三相整流器在三相靜止坐標下的技術研究

吳 特，李 權，譚 健，鄧鈞韜，榮 軍,2

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三相整流器在三相靜止坐標下的技術研究

吳 特1，李 權1，譚 健1，鄧鈞韜1，榮 軍1,2

（1.湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南 岳陽 414006；2. 復雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點實驗室，湖南 岳陽 414006）

闡述了三相電壓型PWM整流器的工作原理，推斷了其在靜止坐標系下的數(shù)學模型。通過理論分析得出三相電壓型PWM整流器在低頻時是解耦的，而在高頻時需要對其進行解耦，因此增加了系統(tǒng)設計的復雜性。論文最后在MATLAB/Simulink中對其進行仿真驗證，仿真結(jié)果表明理論分析完全正確。

三相整流器 靜止坐標系 解耦 仿真

0 引言

三相電壓型PWM整流器廣泛應用于開關電源以及直流電機供電電路中，其本身是一個非常復雜的非線性系統(tǒng)，在低頻和高頻其特性不同，因此設計控制系統(tǒng)也比較繁瑣和復雜[1][2]。正是基于這方面的原因，本文通過建立了三相電壓型PWM整流器在三相靜止坐標系的數(shù)學模型，對其在低頻和高頻的性能進行了詳細分析，得出了工作頻率在不同情況下系統(tǒng)的工作特性，最后在MATLAB/Simulink中的對其理論分進行了仿真驗證。

1 三相電壓型整流器的工作原理

三相電壓型PWM整流器由網(wǎng)側(cè)電路、整流器、中間電路以及PWM控制器組成，其工作電路圖如圖1所示[3]。三相交流輸入電路采用星型連接，目的是防止諧波串入。變換電路采用全控器件進行控制，每個全控器件反向并聯(lián)一個二極管，為能量流通提供回路。圖1中的三相電壓型PWM整流器工作在升壓變換工作狀態(tài)，通過電感充放電才能工作。

2 三相電壓型整流器在三相靜止坐標下的數(shù)學模型

根據(jù)三相電壓型PWM整流器拓撲結(jié)構，在三相靜止坐標系（a，b，c）中根據(jù)電路相關知識可以建立其數(shù)學模型，其三相電壓型PWM整流器簡化模型如圖2所示[4] [5]。

整流器三相輸入端相電壓分別為:

又因為：

由于電網(wǎng)輸入為三相對稱理想正弦電壓，所以有式（4）：

由式（2）、（3）和（4）聯(lián)立可得：

同樣可得：

三相電壓型整流器交流側(cè)電壓滿足式（7）：

三相電壓型整流器直流側(cè)滿足式（8）：

由式（8）可知，三相電壓型PWM整流器是一個非線性時變系統(tǒng)，但是通過研究發(fā)現(xiàn)當其頻率不高的時候，變換器的電容中點電位等于電網(wǎng)中點電位，此時變換器在頻率較低的時候是可以解耦的，因此適合研究。另外，變換器在頻率取得較大的時候，此時電容中點電位不等于電網(wǎng)中點電位，出現(xiàn)電位差，變換器是一個耦合系統(tǒng)，因此需要對系統(tǒng)進行解耦，特別是在設計系統(tǒng)時就顯得比較復雜[7]。

3 仿真結(jié)果及其分析

為了驗證三相電壓型PWM整流器在三相靜止坐標系下數(shù)學模型的正確性，在Matlab/Simulink中對其進行了建模和仿真[8]，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。其中圖3為三相（a相、b相和c相）輸入電壓和輸入電流仿真波形，可以清楚地知道輸入電流跟隨輸入電壓，變換器功率因數(shù)較高。圖4為整流器輸出電壓仿真波形，輸出電壓很快穩(wěn)定在110 V左右，而且?guī)缀鯖]紋波電壓，說明電壓輸出質(zhì)量高，可以說明三相電壓型整流器在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型完全正確。

圖3 三相電壓型PWM整流器三相輸入電壓和輸入電流仿真波形

4 結(jié)束語

本文在分析三相電壓型整流器電路工作原理的基礎上，推斷了其在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型，并得出其在在頻率比較低的時候，三相電壓型PWM整流器是解耦的，而在頻率比較高的時候，三相電壓型PWM整流器是互相耦合的，最后通過Matlab/Simulink仿真軟件對其進行了驗證，為其實際控制系統(tǒng)的設計打下了基礎。

圖4 三相電壓型PWM整流器直流側(cè)輸出電壓

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Technology Research on Three-phase Rectifier in Three-phase Stationary Coordinate

Wu Te1, Li Quan1, Tan Jian1, Deng Juntao1, Rong Jun1,2

（1. Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China; 2. Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics System, Yueyang 414006, Hunan, China)

TM46

A

1003-4862（2018）01-0013-03

2017-10-15

湖南省科技計劃項目經(jīng)費資助（2016TP1021）和2016年岳陽市科技計劃項目。

吳特（1997-），男，本科在讀。研究方向：電力電子技術。