（电力电子与电力传动专业论文）高功率因数整流器的研究.pdf

a b s t r a c t r e c e n t l y h a r m o n i cp o l l u t i o nh a sb e e ng r a d u a l l ys e r i o u st op o w e rs y s t e md u et o i n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s c o n s e q u e n t l y h a r m o n i c d i s t u r b a n c eh a sb e e no n eo ft h em a i nd i f f i c u l tq u e s t i o n s t h i sp a p e r a d o p t i n go n e a c t i v em e t h o d a n a l y z e sf l t r e e p h a s ep w mr e v e r s i b l er e c t i f i e ra f t e rm a k i n gd e e p l y r e s e a r c h t h es y s t e mc a na c h i e v eg o o di n p u tp e r f o r m a n c e u p p e rp o w e rf a c t o ra n d b i d i r e c t i o n a le n e r g yf l o w a f t e rc l a s s i l y i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ep w m t h ea r t i c l e b a s e do np r o f o u n d d i s c u s s i o n e s t a b l i s h e sv a r i o u sm o d e l sm a d ei na b c dpa n dd qc o o r d i n a t e s f o r r e c t i f i e rb ys p a c ev e c t o rp w m i ta l s om a k e so n ee q u i v a l e n ts t r u c t u r ef o rt h er e c t i f i e r a n dd e s i g n sav o l t a g e c u r r e n tc l o s e dl o o p a tt h es a l t l et i m e t h ep a p e r b yt h eh e l po f s i m u l a t i o ns y s t e m m a k e sp a r t i c u l a rc o m p a r e si nt h ev o l t a g em a dc u r r e n tc u r v e s b e t w e e n a d a p t i n gt h ec o m m o nm e t h o da n d t h en e ww a y g o o de x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m sn o to n l yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h es t a b i l i t y o fp o w e rs y s t e mb u ta l s oc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fg e n e r a t o r sa n dp o w e r s y s t e mt h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e st h eh i g hp o w e rf a c t o rr e c t i f i e rt o t h eg e n e r a t o r e x c i t a t i o ns y s t e m u n l i k ec o n t r o l l a b l es i l i c o ns y s t e m i tc a no b t a i nl o wh a r m o n i c c o n t e n t si nt h ev o l t a g ea n dc u r r e n t a n dd e c r e a s et h ea d d i t i o n a lw a s t a g ea n da d d i t i o n a l t e m p e r a t u r ec h a n g e f i n a l l y t h et h e s i s a c c o r d i a gt o t h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n a n a l y s e st h e c o n t r o l l a b l ec i r c u i t d r i v a b l ec i r c u i tv i a8 0 c 1 9 6 m cs i n g l ec h i p a n dp r e s e n t ss o m e a d v e r t e n tq u e s t i o n s k e yw o r d s h a r m o n i cw a v e p w mc o n t r o l h i 曲p o w e rf a c t o rr e c t i f i e r m a t l a bs i m u l a t i o n e x c i t a t i o ns y s t e m 8 0 c 1 9 6 m cs i n g l e c h i p 独创性声明 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和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得一盘盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名徐壤 i 签字同期 埘年况月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘鲎有关保留 使用学位论文的规定 特授权叁盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 签字p i 期 河年 导师签名 签字日期 麟参 知 f 革天区 a辛朔给加 天律大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 电力谐波 第一章绪论 电力系统中 理论上认为电压和电流波形是工频正弦波 即电压和频率是恒 定的 然而在实际的电力系统中 由于负载的动态变化和电路的非线性特点 它 们的波形不可能一直恒定 存在不同程度的畸变 闪变 近年来伴随经济的迅速 发展 电力电子技术应用于各个部门 如电气化铁道部门采用的大功率整流器 炼钢厂的电弧炉 电热熔炼 大功率热处理器 电力机车等 它们的使用推动了 社会的发展 但是带来了很大的谐波隐患 对电力设备 电力用户和通信线路等 产生各种危害 目前的主要谐波源是相控整流器和逆变器 按照它们产生的谐 波特性可分为三组 1 大容量换流器 主要用于高压直流输电和冶金工业 2 中等容量换流器 主要用于制造业和铁路运输 3 单相供电的小型整流器 如电视机 充电器等 2 在i e e e 标准中 谐波定义为 一个周期波或量的正弦分量 其频率为基波 的整数倍 根据该定义我们又称谐波为高次谐波 同时还表明 1 谐波次数h 必须是大于1 的正整数 例如我国电力系统的额定频率为5 0 h z 则基波为5 0 h z 2 次谐波为1 0 0 h z 有些国家电力系统的基波为6 0 h z 谐波频率类 推 自不能为非整数 所以通常不包含非整数次谐波 2 谐波要和暂态现象加以区别 即谐波的波形保持不变 而暂态现象每周 的波形发生变化 在实际电力系统中负荷是变动的 它将会影响系统中谐波含量 但是只要分析的现象或情况持续适当时间或周期 就可以用傅立叶级数处理 3 次谐波 分数谐波和间谐波 次谐波 s u bh a r m o n i c s 为频率低于工频 基波频率的分量 分数谐波 f r a c t i o n a l h a r m o n i c s 指频率为非基波频率整数倍 分量 间谐波是指频率不是工频 5 0 h z 或6 0 h z 整数倍谐波分量 即介于工频 谐波之问的傅立叶频谱分量 矗 形 6 f 该谐波主要来源于静态变频器 换流器 感应电动机 电焊机 电弧炉等 它允许总畸变系数小于整数次谐波 3 大津大学硕十学位论文 第一章绪论 针对目前的现状 世界许多匡 家先后制定出相应的国际标准和国家地区标 准 来限制谐波和保证电力系统的安全运行 世界各个国家对谐波问题引起一定 的重视 投入相当的物力和财力进行探索 定期召开有关谐波问题学术研讨会 国际电工委员会 i e c 和国际大电网会议等 通过这些会议 各国制定出供电 系统 各项电力和用电设备 家用电器在内的谐波标准 并且把谐波干扰问题列 入到电磁兼容范围内 谐波畸变有两个指标 1 谐波含有率h r 即周期性交流量中第h 次谐波含量的方均根值与基波分 量的方均根值比值 百分数 其中第h 次谐波电流含有率用h r i h 表示 电压用 h r u h 表示 2 总谐波畸变率t h d 即周期性交流量中的方均根值与基波分量的方均根值 比值 用百分数表示 电压总谐波畸变率用t h d u 表示 电流用t h d i 表示 谐波电压是谐波源注入电网的谐波电流在电网阻抗上产生的 要控制电网的 谐波电压 就必须限制谐波源注入电网的谐波电流 方法如下 4 1 限制小容量变流器和交流调压器的最大容量 2 考虑上 级电网的谐波电压传递到下一级电网的谐波电压后 将剩余谐 波电压作为本级电网可分配给用户指标 在按照用户占用电网供电功率份额计算 用户注入电网的谐波电流 3 规定每一个用户注入电网的谐波电流允许值 按照经验选取各次谐波电 压含有率 按照用户与电网公共连接点的基准短路容量 进行计算 4 根据用户最大负荷电流和公共连接点的最大短路电流比值 确定用户注 入电嘲的各次谐波电流的允许值 1 1 2 电力谐波的危害 谐波对电力系统正常运行造成很大的危害 严重污染电能质量 影响到整个 电力系统电气环境 包括系统本身和广大用户 如果谐波程度比较严重 可能污 染较大的范围 比一个工厂对大气造成的污染还要明显 具体表现如下 1 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流放大 从而导致电容器由于过 载或者过压而损坏 对电力电缆也会造成过负载或过电压击穿 国内在许多电 力系统和用户系统内都发生过无功补偿电容器组无法投入运行 大批电容器损坏 的事故 2 造成电能计量误差 谐波使电压 电流波形发生不同程度畸变 使得测 量仪器受到影响 产生测量误差 许多谐波源从系统吸收基波有功功率 对系统 天津大学硕士学位论文第一章绪论 送出谐波功率 受害的用户从系统吸收无用的谐波功率 造成产生谐波源的用户 少付电费而受害用户多付电费的不良后果 3 对旋转电机 发电机和电动机 产生附加功率损耗 但谐波严重时 会 出现发热 脉动转矩和噪声 同时机端会出现明显的电压畸变 对于异步电动机 转子过热会导致电压畸变 同时电动机的漏抗随着谐波频率呈线性增加 脉动转 矩是由空气中的基波分量和转子谐波分量相互作用而产生 6 4 大多数继电保护装置和自动装置是按照工频正弦波变化规律作为动作激 励设计的 当系统中出现较大的谐波污染时 这些装置可能会发生误动作 甚至 出现拒动 严重降低系统运行的安全性 5 影响断路器和熔断器工作 谐波影响断路器短路容量 当负荷电流畸变 时 在过零点可能出现很高的d i d t 断路器此时开断难度增加 造成开断时间延 长而增加了故障电流切除时间 可造成快速重合闸后的再燃 熔断器在发热情况 下熔断 对谐波过电流集肤发热效应反应敏感 7 6 增加供电网和导线的损耗 如果发生谐振或放大现象 损耗将很严重 谐波电流在导线上的发热比均方根电流造成的预期发热还高 三相四线制的配电 网向单相负荷供电的时候 在中性导线上会流过3 次谐波电流 整流器中性线中 的电流可达相电流1 7 倍 可造成中线过负荷 7 对电子设备的干扰 谐波产生多个过零问题 破坏电子设备的运行 如 电子时钟 电力电子电源使用波形的峰值以维持滤波电容器的全充电 谐波畸变 可提高或削平波峰的峰值 结果即使均方根值的输入电压为正常的 电力电源也 可能实际运行在高的或低的输入电压下 严重时可能破坏设备 8 影响变压器正常工作 负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附 加发热 降低负荷能力 另外 变压器的电感与系统电容之间 可能在一定谐波 频率时发生谐振和温度周期变化 引起机械绝缘应力和铁芯振动 产生附加损耗 使其降低带负荷能力 9 谐波过电压引起绝缘介质击穿 输电线路单相重合闸失败 可能造成负 荷控制中的遥控 遥测 遥信出现异常 1 0 影响调速驱动器 a s d 它是使交流或直流电动机可变速运动的电子 变流器 在谐波影响下 该装置容易发生误动作而损坏 1 1 谐波会影响晶闸管换流设备控制系数 造成换相重叠角增加 电压电流 畸变严重 甚至出现换相时候因为换相角太小而造成换相失败 综上所述 谐波对各种电力设备 通信设备和线路都会产生有害的影响 严 重时造成设备损害而出现不安全事故 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 3 电力谐波的抑制方法 在实际电路系统运行中 不可能完全消除谐波 为了保证电力系统安全运行 和电网中各种用电设备能可靠工作 保证电能质量 我们必须采取必要的措施 对谐波进行合适的抑制 目前谐波抑制比较成熟的技术是采用被动形式 负载本身不加以改变 而是 在电力系统或者谐波负载的交流侧加装无源滤波器 p f 有源滤波器 a p f 或者混合滤波器 h p f c 该方法对各种谐波源都是适用的 在被动形式下 l c 无源滤波器利用它对特定频段谐波呈现低值阻抗的特性来抑制或减小谐波 方法简单易行 但是具有如下缺点 1 同一l c 无源滤波器只能滤除固定频率的谐波 如果要消除不同频率的谐 波成分 只能增加滤波装置 导致设备复杂 费用较高 2 无源滤波器有时和系统发生并联谐振 导致谐波放大 甚至损害滤波器 和危及电网 有源滤波器最近发展也很迅速 它们对频率和幅值变化的谐波进行 跟踪补偿 取得一定的进展 但是距离真正的实用阶段还有一段时间 谐波抑制方法中更具潜力的是采用主动形式 它从谐波负载本身出发 对谐 波负载的接线方式 构成原理 加工工艺和电力电子装置本身进行改造 使其不 产生谐波或者尽量减小谐波含量 同时通过一定的控制策略 让输入电压和电流 同相位 即高功率因数变流器 可以获得接近1 的功率因数 b 本课题以高功率因数变流器为研究对象 开发新型高功率因数变流器 1 2 课题研究的意义 高功率因数变流器1 9 也称有源功率因数校正器a p f c a c t i v e p o w e r f a c t o r c o n v e r t e r 它使整流器输入电流及时跟踪电压的变化 两者相位保持一致 目 前在单相领域应用有了一定的基础 u n i t r d e s i l i c o n m o t o r a l a 等公司相继推出 各种单相控制专用芯片 如u c 3 8 5 2 u c 3 8 5 5 等 它们应用在中小功率领域时 具有成本低 效率高和性能好等特点 很好的满足新谐波管理规定 取得了良好 的成效 然而在中大容量的应用中 三相a c d c 交流器比单相情况复杂 谐波 情况繁多 对电网污染更大 当前还没有很好的解决方法 三相高功率因数变流器将会对电力公害 主要指谐波污染 的解决发挥巨大 作用 成为当前国际电力电子学界研究的热门课题 迄今为止 人们 边努力探 索新的电路拓扑结构 同时不断提高变流器稳定性能和动态响应特性 力求降低 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 成本和提高效率 本课题在充分吸收前人经验的基础p 对高功率因数变流器进行全面的研 究 在不增加任何硬件开销的同时 采用切实可行的控制策略 保证变流器工作 稳定 实现能量的双向流动 使输入电压和电流接近正弦波 同时相位基本一致 降低了电压电流谐波含量 分析电压和电流的动态变化情况 具有一定的理论价 值和适用意义 1 3 课题研究的内容 本文以三相变流器为研究重点 由于p w m 技术在逆变器中获得成功的应 用 而在整流器中应用较少 本文在参考大量文献的同时 对p w m 控制的变流 器进行了研究 其中以整流器为主 电流型p w m 整流器直接对各个开关器件进 行正弦p w m 控制 使得输入电流只含与开关频率有关的高次谐波 而这些高次 谐波容易被滤除 在电压型p w m 整流器中 需通过电抗器和电源相连 可采用 多种控制方法 获得与电源电压同相位 波形接近正弦波的输入电流 在实际应用中 电压型整流器比较常见 论文咀p w m 电压型整流器研究为 主 在充分总结前人研究成果的基础上 论文包含以下工作 1 单相p w m 高功率因数整流电路工作原理研究和相应数学模型的建立 2 二相电压型p w m 高功率因数整流器控制策略的研究和分析 3 三榻p w m 高功率整流器仿真模型的建立和模拟分析 4 将p w m 高功率因数整流技术应用于发电机励磁系统 代替原可控硅励 磁系统 设计出基于该整流方式的电路拓扑及控制算法 并作出仿真分析 5 分析p w m 整流器在不同坐标下的数学模型 采用双闭环控制策略使同 步电机机端电压和电流得到较好的控制 分析出调节器参数列励磁系统的影响 6 p w m 高功率因数整流器的硬件试验设计思路 1 4 本章小结 1 详细叙述了电力谐波及其存在的危害 2 总结了谐波抑制的方法 提出课题的研究对象 3 概括出课题的任务 内容和论文的结构 3 概括出课题的任务 内容和论文的结构 大津大学硕士学位论文 第二章p w m 控制技术 第二章p w m 控制技术 从第一章介绍 我们知道功率因数校正技术的发展 从开始的无功补偿 到 随后的谐波补偿 发展到功率因数校正 目前功率因数校正的手段 从以前的无 源技术到现在有源技术 方式从起初的被动补偿到目前的主动改造 p w m 技术 随着高功率开关器件的发展而得到了充分的利用 在我国三相电网的应用中 三相整流电路的谐波污染危害比较大 为了适应 电网发展的要求 可以采用电压型三相桥式p w m 整流技术 对接流器进行改造 采用该方法的整流器 具有输入电流连续 谐波污染较小 e m i 不明显 能获得 高功率因数 同时可以实现功率的双向流动 动态响应比较迅速 是一种性能比 较良好的功率因数校正电路 下面分析p w m 整流技术工作原理和研究内容 2 1p w m 控制技术 p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 脉宽调制技术的直接理论来源来自采样控制 理论的 个重要结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 这里 冲量指的是窄脉冲的面积 所说的对惯性环节的效果基 本相同 是指惯性环节的输出响应波形基本相同 如果把各输出波形用傅里叶变 换分析 则其低频段非常相近 仅在高频段略有差异 这一原理又称为面积等效 原理 它奠定了用控制各逆变单元开关输出方波来等效合成正弦波的理论基础 目前 p w m 技术发展十分迅速 主要应用领域包括 1 交流电机传动系统 2 不间断电源 u p s 3 步进电机和直流电机传动系统 4 p w m 整流装置 5 新型四象限变频装置 6 d v r s p q c u p q c 等新型电能质量补偿装置 7 有源滤波器和高级无功补偿装置等 本节已经介绍了p w m 技术基本原理 接下来介绍该方法分类和研究现状 然后详细分析p w m 方法的特点 犬津大学硕士学位论文 第二章p w m 控制技术 2 1 1p w m 方法的分类 p w m 方法很多 笔者在参阅大量资料的基础上 分析了p w m 技术的发展 过程 以规则采样技术的出现为界限 前后划分为两个时代 模拟时代和数字时 代 下面具体说明和比较两个时代的p w m 控制方法 模拟p w m 方法根据调制波和载波的比较所产生交点来确定丌关器件的通 断时刻 1 3 其中三角载波信号通常采用振荡器产生 然后由比较器完成比较 整 个实现过程中 系统所用元件较多 显得比较臃肿 控制精度难以保证 但是 该方法比较简单 随着科技的发展 集成技术的出现可以提供很多新型的p w m 专用芯片 例如m c 3 3 0 2 3 m c 3 3 0 6 0 a 等控制芯片 它们可进一步简化控制驱 动电路 因此目前普遍把模拟方法应用于一些对控制精度要求不很高的场合 根据参考电压波形的不同 模拟p w m 方法可以分为 f 弦p w m s i n u s o i d a l p w m 又称s p w m 梯形p w m t r a p e z o i dp w m 又称t p p w m 谐波注入 p w m h a r m o n i ci n p u tp w m 又称h 1 p w m 马鞍型p w m t 等 具体如下图所示 表2 1p w m 模拟法分类 模拟p w m 方法 s r w m t p w m 马鞍型p w m f 土三次谐波注入法 h i p w m 4 i 吉三次谐波注入法 数字p w m 技术是在规则采样技术出现以后逐渐发展起来的 由于模拟 p w m 方法必须确定开关器件通断时刻 给工程中带来很多麻烦 数字p w m 可 以不比较确定器件通断时刻 它能利用c p u 数字信号处理器 d s p 等高端的 计算工具 通过一定的数学方法确定各个开关器件的开关时刻1 1 从控制特性角度入手 p w m 数字法可分为两类 开环p w m 法和闭环p w m 法 开环p w m 法从起初规则采样法 发展到后来载波调制方案 优化p w m 法 矢量调制法和随机p w m 法 闭环p w m 法分电压和磁通反馈 16 j 等 如下所示 天津大学硕十学位论文 第二章p w m 控制技术 p w m 数字法 表2 2p w m 数字法分类 聊w m 辟毳曩翟筹淼时电压脚w m 法 开环p w m s v p w m 法 优化p w m 法 蒹耄裳莲耋亲 麓鋈 j 输出电流t h d 最小p w m 法 f f 弦波调制函数法 载波p w m 裳凳篱台翟萎霪数法 l 非连续调制函数法 肿w m 罄开关s v p w 即m 瀑煞次数r p w m 靶kl 基于变开关次数 2 1 2p w m 输出脉冲控制方法 p w m 波形可以分为等幅和不等幅波形 利用直流电源产生的p w m 波形近 似为等幅波形 当输入是交流电源时 产生不等幅p w m 波形 但是两者本质都 是在面积等效原理的基础上实现的 通常有两种方法来控制p w m 所需要的输出 脉冲列 1 计算法 该方法首先设定所要得到的逆变电路输出等效的正弦波频率 幅值和半周期的脉冲数 这样可准确计算出p w m 波形中各替代脉冲的宽度和时 问间隔 然后按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断 可得到所需要的 p w m 波形 当输出的正弦波频率 幅值或相位变化时 需有新的计算结果来控 制逆变器的通断 可以看出 这种方法计算繁琐 实际应用中不很方便 当有特 定需要时才采用 如p w m 特定谐波消去法和s v p w m 法等 举例说明 设定输出电压为 耐 则其基波及n 次谐波幅值的有效值为 u l 丝u s i n 昙 2 1 7 二 乩 丝 s i n 掣 2 2 天津人学硕士学位论文 第二章p w m 控制技术 这时 如果要消除3 次谐波 n 令 o 1 2 0 此时 乩 冬至u d s i n 兰墨竽 o j 玎z 若要消除5 次谐波 贝l j 令 2 此时u s 2 q 互吣i n 半 0 2 调制法 该方法把希望得到的波形作为调制信号 把接受调制的信号作 为载波 通过信号波的调制得到所期望的p w m 波形 该方法在工程上易于实现 因而在实践中被广为应用 1 8 1 这里以三角波作为载波来具体说明调制法产生 p w m 波脉冲的过程 图2 1 单相桥式p w m 逆变电路 v d 4 图中负载为感性 其中v i 和v 2 通断状态互补 v 3 和v 4 通断状态互补 控 制规律如下 在输出电压 的正半周 v j 常开 v 2 常闭 v 3 和v 4 交替导通和 关断 由于负载电流比电压滞后 因此在电压上半周 电流有一段区间为正 一段 区间为负 在负载电流为正的区间里 v 1 和v 4 导通时 负载电压u o u a v 关 断时 负载电流通过v l 和二极管v d 3 续流 o 在电流为负的区间 v l 和 v 4 关断时 因i o 为负 故i o 实际上从二极管v d 3 和v m 流过 u o u e 当v 4 关断 v 3 导通时 i o 从v 3 和v dj 续流 o 这样 u o 总可以得到砺和0 两种电平 同样 在输出电压 的负半周 v l 常闭 v 2 常开 v 3 和v 4 交替导通和关断 可以得到 砜和0 两种电平 控制v 3 和v 4 通断的方法如图示2 2 所示 调制信号u 为正弦波 载波巩 在己 的正半周为正极性的三角波 在u 的负半周为负极性的三角波 在u 和 天津大学硕士学位论文 第二章p w m 控制技术 饥的交点时刻控制开关器件的通断 u l t 磊 尚删 磐 黼 f所附 州 图2 2 单极性p w m 控制波形 在珥正半周 v l 导通 v 2 关断 当啦u 时v 4 导通 v 3 关断 u o u a 当u 乩时v 4 关断 v 3 导通 1 0 o 在珥负半周 v i 关断 v 2 导通 当l p u c 时v 4 导通 v 3 关断 b 0 o 当 6 r 时 v 导通 v a 关断 u n 丫形 lb r l i l c 时 v 关断 v 导通 u n 一哆彳 鼠 u o 一魄 图2 3 双极性p w m 控制波形 图2 4 三相桥式p w m 逆变电路 n 三相p w m 逆变电路控制过程的波形如图2 5 所示 与双极性p w m 控制的 结论相似 和 三相p w m 波形都只有 d 钐两种电平 当桥臂l 和6 导通时 u u v u d 桥臂3 和4 导通时 y u v u 桥臂1 和3 或4 和6 导通时 u u v 0 这样 l ip w m 逆变电路的输出线电压就有三种电平 u 0 而负 载相电压为 一堑等当 2 3 天津大学硕士学位论文第二章p w m 控制技术 结合式子 2 3 j 分析知负载相电压p w m 的输出为 詈u ul lul juu 乙j l j l ju n拜r lr 1 门r l r 1r 1 一l l o l j ul j 瓣u i juuu 一 一nnnn1 1 门门门n f uuu l j l j l l juuu 一 图2 5 三相桥式p w m 逆变电路波形 5 种电平 电路在工作时 为防止上下两臂直通而造成短路 在上下两臂通断切 换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间 让同一桥臂上下管子轮流导 通 这个死区时间将会给输出p w m 波形带来一定的影响 使其稍稍偏离实际的 l e 弦波形 通常在保证同一相上下两个臂不直通的时 死区时间越短越好 在p w m 控制电路中 载波信号频率工和调制信号频率工之比n f o 工称 为载波比 根据载波信号和调制波信号是否同步及载波比n 变化情况 p w m 调 制方式分为异步调制和同步调制 其中同步调制波形如图2 6 所示 2 2 适合补偿电压质量的p w m 方法 电力电子装置的大量使用 给实际电网中的电压造成了一定的波形畸变 我 们可以选用p w m 控制方案 产生相应的波形 从而实时补偿电刚电压的畸变成 分 及时优化电能质量 这里介绍两种方案 警奄 謦海 磐 留 嗽 天津大学硕士学位论文 第二章p w m 控制技术 萋l 摄 网f 嗣 斑胡 堪j 纳一 l o 融 鬟凛 f 阑髓r r 基 w 跚b j t 羟嘲 馨叶 图2 6 同步调制二相p w m 波形 2 2 1 载波p w m 方案 1 控制方式 载波p w m 原理如图2 7 所示 其中 a 为单边调制 b 为双边对称调 制 c 为双边非对称调制 调制函数的取值范围为 一0 5 o 5 图中n 死和 n 1 瓦分别表示相邻两个开关周期的起始时间 阴影部分表示第n 个开关周期 内载波被调制的部分 l 从图形可以看出 单边调制脉冲的上跳沿对应的时刻固定不变 下跳时刻变 化 双边调制中 上跳沿和下跳沿均变化 如变化相同为对称 不同为非对称 单边调制中 在每个载波脉冲的上跳沿对应时刻进行 以此为基础改变相应输出 脉冲下跳沿时问 输出脉冲占空比为 d n r 0 5 f n t 2 4 双边不对称调制中 在一个丌关周期中两次计算调制函数的值 采用时间通 常比载波提前1 4 个开关周期 输出脉冲占空比为 111 d n e o 5 寺 一 z 厂 m t 2 5 斗斗 双边对称调制在一个开关周期内只计算一次调制函数的值 用该值作为基础 同时调制上下沿 输出脉冲占空比是 d n e o 5 骱一去 t 1 2 6 天津人学硕士学位论文 第二章p w m 控制技术 l n t t s 绸 n 1 t s 囫 n 1 t s 臣绸 l t t s n l r 吨 髟 饧 i n 1 t t a b c a 单边调制 b 双边对称调制 c 双边非对称调制 图2 7 载波p w m 调制原理图 2 调制函数 当参考电压是实时变化的任意波形时 调制函数也是实时变化的任意函数 此时调制函数仅与参考电压在采样时刻瞬时值相关 可以根据参考电压实时计算 调制函数瞬时值 在单相全桥功率变换器中 假设交流电压幅值为砜 参考电 压为u 6 考虑开关频率很高 参考电压在一个开关周期内近似不变 以单边调 试为例可得 u 一 r 0 5 f n t l l u 0 5 一 刀r 瓦 一u 女 2 7 整理并且连续化有厂 鼍罢 同理 可以推得 双边调制的结果函数表达式 相同a 在三相全桥功率变换电路中 调制函数得计算方法为 f 三筹 从上式可以看出载波p w m 控制可以应用于单相和三相系统 当供电系统为 三相四线制时 可以用三个单相分别等效 2 2 2s v p w m 方案 s v p w m 方法因其高电压利用率 低谐波含量以及硬件电路简单等优点受到 了广泛关注 现在来介绍一下空间电压矢量法 s v p w m 载波p w m 调制方法 是建立在异步电机稳态数学模型基础上的 因而动态性能不理想 而s v p w m 空 阳j 矢量控制是建立在异步电机的动态模型基础上 它的控制效果比s p w m 好 2 0 1 直流电机运行时 t c t 拼 它具有优良的调速和起动性能 励磁绕组和 天津大学硕十学位论文 第二章p w m 控制技术 电枢绕组各自独立 空间位置互差9 0 和电枢电流厶的磁通正交 如忽略电枢 反应 它们互不影响 两绕组又分别由不同电源供电 在磁通西恒定时 只要控 制电枢电流或电枢电压便可以控制转矩 异步电动机中 只有定子绕组与电源相接 定子电流中包含励磁电流分量和 转子电流分量 两者混在一起 又称耦合 电磁转矩并不与定予电流成比例 其 中 t c r 西 c o s p 矢量控制的思路就是仿照直流电动机控制原理 将交流电机 的动态数学方程式进行坐标变换 包括三相至二相的变换 3 s 2 s 和静止坐标与旋 转坐标的变换 然后将定予电流分解成励磁分量和转矩分量 解耦 该方法实际 上是把异步电机的物理模型设法等效变换成类似于直流电机模式 其中等效原则 为 在不同坐标系下电机模型所产生的磁动势相同 定子电流分解成励磁分量和 转矩分量 可以根据可测电机定子电压 电流的实际值经计算求得 然后分别和 设定值一起构成闭环控制 经过调节器作用 再经过坐标反变换 变成定子电压 的设定值 实现对整流器的p w m 控制 2 3 本章小结 1 对p w m 方法进行分类 2 详细介绍了单相和三相p w m 控制方法 3 探讨了电压质量补偿的p w m 方法 天津大学硕士学位论文第二章p w m 控制的高功率因数可逆整流器 第三章p w m 控制的高功率因数可逆整流器 对整流器的自身结构进行改造 是抑制谐波的主动方法 尤其是对一些作为 主要谐波源和功率因数很低的整流器而言 具有一定现实意义 目前p w m 技术 较多应用于逆变器中 很多理论比较成熟 然而应用于整流器的研究较少 p w m 整流器按照电路结构可分为电压型 电流型整流器 按照输出电平可 以分为单电平 多电平整流器 按照相数分为单相 多相整流器 2 1 1 本章对单相 和三相p w m 整流器结构 原理和控制方法进行比较详细的分析 对于三相p w m 整流器 本章采用电压电流反馈环 对输入电压 电流进行实时的调节 控制 同时采用开关函数 对整流电路进行等效 并且建立控制电路的数学模型 具体 内容如下 3 1 单相p w m 整流器 理 下面详细分析单相全桥电压型整流器和电流型整流器的电路结构和工作原 3 1 1 单相电压型p w m 整流器 b a 单相电路 b 等效升压斩波电路 图3 1 电压型p w m 整流器结构图 f r 天津大学硕士学位论文 第二章p w m 控制的高功率因数可逆整流器 当整流器工作在整流状态 具体情况如下 1 e s 0 时 v 2 v d 4 v m l 和v d l v 3 v d 4 三 分别构成两个升压斩 波电路 其中第一组斩波器如图3 一l b 所示 当v 2 导通的时候 e 经过v 2 v m 向上 充电 厶中储存能量 当v 2 截至后 e 和 通过v d 卜v d 4 向直流侧电 容充电 三 中储存能量逐渐释放 2 e s 0 时 由v 4 v d 2 v m l 和v d 3 v l v m l 分别构成升压斩 波电路 具体工作原理和情况 1 相似 由于电抗器三 的续流作用 通过控制触发脉冲产生时刻 可控制v l v 4 的 通断 从而使流过电感三 电流波形接近 f 弦波 当器件丌通频率很高时 电流 和电压e 相位基本相同 整流器输入端功率因数接近1 从上面分析中可以看出 电压型p w m 整流器中含有升压斩波器 因此也称 升压型p w m 整流器 它在工作时 如控制方法合适 不仅对电网造成很小污染 而且可以兼作s v g 和a p f 的作用 具体工作原理如图3 2 所示 2 2 必 b c u a 等效电路图 b 整流工作状态 c 逆变工作状态 d s v g 状态 e 任意工作状态 图3 2p w m 变流器运行方式 这里结合图3 1 和图3 2 详细分析 p w m 整流器在工作时 按照正弦信号 波和三角波比较方法对图3 2 a 中的桥臂进行控制 此时交流侧输入端a b 会产生一个正弦调制p w m 波形 k 蛆中含有和正弦信号波同频率并且幅值 成比例的基波分量 以及和三角载波相关的高次谐波 如果在半周期中 脉波数 为p 时 2 p 1 以下的低次谐波将会被消除掉 或者得到有效抑制 只含有基波 和高次谐波分量 由于电感上 滤波作用 高次谐波电压只会使交流电流i 产生 很小脉动 它的含量较小 滤除较容易 这样 当正弦信号波和电源频率相同时 s 也为与电源频率相同的正弦波 在交流电源电压弧一定时 f s 的幅值和相位由 镭中的基波分量 a b f 的幅值和 u s 的相位差来确定 通过改变氓b f 的幅值和相位 就可以使i 和u 同相位 反 相位 超前9 0 0 相位或者成任意角度 具体情况如图3 2 所示 图3 2 a 中 电抗器和电源内阻用月 来表示 u 为内阻产生的压降 可 以看出 只要改变魄b f 的幅值和相位 就可以使得f s 与略同相位 反相位和成 对肇 大津大学硕士学位论文 第三章p w i v l 控制的高功率冈数可逆整流器 任意的角度 所以u a b f 是p w m 很重要的控制量 图3 2 b 中 和e 同相 位 电路工作在整流状态 此时功率因数为1 图3 2 c 中 f 和占 反相位 电路切换到逆变状态 相当于一个只输出有功功率的电源 能量从负载流向电源 从而实现再生制动 图3 2 d 中 u a u f 滞后巨一定角度 超前e 角度为 9 0 0 电路不断向交流电源送出无功功率 这时的电路被称为静止无功功率发生 器 s v g 图3 2 d 中 可以通过对u a b 幅值和相位的控制 使得 和e 之 间成任意角度 从而满足实际运行的需求 需要注意的是 直流侧电压不能过低 例如低于e 的峰值 否则得不到所 需要的u m r 幅值 这样u a b 中会含有大量低次谐波 不能按照需要控制i 无法 保证所需波形 3 1 2 单相电流型p w m 整流器 1 i上 tl b v i b a 主电路结构图 b 等效斩波器电路图 图3 3 电流型p w m 整流器结构图 如图3 3 所示 该整流器又叫降压型p w m 整流器 交流侧接有厶和电容 c s 主要为了滤除开关工作时产生的高次谐波 具体工作情况如下 1 e s o 时 v v 3 v 4 组成一个降压斩波器 具体如图3 3 b 所示 当v v 4 开通时 电源向 充电 里面储存能量 当v 1 截止 v 3 v 4 导通时 负载中的电流通过v 3 v 4 续流 它们相当于续流二极管 2 e s b c o s n r o t n l l 4 1 大津大学硕士学位论文 第四章高功率因数整流器仿真分析 其中 口o d t 口 0 7 b 一1 一 s i n n 以厅 胛石 矾是一个开关周期中桥臂的导通率 则 s k d k 善 1 磊2s i n n d k x c o s 删 那么第三章公式 z p x a x 砌中矩阵一 可化为 a a a 其中 a 一r 0 0 一 d 一 0 一r 0 一 巩一 00 一r 一 d 一 d d dc d 七db d dd d h 七d j d d d 0 a 0 0 0 4 4 1 0 0 0 4 4 2 4 2 4 3 4 4 0 0 0 4 4 3 a 1 4 a 2 4 彳 4 o 一水矿 井咖 一奢吣纠 c o s 删 a 4 m2 善 一1 意8 i n 如石 c s n 耐 七 m l 2 3 分别代表a b cz l 同理状态变量可分为两部分 x 墨 x h 4 5 那么 z p x a x 鳓变为 z 罢 五 五 a l 以 五 瓦 4 6 它由两部分组成 一个是低于开关频率r 的低频模型z p x a 出 b e 一个是高于开关频率只的高频模型z p 凰刊尚卅隔十 哇h 赫 由于高频部分凰远远 小于蜀 故上式等式右边第二 第三项都可以忽略 整流器的高频模型近似为 z p x h a t 尚 4 7 其中 i o h 如u e c h 在三相平衡的系统中 三相电流有相同的谐波形式 考虑其中一项 展开式 4 7 的第一行为 天津大学硕士学位论文 第四章高功率因数整流器仿真分析 印k a 1 4 己k 4 8 这里的乙 i 厂 巩 c o s 耐 可以看出线电流谐波的幅值与开关频 率只 滤波电感l 成反比 同时还与导通率有关 同理 的高次谐波为 u 2 i 毒万 以 c o s 耐 直流端电压的高频谐波分量幅值与开关频率最 滤 波电容c e 成反比 同时还与导通率有关 4 5 2 仿真波形分析 1 三相不控整流 图4 1 3 三相不控整流系统仿真模型 首先看下三相不控整流 系统模型如图4 1 3 所示 仿真波形如图4 1 4 所示 从图4 1 4 可以看出 a 相输入电流中含有3 5 7 1 1 等次谐波 其中三次谐 波大约为2 5 次谐波为1 2 7 次谐波为5 1 1 次谐波为1 5 总谐波的含量 为1 2 1 7 谐波污染比较严重 这样会对电力系统造成一定的危害 因此应该 通过一定的控制策略减小谐波成分 2 三相全控整流 采用双闭环策略后 根据所建立的模型 下面分析各种负载情况下的波形 由于各种工作情况比较复杂 这里就输入端和输出端口几种典型情况分别讨论 天津人学硕士学位论文 第四章高功率因数整流器仿真分析 t s f u n d a m e n t a l 5 0 h z 9 b 0 7 t h d 1217 i1 h0 05 h a l 1 3 1 0 n i cor d e r 图4 一1 4 三相不控整流a 相输入电流及频谱分析 1 输出端工作情况 a 空载情况 图4 1 5 空载时a 相输入电流 4 3 2 0 口 日 6 4 2 d 一 elu eepunl jo葶一6e至 大津大学硕士学位论文 第四章高功率因数挺流器仿真分析 空载时候 由于负载端断开 交流侧电源对负载端电容充电 输出电压很快 稳定 而电流很小 其放大情况如图4 1 5 所示 图4 1 6 为空载时输出电压 b 稳态下负载变化 t s 图4 1 6 空载时输出电压 电路在稳态工作的过程中 由于负载是动态变化的 负载加重 负载电流增 大 和负载减轻 负载电流减小 的情况如下 图4 一1 7 和4 1 8 是负载减轻的仿真波形 设负载在0 0 3 s 时电流由4 0 a 变为 2 5 a 此时直流电压的波形在经过一个周期的波动后 很快达到新的稳定值 从开 始的1 5 0 v 变到1 7 0 v 由于在双闭环的控制下 电流过渡变化冲击较小 直流 侧的电压也迅速在o 0 5 s 达到稳定 图4 1 9 和4 2 0 是负载加重的仿真波形 具体分析方法和负载减轻相类似 但是波形的变化相反 最后直流电压从开始的1 7 0 v 下降到1 5 0 v 2 输入端工作情况 图形4 2 1 是非闭环a 相输入电流波形 基波分量为9 0 2 a 谐波含量为9 1 7 含有2 左右的三次谐波 此外含有一定的7 9 1 1 等 6 i 1 奇次谐波 由于三 次谐波的滤除比较麻烦 高次谐波的滤除较容易 所以该方法容易造成谐波污染 图形4 2 2 是单闭环a 相输入电流波形 这里采用的是电压闭环的仿真结果 由于在线的反馈回了负载侧直流电压 采用改进型p i d 调制 及时的和指令电压 信号相比较 电流波形得到了一定的改善 基波分量为9 8 1 a 谐波含量为6 2 l 三次谐波的含量下降到0 5 大津大学硕士学位论文 第四章高功率因数摧流器仿真分析 v b 如 3 0 2 0 0 叫 一 h 1 d 2