電力電子變流技術(shù)中的三相電壓型PWM可控整流器研究

崔 紅，高有清

（1.遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧 沈陽 110122；2.沈陽光大環(huán)保科技股份有限公司，遼寧 沈陽 110026）

0 引言

在工業(yè)領(lǐng)域的許多場(chǎng)合，需要變流器進(jìn)行電能變換，如高速電機(jī)的功率變換系統(tǒng)。但傳統(tǒng)的電能變換方式會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的諧波污染。將PWM技術(shù)應(yīng)用到整流器中，能夠達(dá)到減小諧波的目的。隨著新型電力電子器件的開發(fā)，先進(jìn)控制算法的應(yīng)用，使PWM整流器的性能逐步提升。

1 三相電壓型PWM可控整流器的電路結(jié)構(gòu)

PWM可控整流器通常分為兩類：電流型和電壓型。與電流型PWM可控整流器相比，電壓型PWM可控整流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便的特點(diǎn)。三相電壓型PWM可控整流器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，ua，ub，uc表示三相電網(wǎng)電壓，ia，ib，ic表示三相輸入電流，La，Lb，Lc表示交流側(cè)濾波電感，RLa，RLb，RLc表示濾波電感的等效內(nèi)阻，Cdc表示直流側(cè)的濾波電容，VT1～VT6表示可控整流器的6個(gè)功率開關(guān)器件，R0表示負(fù)載電阻，EL表示直流電動(dòng)勢(shì)，id為母線側(cè)電流，0表示電網(wǎng)的中性點(diǎn)，N表示下橋臂的節(jié)點(diǎn)。三相電壓型PWM可控整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸入交流側(cè)諧波小、輸出直流側(cè)電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)，適合在大功率的場(chǎng)合應(yīng)用。

圖1 三相電壓型PWM可控整流器的電路結(jié)構(gòu)

2 三相電壓型PWM可控整流器的原理分析

根據(jù)三相電壓型PWM可控整流器的電路結(jié)構(gòu)，通過對(duì)功率開關(guān)器件VT1～VT6進(jìn)行PWM控制，由于電感的存在，交流側(cè)電流不能突變，能夠使電流波形接近于正弦化[1]。而且，能夠跟蹤交流側(cè)電壓波形的變化，使功率因數(shù)接近于1。開關(guān)頻率越高，電流波形越接近于正弦。通常用空間矢量描述整流橋的開關(guān)狀態(tài)。每一相橋臂有兩種開關(guān)模式，上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷用1表示，下橋臂導(dǎo)通、上橋臂關(guān)斷用0表示。三相PWM整流器共有（000-111）8種工作狀態(tài)，其中包括6種非零狀態(tài)矢量（001-110）和2種零狀態(tài)矢量（000）和（111）。

3 三相電壓型PWM可控整流器的數(shù)學(xué)模型

為便于建立三相ABC靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，做以下假設(shè)：（1）電網(wǎng)電壓三相平穩(wěn)對(duì)稱；（2）功率開關(guān)器件是理想開關(guān)，無開關(guān)損耗；（3）網(wǎng)側(cè)電感是線性濾波電感；（4）直流側(cè)負(fù)載由電阻和反電勢(shì)串聯(lián)等效。

開關(guān)函數(shù)分別定義為Sa，Sb，Sc，上、下橋臂的邏輯關(guān)系相反。上、下橋臂通斷狀態(tài)分別用1和0表示，上橋臂通為1，下橋臂通為0。

從式（6）可知，在三相ABC靜止坐標(biāo)系下，三相電流ia，ib，ic相互耦合，需要對(duì)ia，ib，ic進(jìn)行解耦。為了有利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以將三相ABC靜止坐標(biāo)系通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系。

4 三相電壓型PWM可控整流器控制器的設(shè)計(jì)

對(duì)于高速電機(jī)的功率變換系統(tǒng)，為了減小電流諧波對(duì)高速電機(jī)產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)合理的PWM可控整流器控制器非常重要。

三相電壓型PWM可控整流器控制器通常采用雙閉環(huán)控制策略。電壓外環(huán)可控制三相整流器的母線電壓，電流內(nèi)環(huán)可按照外環(huán)的電流指令控制電流，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的電流控制。電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

5 系統(tǒng)仿真

基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建了三相電壓型PWM可控整流器系統(tǒng)的仿真模型[2]。仿真參數(shù)為：輸入電壓（線電壓）為380V，輸入電壓頻率f=200 Hz，輸出直流電壓U= 600 V，直流母線電容C=2 200 μF，濾波電感L=5 mH，串聯(lián) 5 Ω電阻，采樣頻率為10 kHz，直流電源電壓為300 V。三相電壓型PWM可控整流器直流側(cè)輸出電壓波形如圖3所示。網(wǎng)側(cè)相電壓和相電流波形如圖4所示。

圖3 整流時(shí)直流母線電壓波形

圖4 相電壓和相電流波形

由仿真結(jié)果可知，整流器直流側(cè)的母線電壓在經(jīng)過小幅度的超調(diào)后穩(wěn)定在設(shè)定值，網(wǎng)側(cè)相電流和相電壓的相位基本相同，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。表明三相PWM可控整流器的諧波抑制能力很強(qiáng)。

6 結(jié)語

對(duì)于高速電機(jī)功率變換系統(tǒng)，研究了三相電壓型PWM可控整流器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型以及三相電壓型PWM可控整流器控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)三相電壓型PWM可控整流器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究[3]。仿真結(jié)果說明，整流器輸出側(cè)的直流電壓穩(wěn)定，網(wǎng)側(cè)相電流的相位能夠較好地跟隨相電壓的相位，采用三相電壓型PWM可控整流器具有很強(qiáng)的諧波抑制能力，能夠提高系統(tǒng)的控制精度。