单相PWM整流器主电路参数选择探讨_唐丽丽

1、2000年8月北方交通大学学报Aug.2000第24卷第4期文章编号:1000-1506(2000)04-0098-05单相PWM整流器主电路参数选择探讨唐丽丽,郑琼林(北方交通大学机械与电气工程学院,北京100044)摘要:分析并给出了单相PWM整流器交、直流侧滤波参数的选择方法,并对功率因数为1和功率因数不为1且直流侧电压低于交流侧网压峰值的两种工况进行了仿真.仿真结果表明参数选择是正确的,并且当直流输出电压低于网压峰值时,交流电流仍可控.关键词:PWM整流器;单位功率因数;仿真中图分类号:TM461.5文献标识码:AResearchonMainCircuitParametersSelec

2、tionofSingle-PhasePWMRectifierTANGLi-li,ZHENGQiong-lin(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NorthernJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:AselectionmethodforACandDCfilterparametersofsinglephasePWMrec-tifierisanalyzedandgiven.Simulationhasbeendoneforunityandnon-unitypowerfactorwithDC

3、voltagehigherthanACpeakvoltage.Theresultshaveshownthepa-rameterselectingmethodiseffectiveandtheACcurrentcanalsobecontrolledwhenDCvoltageishigherthanACpeakvoltage.Keywords:PWMrectifier;unitypowerfactor;simulationPWM变流器既可用作功率因数为1的AC/DC整流器,为负载提供直流电能;又可用作输出频率可变的DC/AC逆变器,构成交流调速系统;还可作为无功谐波补偿器,改善系统功率因数.电压型

4、PWM整流器的功能特点是交流侧电流可实时的跟踪指令信号的变化,且直流侧电压稳定可调.电力机车牵引系统采用长距离单相供电,如果采用单相PWM变流器作为整流器不仅能提高电能利用率,并且能改善电网供电质量.但一些教材1,2中只是定性的分析PWM变流器的原理,而实际应用中需要的参数选择方法却很少介绍,一些工程技术人员也是根据经验选择电路参数.针对这种情况,作者参考开关电源参数选择方法3对单相PWM整流器参数选择进行推导,且所得结论稍加变化即可适用于三相PWM变流电路.最后本文就单相PWM整流器的参数选择和两种运行工况进行了仿真研究.收稿日期:2000-03-02作者简介:唐丽丽(1975),女,吉林梨

5、树人,硕士生.email:tllygo.cm第4期唐丽丽等:单相PWM整流器主电路参数选择探讨1主电路原理与系统控制方案单相PWM整流器电路及相量图如图1所示.由理论分析知,单相PWM整流器直流侧电流存在二次脉动,所以采用二次串联谐振滤波器进行滤波.由图1(a)知,当交流侧电流与网压同相时,交流侧输入电压基波有效值Ui一定大于网压有效值Us.而由图1(b)知,控制电流is滞后于us一个角度,PWM整流器仍处于整流工况,而Ui可能小于Us,但此种情况下,系统功率因数降低.(a)原理图(b)相量图图1单相PWM整流器电路控制系统采用改进周期平均模型控制方案4.该方案克服了常用滞环方法5开关频率不固

6、定的缺陷,且动态响应速度快.其控制过程如下:直流电压输出值Ud与其设定值Ud的差值,即稳态误差通过PI调节器后与同步信号相乘得到交流输入电流的参考值is,is与交流输入电流的差值通过比例放大器后得到电感Ls上电压uL,向量U L与U s的差即为交流输入侧电压相量U i,ui再与一定频率的三角波比较输出PWM波控制器件的通断,从而实现闭环控制.2电路主要参数选择2.1交流侧滤波电感的选择由于控制方案对电感参数选择有一定的影响,所以分单极性调制和双极性调制两种情况对电感参数选择进行研究.(1)单极性调制方案滤波电感Ls的大小一方面对输入电流的开关纹波有影响,另一方面也影响着实际电流的跟踪速度.此参

7、数的选择直接影响系统的工作性能.直流侧电压选定后,交流侧电感设计对电源电流波形影响较大.忽略交流回路电阻可得变流器的工作方程为disus-uius-ui,其增量式为is=T0,其中T0为开关器件的开通或关断时间.dtLsLs实际电流在跟踪参考电流过程中,每个控制周期中电流波动的幅值应满足电流波动的最大峰值的要求,考虑最坏的工作情况是在相电压峰值附近,有Usmton1(Ud-Usm)toff1i1=L,i2=Lss(1)式中Usm为相电压峰值,ton1为电流峰值附近器件的开通时间,toff1为电流峰值附近器件的关北方交通大学学报第24卷又因i1ism,i2ism,故LsUsmton1/ism.其

8、中ism为交流电流变化最大值.推导可知:Ui1=Uimcos=Usm,其中Ui1为ui在电流峰值处幅值.Ui1TsUsmTsUd-Usmtoff1,有ton1Ts,UdUdUd其中Ts为开关周期.由由推导可知将toff1代入上式可得LsUsm(Ud-Usm)TsismUd(2)(Ud-Usm)toff1Ls,ism可见,在电流峰值附近,由开通或关断时间推导出的电感下限值相同.Ls取值的大小,影响着实际电流的跟踪速度.Ls的取值应使实际电流能跟上所需电流的最大变化率.显然,在所需电流过零附近,电流变化率最大.因而,可得到下面的条件isUdtIsmsin(Ts),Lson2式中Ism为交流电流基波

9、峰值,ton2为器件在电流过零点时开通时间,为电源电流角频率.由此推出LsUdton2.而当fs2kHz时,可认为sin(Ts)Ts,从而得Ismsin(t)UdLsIsm(3)(2)双极性调制方案对双极性调制方案,交流侧输入电压Ui在器件T1、T4导通时为(Usm+Ud)t23Ud+Usm)t14+Ud,在T2、T3导通时为-Ud.则有i1,i2,且有i1LsLsism,i2ism,从而有Ls(Ud+Usm)t23(Ud-Usm)t14,Lsismism(4)式中t23为器件T2、T3导通时间,t14为器件T1、T4导通时间.已知电流峰值处有Ui2=Usm,其中Ui2为ui在电流峰值处幅值,

10、则有(t14-t23)Ud=TsUsm,而t23=Ts-t14,故t14=(Ud+Usm)Ts(Ud-Usm)Ts,t23=将t23、t14的值代入式(4)得2Ud2Ud(Ud-Usm)TsLs2ismUd22(5)d23d14在电流过零附近电流变化率最大,即i1-i2Ismsin(Ts),则交流侧LsLsUd(Ts-2t14)UdTs电感的上限取值LsIsin(Ts)Ismsin(t),而当开关频率fs2kHz时,可认为smsin(t)Ts,则上式化为:LsUd(6)第4期唐丽丽等:单相PWM整流器主电路参数选择探讨2.2直流侧二次滤波器的选择单相桥式PWM变流器直流输出电压除直流成分外,还

11、含有二次谐波成分5,6,为使输出电压更平直,系统采用一电感电容串联谐振滤波器滤除二次谐波.则有2=1/L2C2,电感UsIsL2上电流id2Usin(2t)=Id2msin(2t),其中Id2,max为二次谐波电流最大值.dId2,max电容C2上的电压峰值为UC2,max=Ud2C2,则有Id2,maxC22(UC2,max-Ud)2.3直流侧支撑电容的选择在脉冲整流器的设计中,直流侧滤波电容的选取也是一个关键性问题.由于直流侧已加二次滤波环节,则直流支撑电容Cd主要由交流电感储能变化决定.由能量守恒定律知,交流侧开关频率次电流脉动能量最大值等于支撑电容上能量脉动最大值,即LsIsm+ism

12、222(7)根据经验取UC2,max=1.1Ud,代入式(7)中得C2700F.取C2=800F,则L2=3.2mH.LsIsm-ism2222=2CdUd+Udm22-CdUd-Udm22,(8)LsriI2sm从而得到CdrvUdm式中ri为电源电流纹波系数,rv为直流电压纹波系数.3PWM变流器参数设计举例及仿真结果3.1参数设计举例设交流侧:f=50Hz,Us=220V,Is=50A,ri100%;直流侧:Ud=500V,rv1%,fs=20kHz.则对单极性调制,由式(2)、式(3)得1.17mHLs22.5mH;而对双极性调制,由式(5)、式(6)得1.083mHLs22.5mH,

13、所以取:Ls=2mH,适合单极性及双极性调制两种方案.由式(8)得Cd200F,综合考虑后取Cd=470F.3.2仿真结果用Saber对系统在不同工况下的运行情况进行仿真,验证其参数选择的正确性.(1)功率因数为1的工况取3.1节中所选参数对系统进行仿真研究,控制PWM波的产生,使功率因数为1.仿真波形如图2示.可见,此种工况下,直流输出电压较平缓,其上波动是阻性负载情况下电容充放电的结果.且由仿真结果知,二次谐波电流均流过二次滤波器,达到较好的滤波效果.而交流侧输入电流与网压同相,功率因数为1,说明参数选择是正确的.(2)功率因数不为1的工况控制直流侧输出电压低于交流侧网压峰值,验证其输入电

14、流仍是可控的.控制直流侧输出电压Ud=300V,交流侧电流Is=100A,则由上述公式计算得:Ls=2mH,Cd=9400F,功率因数角=36,滤波器参数为:L2=0.63mH,C2=4000F.仿真波形如图3示.可见,输出电压在100ms之后便达到设定值,且输出脉动很小.,.北方交通大学学报第24卷(a)直流电压(b)交流电压与电流图2功率因数为1时的波形图(a)直流电压(b)交流电压与电流图3功率因数不为1时的波形图4结论由仿真结果可知,本文给出的单相PWM脉冲整流器的参数选择方案是可行的.利用单相PWM脉冲整流器,可使得象电力机车等单相负载的输入功率因数为1,此时直流侧输出电压高于交流输入侧电压的峰值.也可利用它控制交流侧电流为正弦波,且相位滞后于网压一个角度,使直流侧输出电压低于交流侧电压,显然,这一工况可降低系统的功率因数.参考文献:1邵丙衡.电力电子技术M.北京:中国铁道出版社,1997.125-131.2