三相单位功率因数PWM整流器的研究

定稿日期 2 0 0 6 0 9 2 7 作者简介 王琳 1 9 7 7 女 吉林辽源人 硕士 讲师 研究方向为电力电子技术 计算机仿真 智能 控制 1引言 在电力电子整流领域 主要有以下三类整流装 置 1 基于电力二极管的传统整流器 由于其输出 电压的不可控性 以及能量传递的单向性 只能从交 流侧向直流侧传递 使得其应用领域非常有限 基于 S C R的相控整流器 由于控制相对简单 技术 成熟 在当前获得了广泛的应用 但其拓扑结构决 定其存在着功率因数低 谐波含量高 动态响应慢等 天然缺陷 与当前 绿色能源 的发展趋势背道而驰 基于全控器件的单位功率因数 P WM整流器 它 从原理上杜绝了上述两种整流器的天然缺陷 具有 输出电压可控 能量双向流动 交流侧向直流侧为整 流 反之为逆变 功率因数近似为 1 谐波含量极 低 仅含易于过滤的高次谐波及动态响应快的优点 正因为上述近乎完美的特性 单位功率因数 P WM整流器又被称为 完美无谐波整流器 其研究 已经成为当前整流领域的热点 2 V S R的拓扑结构及建模 2 1 V S R的拓扑结构 V S R最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容 进行直流储能 从而使 V S R直流侧呈低阻抗的电压 源特性 图 1 示出 V S R主电路拓扑结构 1 2 主电路 拓扑交流侧采用三相对称的无中线连接方式 并采 用 6 个功率开关管 这是一种最常用的三相 P WM 整流器 每个桥臂上的可关断开关管均带有反并联 二极管 可以实现能量的双向流动 图 1 三相 V S R拓扑结构 以 A相为例 当 A相下桥臂中的开关管导通 时 A相储能电感储能 当其关断时 A相电感储能 通过上桥臂的二极管向直流侧释放磁能 因此 从广 义上讲 这种桥式 P WM可逆整流器拓扑仍属于升 压式结构 三相电压型 P WM整流器的特点是结构 简单 且易于实现有源逆变 因而是目前应用和研究 最受青睐的一种类型 也是目前 P WM整流电路中 应用最为广泛的一种 2 2系统建模 在三相 V S R模型的建立过程中 常用到两类坐 标变换 2 将三相静止坐标系 a b c 变换成两相 垂直静止坐标系 将三相静止对称坐标系 三相单位功率因数 P WM整流器的研究 王琳 1 郑士富 1 李木 2 1 大连交通大学 辽宁 大连1 1 6 0 2 8 2 大连理工大学城市学院 辽宁 大连1 1 6 6 0 0 摘要 随着电力电子技术的迅速发展 谐波污染问题越来越不容忽视 电压型 P WM整流器 V o l t a g e S o u r c e R e c t i f i e r 简称 V S R 因功率因数近似为 1 并能减少电流谐波 实现能量的双向流动而备受关注 首先给出了 V S R的 拓扑结构和数学模型 然后论述了空间矢量控制方法在 V S R中的应用 仿真结果表明了空间矢量控制策略在实现单 位功率因数方面的有效性 最后根据实际应用中存在的 死区 问题 研究了基于 D S P 及 C P L D的实现方法 关键词 整流器 脉宽调制 空间矢量 控制 单位功率因数 中图分类号 T M 4 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 1 0 0 X 2 0 0 7 0 3 0 0 2 1 0 4 S t u d yo f T h r e e P h a s e U n i t yP o w e r F a c t o r P WM R e c t i f i e r WA N GL i n 1 Z H E N GS h i f u 1 L I M u 2 1 D a l i a nJ i a o t o n g U n i v e r s i t y D a l i a n1 1 6 0 2 8 C h i n a 2 D a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y D a l i a n1 1 6 6 0 0 C h i n a A b s t r a c t Wi t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f t h e p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y t h e p r o b l e ma b o u t h a r m o n i c s p o l l u t i o nh a s b e e nm o r ea n dm o r er e g a r d e d V o l t a g eS o u r c eR e c t i f i e r V S R h a s b e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s eo f i t s p o w e r f a c t o r a p p r o x i m a t i n gt ou n i t y t h ec a p a b i l i t yo f d e c r e a s i n gt h ec u r r e n t h a r m o n i c s a n dr e a l i z i n gt h ed o u b l ed i r e c t i o n f l o wo f t h ep o w e r A t f i r s t t h et o p o l o g ya n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e l o f V S Ra r ep r e s e n t e d a n dt h e nt h ea p p l i c a t i o no f t h e S V P WMc o n t r o l s t r a t e g yi nV S Ri s d e s c r i b e d T h es i m u l a t i v er e s u l t s s h o wt h es p a c ev e c t o r c o n t r o l s t r a t e g yi s e f f e c t i v ei n t h e f i e l do f r e a l i z i n g t h e u n i t y p o w e r f a c t o r A t l a s t t h e d e a dt i m e s r e a l i z a t i o nb a s e do nD S Pa n dC P L Da r e s t u d i e d K e y w o r d s r e c t i f i e r p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n s p a c e v e c t o r c o n t r o l u n i t y p o w e r f a c t o r 第4 1卷第3期 2 0 0 7年3月 电力电子技术 P o w e r E l e c t r o n i c s V o l 4 1 N o 3 M a r c h 2 0 0 7 2 1 第4 1卷第3期 2 0 0 7年3月 电力电子技术 P o w e r E l e c t r o n i c s V o l 4 1 N o 3 M a r c h 2 0 0 7 变换成两相旋转坐标系 d q 或是将两相静止垂直 坐标系 变换成两相同步旋转坐标系 d q 上述坐标变换又分成等量和等功率变换两种 等量坐标变换指变换前后通用矢量相等 等功率变 换指坐标变换前后功率相等 在实际应用中 可根 据具体情况选用 在此 遵循等功率变换建立 d q 坐标系下的模型 有变换矩阵 T a b c 2 3 1 1 2 1 2 0 3 2 3 2 1 T d q c o s ts i n t s i n tc o s t 2 变换上式所得 和 d q 坐标系下的数学模型 分别为 L d i d t u R i S Ud c L d i d t u R i S Ud c Cd U d c d t S i S i iL 3 L d i d d t u d R id L iq SdUd c L d i q d t u q L id R iq SqUd c Cd U d c d t S did Sqiq iL 4 由于 静止坐标系和 d q旋转坐标系之间 的变换矩阵元素是时间的函数 因此不能简单地认 为 坐标系下电流的导数乘以变换矩阵就是 d q 坐标下电流的导数 它们存在如下关系 d d t i d i q d d t T d q i i 01 T d q d d t i i 0 0 i d i q 5 从同步旋转 d q坐标的数学模型看 P WM变 流器中两相电流之间存在耦合关系 因此 基于这种 坐标系的数学模型 在设计电流控制器时应考虑这 种关系 3空间矢量脉宽调制方法 电压空间矢量 P WM控制策略是基于空间矢 量变换概念提出的 1 若规定每个桥臂上开关管 导通时为 1 下开关管导通时为 0 则每个桥 臂有 0 和 1 两种工作状态 三相桥臂共有 2 3 8 种不同的开关组合 分别构成图 2所示的 8个开 关矢量分布图 在电压矢量空间分布图上 这 8 个 矢量分为 6个非零电压空间矢量 Ui i 1 6 和两 个零矢量 U0 0 0 0 和 U7 1 1 1 这 6个矢量均匀分 布在 坐标平面上 电压空间矢量定义为 U 2 3 Ua Ube j 2 3 Uce j 2 3 6 电网电压 Ua Us mc o s Ub Us mc o s 1 2 0 Uc Us mc o s 2 4 0 7 所以输出电压空间矢量为 U Ume j t 8 由式 8 可以看 出 输出矢量轨迹是 一个圆 在数字电流 控制中 输出电压矢 量取值为一系列离散 矢量 空间电压矢量 P WM调制的目的就 是如何生成这一系列 的输出电压矢量使输出电流谐波最小 直流电压利 用率最高 算法最简单 若 U 在第一扇区 则 U 由非零矢量 U 1 U2和相 应的零矢量合成 满足下式 U T s U1T1 U2T2 9 T 0 Ts T1 T2 1 0 式中T s 采样周期T 0 零矢量的作用时间 T 1 T2 电压矢量 U1 U2的作用时间 如果已知 U 与 U 1的夹角为 则根据三角形 正弦定理 UsT s s i n 6 0 U2T 2 s i n U1T 1 s i n 6 0 1 1 所以有 T 1 3 Us mT ss i n 6 0 Ud T 2 3 Us mT ss i n Ud 2 0 6 0 1 2 两个矢量作用时间总和不能超过采样周期 所 以可得 3 Us m Ud 1 3 上式对任何 值都成立 这表明电压空间矢量 P WM具有最高的直流电压利用率 为了弥补 T s和 T1 T2之间的时间差 在 U1 U2逼 近 U 的过程中需要插入零矢量 U 0 U7 取其作用时 间为 T 0 0 T0 7 Ts T1 T2 1 4 三相电压型 P WM整流器的 S V P WM调制技术 步骤为 1 计算合成电压矢量U 根据前面的分析不 难得出 U 的值 2 判断U 所在的扇区 选 A B C三相轴线 为开关线 即可由下式确定 U 所在的扇区 图 2 电压空间矢量分布 2 2 扇区开关矢量 0 0 0 1 0 01 1 01 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 01 1 01 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 00 1 11 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 1 11 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 11 0 11 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 01 0 11 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 u r e f 1 u u r e f 2 3 2 u 1 2 u u r e f 3 3 2 u 1 2 u 1 5 N s i g n u r e f 1 2 s i g n ur e f 2 4 s i g n ur e f 3 1 6 根据表 1 所示 N与 U 所属扇区的关系 可以 推出 U 所属的扇区 表1N与U 所属扇区的关系 3 选择开关矢量确定了 U 所属的扇区后 即可得出开关矢量及其作用时间分配 如表 2 所示 表2各扇区开关矢量分配 4 计算开关矢量作用时间 合成三相开关信号 以第一扇区为例 可得到作用时间为 U1T 1 U2T2c o s 6 0 u Ts U2T 2s i n 6 0 u Ts 1 7 于是有 T 1 T s Ud 3 3 u u T 2 23 3 Ud u T 0 0 T0 7 1 2 T s T1 T2 1 8 图 3 示出第 扇区 S V P WM开关信号在一个采 样周期内的分配图 图 3 第 扇区的 S V P WM开关信号 4仿真研究 综合前面的理论与方法 采用了如图 4 所示的 三相电压型 P WM整流器仿真控制框图 3 5 系统仿 真参数为 输入三相交流 3 8 0 V 输入侧电感 6 m H 直流输出侧电容 4 7 0 F 负载电阻 5 0 图 5 示出仿 真结果 图 5 a 为稳态时的整流波形 图 5 b 为直流负 载侧的电压波形 图 5 仿真结果 由仿真结果可见 采用 S V P WM控制策略 使空 间矢量 U直接控制交流输入侧电流 i a的相位 动态 跟踪交流输入侧电压 u a 使 ia与 ua同相位 可以在 理论上实现单位功率因数运行 由于 V S R主要能量 转换部件为交流侧的进线电抗 电感 其数值一般 在毫亨数量级 由于电感较大 其在换流的同时 又 是很好的电流滤波器 大大降低了交流侧总谐波含 有量 另外 直流侧电容 C是 V S R的另一个能量转 换部件 通常其数值 C 4 7 0 F 这样大的电容对 Ud c 有着良好的平波效果 由图 5 可见 在稳态阶段 Ud c 的波动是可以忽略的 这样 就交流侧而言 S V R理论上实现了单位 功率因数和滤除谐波的双重功能 5死区的实现 V S R在运行时 同一桥臂开关器件禁止同时导 通 两者相继导通的间隔称为 死区 在实际应用中 死区的实现非常重要 可以利用 D S P 事件管理器 中自带的死区生成单元 或利用 C P L D设计一个简 单的有限状态机来实现 此处采用后者 因为它为系 统设计以及升级为三电平整流提供了一定的灵活 性 可靠性也较前者有所加强 正确的死区设置是保证系统可靠运行的重要前 N 3 1 5 4 6 2 所属扇区 图 4 三相电压型 P WM整流器控制框图 三相单位功率因数P WM整流器的研究 2 3 第4 1卷第3期 2 0 0 7年3月 电力电子技术 P o w e r E l e c t r o n i c s V o l 4 1 N o 3 M a r c h 2 0 0 7 在输入端加 幅 度为 1 5 0 0 r m i n 频率为 2 5 H z 的 方波信号 图 7 示出电机在空载 下的速度响应特 性曲线 由图可 见 调节时间约 为 5 0 m s 超调量 小于 2 稳态误 差小于 1 位置环采用 分段脉冲控制 当位置误差大于 1 0 0 0 0个 脉 冲 时 比例系数取 1 当误差小于 1 0 0 0 0个 脉 冲 时 比例系数取 0 3 3 图 8 示出响 应曲线 调节时间约为 1 5 0 m s 定位误差为 1 个脉冲 6结论 基于矢量控制和 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2D S P的 P M S M 位置伺服系统 采用 C语言编程 由于该 D S P的运 行速度快 C语言编译效率高 因此能满足系统实时 性的要求 与 T M S 3 2 0 F 2 4 0 7 AD S P汇编语言相比 降低了电机数字控制系统设计的门槛 缩短了开发 时间 实验结果表明 该系统设计合理 响应速度快 控制精度高 有广泛的应用前景 若能选用线数更多 的光电码盘 可进一步提高系统性能 参考文献 1 陈伯时 电力拖动自动控制系统 M 北京 机械工业出版 社 2 0 0 3 2 李永东 交流电机数字控制 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 2 3 黄大为 张文凯 于艾 等 基于 D S PT M S 3 2 0 F 2 8 1 2 的 交流传动系统控制器 J 电力电子技术 2 0 0 5 3 9 2 1 3 4 刘和平 王维俊 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 XD S PC语言开发应用 M 北京 北京航空航天大学出版社 2 0 0 3 5 T e x a s I n s t r u m e n t s E u r o p e F i e l dO r i e n t a t e dC o n t r o l o f 3 P h a s e A C M o t o r s Z T e x a s I n s t r u m e n t s E u r o p e 1 9 9 8 图 7 阶跃输入速度响应曲线 图中n g nf 速度给定值和反馈值 图 8 位置响应曲线 提 这里利用 D S P及 C P L D的开发板为试验平台 编程实现了正确的带有死区的触发波形 图 6 a b 分 别示出试验中产生的无死区及有死区的触发波形 u g V T 1 ug V T 4 它们分别表示同一桥臂上下开关器件的 触发脉冲电压 图 6 实验触发波形 6结论 S V P WM具有电压利用率高 动态响应快等优 点 已成为 V S R控制研究的热点之一 由仿真分析 结果得出结论 在整流到达稳态时 电压波形与电流 波形同相 实现了单位功率因数的能量传递 负载侧 电压波形平稳 证明所建立的数学模型是正确的 为 P WM整流的系统设计提供了理论与仿真依据 最后 根据实际应用中存在的 死区 问题 研究了基于 D S P 及 C P L D的实现方法 较好地解决了这一问题 参考文献 1 张崇巍 张兴 P WM整流器及其控制 M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 3 2 伍小杰 罗悦华 乔树通 三相电压型 P WM整流器控制 技术综述 J 电工技术学报 2 0 0 5 2 0 1 2 7 1 2 3 M a l i n o w s k i M K a z m i e r k o w s k i MP D i r e c t P o w e r C o n t r o l o fT h r e e P h a s e P