三相PWM整流器的研制

1、三相三相40kW-PWM整流器整流器的研制的研制2011年年10月月9日日汇报人：马伏军汇报人：马伏军三相三相40kW-PWM40kW-PWM整流器的研制整流器的研制1.1.背景介绍；背景介绍；2.PWM2.PWM整流电路及基本原理；整流电路及基本原理；3.PWM3.PWM电路的基本控制方法介绍；电路的基本控制方法介绍；4.4.三相三相PWMPWM整流器样机设计及控制方法介绍；整流器样机设计及控制方法介绍；5.5.仿真效果对比；仿真效果对比；6.6.项目的计划与进度项目的计划与进度1.1.背景背景 随着电力电子器件、拓扑及控制技术的发展，现代电力电子技术已经随着电力电子器件、拓扑及控制技术的发

2、展，现代电力电子技术已经成为高效、节能，传统设备改造及产业升级的重要手段和关键技术。成为高效、节能，传统设备改造及产业升级的重要手段和关键技术。 在电解、电镀、金属着色、电泳等电化学行业中，需要多种大功率开在电解、电镀、金属着色、电泳等电化学行业中，需要多种大功率开关电源，在该领域中开关电源设备普遍采用两级式，即前级关电源，在该领域中开关电源设备普遍采用两级式，即前级AC/DCAC/DC转换器转换器和和后级和和后级DC/DCDC/DC装换器。传统的装换器。传统的AC/DCAC/DC整流环节广泛采用了二极管不可控整整流环节广泛采用了二极管不可控整流或晶闸管相控整流电路，引起了网侧功率因数低，并向

3、电网注入了大量流或晶闸管相控整流电路，引起了网侧功率因数低，并向电网注入了大量谐波，造成了严重的电网谐波，造成了严重的电网“污染污染”。 为了解决高频开关电源前级不控整流引起的谐波污染和功率因数低等为了解决高频开关电源前级不控整流引起的谐波污染和功率因数低等问题，应问题，应东莞力源整流设备有限公司东莞力源整流设备有限公司的邀请，项目组将研制一套的邀请，项目组将研制一套40kW40kW的三的三相相PWMPWM整流器，改善开关电源的电能质量水平。整流器，改善开关电源的电能质量水平。2.PWM2.PWM整流电路及其基本原理分析整流电路及其基本原理分析 PWM PWM整流电路主要分为电压型和整流电路主

4、要分为电压型和电流型两种，目前电压型电流型两种，目前电压型PWMPWM整流电整流电路较多。路较多。单相单相PWMPWM整流电路：整流电路： 右图右图a a和和b b分别为单相半桥和全桥分别为单相半桥和全桥PWMPWM整流电路。全桥电路包括一对开整流电路。全桥电路包括一对开关臂，而半桥电路只有一个开关臂，关臂，而半桥电路只有一个开关臂，并外一臂由两个电容串联组成，其电并外一臂由两个电容串联组成，其电容中点和交流电源连接。容中点和交流电源连接。 三相桥式三相桥式PWMPWM整流电路整流电路 ，最基本的，最基本的PWMPWM整流电路之一，应用整流电路之一，应用最广。最广。 本质上，该三相电压型本质上

5、，该三相电压型PWMPWM整流器是三个半桥逆变器并联而整流器是三个半桥逆变器并联而成，其工作原理和单相半桥成，其工作原理和单相半桥PWMPWM电路相似，只是从单相扩展到三电路相似，只是从单相扩展到三相进行相进行SPWMSPWM控制，在交流输入端控制，在交流输入端A A、B B和和C C输出合适的输出合适的SPWMSPWM电压，电压，可使可使iaia、ibib、icic为正弦波且和电网电压同相位。为正弦波且和电网电压同相位。 三相三相PWMPWM整流电路整流电路 ：整流电路可以采用整流电路可以采用SPWMSPWM调制方法，将正弦调调制方法，将正弦调制波和三角波相比较，产生的制波和三角波相比较，产

6、生的PWMPWM信号对信号对V1V1V4V4进行控制，就可在交流输入端进行控制，就可在交流输入端ABAB产生产生SPWMSPWM电压电压u uABAB。1 1：u uABAB中含有和调制波同频率且幅值成比例的中含有和调制波同频率且幅值成比例的基波基波uNuN和高频谐波，通过滤波电感可以滤除和高频谐波，通过滤波电感可以滤除高次谐波。高次谐波。2 2：当调制波频率和电源频率相同时，：当调制波频率和电源频率相同时，i is s也为也为与电源频率相同的正弦波。与电源频率相同的正弦波。u us s一定时，一定时，i is s幅值幅值和相位仅由和相位仅由u uABAB中基波中基波uNuN的幅值及其与的幅值

7、及其与u us s的相的相位差决定。位差决定。单相单相PWMPWM整流电路的工作原理：整流电路的工作原理：单相全桥单相全桥PWM整流电路整流电路单极性单极性SPWM调制调制结论：只要通过合适的控制方法来控制结论：只要通过合适的控制方法来控制uAB的幅值和相角，即可以到达控制电网的幅值和相角，即可以到达控制电网电流电流iS的目的。的目的。单相等效电路模型单相等效电路模型单位功率因数整流单位功率因数整流矢量模型矢量模型sin()SSuUwtsin()NNuUwtSuNu/LSSNuLdidtuu假设电网电压为：假设电网电压为：；逆变器输出基波电压：；逆变器输出基波电压：是是和和的相角差的相角差。

8、根据图中的电路关系，可以推的基波电流表达式：根据图中的电路关系，可以推的基波电流表达式：具体数理分析：具体数理分析：1cos()cosSNSiUwtUwtwL1011sin() dsin/ 2TSSSNUwt itPU UwLT在一个电网周期内电网电源输出的基波有功功率为：在一个电网周期内电网电源输出的基波有功功率为：1018010P 当当时，有：时，有：表示三相逆变器吸收电网能量，并向直流侧电容充电，这样可以实表示三相逆变器吸收电网能量，并向直流侧电容充电，这样可以实现逆变器的整流功能现逆变器的整流功能 ，完成有功能量的转移。，完成有功能量的转移。如果要实现单位功率因数整流，如果要实现单位功

9、率因数整流，电网电流必须满足下列条件电网电流必须满足下列条件：1.电网电流的相角与电网电压电网电流的相角与电网电压同相位同相位；2.电网电流的幅值由负载功率决定，具体有：电网电流的幅值由负载功率决定，具体有：Is2*Pd/(3*U)3.PWM3.PWM整流电路的基本控制方法介绍整流电路的基本控制方法介绍 根据有没有引入电流反馈可分为两种：没有引入交流电流反馈的根据有没有引入电流反馈可分为两种：没有引入交流电流反馈的间接电间接电流控制；引入交流电流反馈的流控制；引入交流电流反馈的直接电流控制。直接电流控制。间接电流控制间接电流控制 间接电流控制也称为相位和幅值控制。按上述所示的相量关系来控制整流

10、间接电流控制也称为相位和幅值控制。按上述所示的相量关系来控制整流桥交流输入端基波电压的幅值和相角，使得输入电流和电压同相位，从而得到桥交流输入端基波电压的幅值和相角，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为功率因数为1 1的控制效果。的控制效果。 存在的问题：存在的问题：对系统参数波动较为敏感，影响控制效果；是基于系统的静态对系统参数波动较为敏感，影响控制效果；是基于系统的静态模型设计，其稳定性很差，电流的动态响应慢模型设计，其稳定性很差，电流的动态响应慢。直接电流控制直接电流控制 直接电流控制是通过运算求出交流输入电流指令值，再引入直接电流控制是通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流

11、电流反馈交流电流反馈与闭环控制与闭环控制，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。常用的电流，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。常用的电流闭环控制方法有闭环控制方法有PIPI控制，无差拍控制，滞环控制等。控制，无差拍控制，滞环控制等。 特点：特点：响应速度快，鲁棒性强，应用很广泛。响应速度快，鲁棒性强，应用很广泛。4.4.三相三相PWMPWM整流器样机设计整流器样机设计l 1 1）三相）三相PWMPWM整流器样机设计要求整流器样机设计要求 根据企业用于年生产根据企业用于年生产1 1万吨电子铜箔的电解电镀大功率开关万吨电子铜箔的电解电镀大功率开关电源的设计要求，单台电源主要设计

12、指标如下：电源的设计要求，单台电源主要设计指标如下：(1)(1)输入三相交流电压：输入三相交流电压：380V380V，50Hz50Hz；(2)(2)三相三相PWMPWM整流器的输出电压：整流器的输出电压：700V700V，8 8；(3)(3)工作频率：工作频率：6.4kHz6.4kHz；(4)(4)考虑到单台电解电镀开关电源功率约为考虑到单台电解电镀开关电源功率约为36kW36kW，为此留有一，为此留有一定的裕量，故本模块输出功率定为定的裕量，故本模块输出功率定为40kW40kW。 三相三相PWMPWM整流器样机结构图整流器样机结构图DSP控制板的设计：控制板的设计：这里采用这里采用APF的的

13、DSP控制控制板设计，板设计，以以DSP2812为为核心控制器，其他传感器核心控制器，其他传感器的参数选择基本一样的参数选择基本一样。 三路交流电压信号三路交流电压信号三路三路交流交流电流信号电流信号一路直流电压信号一路直流电压信号 三相三相PWMPWM整流器的设计整流器的设计1.IGBT的选型的选型系统的功率设计为系统的功率设计为40kW，可以计算出系统稳定运行时的电网电流幅值为：，可以计算出系统稳定运行时的电网电流幅值为：I=(40k/380/1.732)*1.414=60*1.414=84.8A 在选择功率开关管时，在选择功率开关管时，一般要留一般要留2-3陪的裕量，开关管的电流在陪的裕

14、量，开关管的电流在200A300A左右左右。 2.电网电感的选择电网电感的选择三相三相PWM整流器稳定运行时，电网电流为基波电流，电网电感主要用来滤除谐波，整流器稳定运行时，电网电流为基波电流，电网电感主要用来滤除谐波，故电感值不宜太小，故电感值不宜太小，可选择在可选择在1mH左右，电流容量为左右，电流容量为150A左右左右。 3.直流侧功率负载的选择（直流侧功率负载的选择（包括直流母排的设计包括直流母排的设计）系统的功率为系统的功率为40kW ，三相整流器稳定时为，三相整流器稳定时为700V，故直流侧功率负载为，故直流侧功率负载为12.5欧欧（考虑可以分成三级，以便于拷机测试），（考虑可以分

15、成三级，以便于拷机测试），直流电流为直流电流为50A左右。左右。 4.直流侧电容的选择直流侧电容的选择这里直流侧电容采用这里直流侧电容采用APF的设计，电容值为的设计，电容值为10000uF，采用两并两串的形式。，采用两并两串的形式。（或者还有更好的方法）（或者还有更好的方法） 2 2）三相）三相PWMPWM整流器的无差拍控制方法整流器的无差拍控制方法 三相逆变器本质上是三个半桥逆变器的并三相逆变器本质上是三个半桥逆变器的并联模式，三个半桥逆变器共用一个直流侧电压。联模式，三个半桥逆变器共用一个直流侧电压。 对每个半桥逆变器来说，有两种输出模式：对每个半桥逆变器来说，有两种输出模式：当上开关管

16、开通且下开关管关闭时，逆变器输当上开关管开通且下开关管关闭时，逆变器输出电压为出电压为udc/2;当上开关管关闭且下开关管开当上开关管关闭且下开关管开通时，逆变器输出电压为通时，逆变器输出电压为-udc/2; 双极性双极性SPWM调制方法调制方法2 2）三相）三相PWMPWM整流器的无差拍控制方法整流器的无差拍控制方法 根据前面单相等效模型的电压电流关系式，在一个控制周期根据前面单相等效模型的电压电流关系式，在一个控制周期Ts内逆变器输出内逆变器输出的平均电压为：的平均电压为： (1)(21)222dcdcdcSNSSuuuiuddduLT则可以推得占空比为：则可以推得占空比为： 1()0.5

17、,1SSdcSiduLduT *1( )( )( (1)( )0.5SaadccLd nuni ni nuT离散化离散化三相三相PWMPWM整流器的整体控制框图整流器的整体控制框图 为了实现系统的高效运行和快速响应，实验样机拟采用一种基于负载功率前馈的无为了实现系统的高效运行和快速响应，实验样机拟采用一种基于负载功率前馈的无差拍控制方法。包括以下三个方面的内容：差拍控制方法。包括以下三个方面的内容：1.1.通过通过负载功率的检测与前馈补偿（负载功率的检测与前馈补偿（IsIs），提高逆变器的动态响应性能，实时跟踪负载，提高逆变器的动态响应性能，实时跟踪负载功率的变化；功率的变化；2.2.电压外环

18、采用电压外环采用PIPI闭环控制闭环控制，稳定直流侧电压，并输出一个电压调节信号，稳定直流侧电压，并输出一个电压调节信号IoutIout；3.3.电流内环通过电流内环通过采用无差拍控制方法，实现指令电流信号的快速无差跟踪采用无差拍控制方法，实现指令电流信号的快速无差跟踪，并实现系统，并实现系统的高功率因数的高功率因数PWMPWM整流，到达电能的高效利用，减少系统的电压电流畸变。整流，到达电能的高效利用，减少系统的电压电流畸变。 5.仿真效果仿真一：三相不可控整流仿真一：三相不可控整流电网电压电网电压滤波电抗滤波电抗负载电阻负载电阻直流侧电容直流侧电容380V 50Hz1.5mH12.5欧姆欧姆

19、10000uF 仿真参数：仿真参数：仿真波形图：仿真波形图： 由上图可以看出，不可控整流网侧电流波形发生严重畸变，由上图可以看出，不可控整流网侧电流波形发生严重畸变，畸变率高达畸变率高达29.47%29.47%，且网侧功率因数只有，且网侧功率因数只有0.950.95。网侧电流网侧电流畸变率畸变率功率因数功率因数仿真二：采用基于负载功率前馈的无差拍控制方法的仿真二：采用基于负载功率前馈的无差拍控制方法的PWMPWM整流器仿真整流器仿真仿真参数如下：仿真参数如下：电网电压电网电压滤波电抗滤波电抗负载电阻负载电阻直流侧电容直流侧电容载波频率载波频率UrefUref380V,50Hz380V,50Hz1.5mH1.5mH12.512.5欧姆欧姆10000uF10000uF6.4kHz6.4kHz700V700V搭建如图所示模型：搭建如图所示模型：仿真波