 4 、系统控制策略研究 5 、电流型p w m 整流器研究 2 2p 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，在 这方面的研究的代表性人物有：a w g r e 吼等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s b d e w 狮等较为系统的建立了p w m 整流器的时域 模型c 抽n t r i n l 和d o n g y ：h u 等则利用局部电路的d q 变换建立了p w m 整流器 基于变压器的低频等效电路模型旧。 2 2 1 p w m 整流器拓扑结构的研究 就拓扑结构而言可大体上分为电压型和电流型两种，这是因为这两种无论在 主电路还是控制电路都有各自的特点。本文以电压型为研究对象，一般的电压型 p w m 整流器为b o o s t 型变换器，正常工作时，其直流侧电压需高于交流侧电 压峰值。 2 2 2p w m 整流器系统控制策略的研究 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制，这一研究主要包括两类电网 电动势的重构方案：其一是通过复功率的估计来重构电网电动势；其二是基于网 侧电流偏差调节的电网电动势重构。 西北工业大学硕士学位论文第二章p w m 整流器工作原理和空间矢量控制技术 基于李亚普洛夫稳定性理论的p w m 整流器控制针对具有非线性多变量耦 合特性的电压型p w m 整流器模型，常规的控制策略及其控制设计一般采用稳态 工作点小信号扰动线性化整定方案，这种方案的不足之处在于无法保证控制系统 大范围扰动的稳定性。因此，h 孤k o 蝴百1 等学者提出了基于李亚普洛夫稳 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 李亚普洛夫函数，并由三相p w m 整流器的d q 模型以及相应的p w m 约束条件， 推导出相关的控制算法。p w m 整流器，又称为单位功率因数变流器。将p w m 技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，并且可以运行于单位功 率因数。能量双向流动的整流器不仅体现出a c 仍c 变流特性，而且还呈现出 d c 止坨变流特性( 有源逆变) ；经过几十年的发展，p w m 整流器的主电路已从 早期的半控型器件发展到今天的全控型器件，其拓扑结构也已从早期的单相、三 相发展到今天的多相组合拓扑电路。由于p w m 整流器实现了网侧电流的正弦 化，并且运行于单位功率因数，甚至能量可以双向传输因而真正实现了“绿色电 能变化”。 2 3p w m 整流器工作原理 图2 1 单相全桥拓扑结构 以单相全桥电路为例嵋1 ，根据逆变电路原理我们可以知道，将正弦信号和三 角载波信号合成s p w m 调制信号来控制四个m o s f e t 的开关，可在桥的交流输 入端a b 产生一个正弦调制p w m 波。，。中只含有和正弦信号波同频率且幅 值成比例的基波分量以及和三角载波有关的高频谐波，不含有低次谐波分量。由 于电感的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流产生很小的脉动。如忽略 这种脉动，当正弦信号波( 调制波) 的频率和输入电源频率相同时，流经电感的 电流的频率与输入电源的频率一致。在交流电源电压一定的情况下，电感电流的 幅值和相位仅由虬。中的基波分量的幅值及其与电源电压的相位差来决定。当然， 就单相电路来说，其分析过程比较简单易懂，但是对于三相电路而言，其分析过 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章p w m 整流嚣工作原理和空间矢量控锕技术 程就比较复杂，三相p w m 整流电路的工作原理会在以后的章节详细分析，这里 就不多叙述。 通过对单相全桥p w m 整流电路的简单分析，可以得到这样一个启发，只要 控制信号是由正弦波合成出的p w m 信号，通过采用不同的控制策略就可以实现 交流输入电源电压、电流同相位的目的。目前，广泛应用的s p w m 合成方法就 是由三角载波和正弦调制波合成得到的。在大量的实际应用中，发现s p w m 控 制技术存在着其固有的缺点，比如：常规的s p w m 将控制的重点集中在波形的 改进上，在不高的开关频率下很难得到完善的正弦电压，即使开关频率较高，除 了增大开关元器件的损耗以外，由于电压型变流器固有的死区延时，使得直流电 压利用率降低，甚至可能使波形发生畸变。在2 0 世纪8 0 年代，随着空间矢量理 论的提出一种新的正弦p w m 信号生成方法出现了，为了区别于传统的s p w m 方法，一般称为s w m ( s p a c ev e c t o fp w m ) 也可简写为s 。 2 4 空间矢量控制策略( s v p w m ) 空间矢量p w m 控制策略是依据变流器空间( 电流) 矢量切换来控制变流器 的一种新颖思路的控制策略 i 】。该控制理论最早是由日本学者在2 0 世纪8 0 年代 针对交流电动机变频调速提出的。其主要思路在于抛弃了原有的正弦波脉宽调制 ( s p w m ) ，而是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准圆形磁场，利用逆变 器各桥臂开关信号的不同组合，使逆变器输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能的 接近圆，其旋转的频率就是三相电压的角频率；半径就是其幅值【l 】。将s v p w m 应用于电压型p w m 控制整流器中，主要继承了s v p w m 电压利用率高，动态响 应快等优点。 目前应用于v s r 直流电流控制中的s v p w m 技术主要分成两类：其一是基 于固定开关频率的s w m 电流控制；其二是利用基于滞环电流控制的 s ，w m ，这实际上是一种变开关频率的s ，w m 。本文研究的对象属于前者即 固定开关频率的s v p w m 控制技术。随着大量性能更好价格便宜的d s p 的出现， 空间矢量p w m 控制目前已成为v s r 控制研究的热点。 2 4 1 坐标变换 在介绍坐标变换之前，首先要了解通用矢量这个概念，通用矢量是指三相物 理量( 电压，电流) 可以用一个空间旋转矢量在三相静止坐标系( a ，b ，c ) 下的投 影来表示，这个表示三相对称物理量的矢量即为通用矢量，我们以三相电流 之。乇t 及其通用矢量i 为例( 见图2 3 ) 来详细解释它们之间的关系。图2 4 则 西北工业大学硕士学位论文第二章p w m 整流器工作原理和空间矢量控制技术 表明了三种坐标系下的矢量分解合成的关系，设三相电流瞬时值分别为屯i ， 若屯+ 乇+ = 0 则总可以找到一通用电流矢量i 来表示三相电流，f c 。 b q 图2 4 三种坐标下的矢量关系 。多 劾d 图2 5 坐标投影 图2 5 表示了由三个变量构成的三维空间坐标向两个变量构成的二维坐标 变换的投影关系，以及对应投影后在平面坐标上矢量之间的关系。由这个图就可 以更加形象直观的理解通用矢量以及由通用矢量所衍生出来的三维坐标向二维 坐标变化的内在关联。 当通用矢量i 在a ，b ，c 三相轴上的投影恰好等于各项坐标轴电流的瞬时值时， 则f 6 f c 可用通用矢量i 描述，并且i 可由垂直投影坐标法求取。由图2 4 和2 5 可知将三相静止坐标系( 咖，c ) 和两相同步旋转坐标系( d ，q ) 中的矢量分解 后通过p 棚【矩阵变换可以将三相静止坐标系变换为两相静止垂直坐标系”1 ( 口，仂即： 眯 1 三 三 22 o 笪巫 22 1 4 ( 2 1 ) 西北工业大学硕士学位论文 第二章p w m 整流器工作原理和空问矢量控制技术 令零轴分量为 毛= ( 乇+ 蠢+ ) 小 l 2 1 22 压压 u 22 1 ll 2 2 2 ( 2 2 ) 两相垂直静止坐标系到两相同步旋转坐标系的转换 = 耋：蚴 c 2 删 由此可以推出三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的转换： | ： = s i n 研c 譬r 抽硼c 孚c o s 删幽d 、 22 、22 c 孚s 访耐一丢h 孚渤一圭酬 ( 2 4 ) 投影在( 盯，所平面上的正六边形将整个平面分为6 个扇区，根据桥臂开关信号可 以形成8 种不同的组合状态，并且对于任一扇区的给定矢量都可以用与其相l 临的 两个有效作用矢量来合成。 2 4 3 扇区的划分与选择 表2 一l 不同开关组合下的电压值 屯 j f 匕吃 o0oo0ooo0 oo12 ，31 31 31 01 o 10 l 3 1 3，2 3 o11 0111 32 3，1 31 lo loo2 为1 3 l 玛 11o 1011 31 32 30 11 1101 32 3 l 3 1o1 111ooo 0o0 表2 2 ( 甜，) 坐标下开关组合电压值 西北工业大学硕士学位论文第二章p w m 整流器工作原理和空间矢量控制技术 屯 j c矿( 口一声) 坐标 l o 0 ( 撕万o ) 110 ( 1 拓l 压) o l o ( - 1 瓶1 压) o 11 ( _ 丽o ) 0 0 1 ( 一l 垢1 压) l o l ( 1 ，垢1 ，压) 电压空间矢量p w m 控制的基本规律就是利用若干个开关矢量逼近给定矢 量标准p 0 ，p w m 控制的关键就是确定六个开关管的状态和开通关断的时间； 其导通状态必须满足：同一时间只有三个开关管处于导通状态而另外的三个开关 管处于关断状态，并且同一桥臂上的两个管子状态互补。定义整流器网侧输入电 压空间矢量： p 0 = 导( 匕+ 口+ 口2 )( 口= e j 2 柏) ： j 由p a r k 变换可以把匕，变换于两相静止垂直坐标系( 瑾，) 下，变换 如下式 筘 1 !三 22 压订 u 一 22 ( 2 5 ) 在一个载波周期五中的作用效果可以等效表示为：墨= 五+ 鸬五； 所在的扇区由，共同决定，若在第一扇区则有o o a r c 培0 。) o ，“。吻 压。同理可得在第二扇区6 0 0 a r c 留( 7 坳) 1 2 0 。，在第 三扇区：1 2 0 0 a r c 辔( ) 1 8 0 0 ；在第四扇区：1 8 0 0 a r c 留( ，坳) 2 4 0 。， 在第五扇区： 2 4 0 0 a r c 留( “。) 3 0 0 0 ； 在第六扇区： 3 0 0 。 a r c 培( 7 坳) 3 6 0 0 ，定义如下式子：彳= 坳，占= j k 一坳，c = 一孔一 西北工业大学硕士学位论文第二章p w m 整流嚣工作原理和空间矢量控制技术 设：咧曲书= ；定义扇区x 的计算公式如下表示 x = j 增7 z ( 彳) + 2 5 劫( 曰) + 4 j 劬( c ) 表2 3 扇区的选择 x3154 26 n ii i v 2 4 4 有效矢量作用时间的计算 寺“j r 巧，出= 寺c 五+ 正_ 。， c z s ， 因p 0 在扇区，比。v ( 0 1 1 ) ，。= v ( 0 0 1 ) 五，乃是有效矢量各自的作用时间， 显然零矢量的作用时间为：兀= t s 一五一五，因为开关频率即p w m 频率远大于输 入电压的基波频率，故可以认为在一个p w m 周期内p 0 的大小是恒定的，这其 实也，就是空间矢量黼嵫椭一个平均法u 4 1 ，b 口2 寺( 五+ 五一由此可 2 击( 五+ 乏名一 ( 2 - 7 ) i 互= 五m s i n ( 6 0 口一力 五= 乃历s i n ( ，) ( 2 8 ) i 兀= t s 一五一五 肛害 呻， 1 7 西北工业大学硕士学位论文第二章p w m 整流器工作原理和空间矢量控制技术 情况这时就要对五和正进行归一化处理， 五= 互t s ( 正+ 正) ( 2 1 0 ) 互= 正t s ( 五十五) 由此可以看出，如果珞，在复平面上匀速旋转，就对应得到了三相对称的正弦 量，其旋转的角频率就是三相电压的角频率，其旋转半径就是三相电压的幅值。 但在实际应用中，由于开关频率和矢量组合的限制，圪，的合成矢量只能以某一 步进速度旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多边形准圆轨迹，这种准圆轨迹随 着开关频率的增加趋近于标准圆。 空间矢量p w m 调制方法得优点在于，l 、通过坐标变换将三相静止坐标系 变换为两相同步旋转坐标系这样就将三个变量转换为两个变量。2 、通过坐标变 换将三相静止坐标系下得交变信号变换为两相旋转坐标系下得直流信号，这个变 换极大得简化了控制系统得设计尤其象传统得p m 这种经典控制方法，对于交 变信号其控制难度是要高于对直流信号的控制的。 2 4 5 空间矢量开关方式的选取 p w m 整流器的控制是通过控制开关器件的占空比来实现的。占空比与导通 时刻在开关周期中的位置有关，且位置对输入电流的频谱分布有影响。在电压空 间矢量调制中，占空比的控制主要表现在对非零有效作用矢量的导通时间五和瓦 的控制上，而与有效作用矢量巧的作用时刻无关，零矢量的作用时间只是用来 形成一个p w m 控制周期，从而使得开关周期固定，那么基于这个思想，选择不 同的零矢量的切入时刻和切入方法就形成了s w m 不同的开关方式，不同的 开关方式对电压电流的谐波以及开关损耗都是不同的，下面就具体的来分析几种 典型的s v p w m 的开关方式， ( 1 ) 、方式一 已 s b & 1r r r1 一 r 2zzz 2 图2 8 合成方式一 1 8 西北工业大学硕士学位论文第二章p w m 整流器工作原理和空间矢量控制技术 该方法是数学意义最简单明了的矢量合成方法，该方法将零矢量均匀地分布在矢 量 0 的起，终点上，然后依次由k ，圪按三角形方法合成，其开关状态如图2 8 所示。由该图可以知道在一个p w m 开关周期中，v s r 上桥臂功率管共开关 四次，由于开关函数波形不对称，因此p w m 的谐波分量主要集中在开关频率z 及2 z 处，谐波分量较大。 ( 2 ) 、方式二 乏k 毛 毛 疋 1r1 乃f 2z ；zzz ，2 图2 9 合成方式二 由图可见，该种矢量合成方法仍然将零矢量均匀地分布在电压空间矢量p 0 的起 点，终点上。但与方法一不同的是，除零矢量外，0 依次由k ，k ，巧合成 在该种矢量合成方法中，一个p w m 开关周期v s r 上桥臂的功率管共开关四次， 且波形对称，因而其p w m 谐波分量仍主要集中在开关频率的整数倍附近，谐波 幅值有所降低。 ( 3 ) 、方式三 玉矿k r 2 嚣1 1 品 如 品 写 4 互。型墨l 墨五 2 2222 瓦 4 图2 1 0 合成方式三 方法三将零