三相電壓型PWM整流器及控制

1、三相電壓型PWM整流器及控制PWM整流器的優(yōu)點(diǎn)整流器的優(yōu)點(diǎn) PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PWM整流器的應(yīng)用領(lǐng)域整流器的應(yīng)用領(lǐng)域PWM整流器的工作原理整流器的工作原理PWM整流器的控制整流器的控制PWM整流器主電路參數(shù)選擇整流器主電路參數(shù)選擇 PWM整流器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)整流器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 1. PWM整流器的優(yōu)點(diǎn)整流器的優(yōu)點(diǎn)普通交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)缺點(diǎn)：一，由于二極管的單向?qū)щ娦阅?，能量只能單相傳輸，電機(jī)制動(dòng)的再生能量無(wú)法回饋給電網(wǎng)，四象限運(yùn)行時(shí)需加制動(dòng)回路。二，網(wǎng)側(cè)電流波形嚴(yán)重畸變，造成電網(wǎng)功率因數(shù)較低，由于整流采用二極管整流，因此，最高功率因數(shù)大約為0.9左右。a) 不帶制動(dòng)回路的

2、情況 b）帶制動(dòng)回路的情況圖1 普通交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)的相控整流器雖然應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)也較成熟，且被廣泛使用，但仍然存在很多問(wèn)題:晶閘管換相引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變。網(wǎng)側(cè)諧波電流對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”。深控時(shí)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低。閉環(huán)控制時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較慢。二極管整流器改善了整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，但仍會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)諧波電流；它的不足還在于其直流電壓的不可控性。雙PWM交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于功率因數(shù)很低的整流器，有兩種改進(jìn)方法：最直接的方法是采用無(wú)功補(bǔ)償和消除諧波的濾波器，然而這是一種事后補(bǔ)救的辦法。更為積極有效的方法是對(duì)整流器本身進(jìn)行改進(jìn)，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器稱為高功

3、率因數(shù)整流器。PWM整流器就是一種高功率因數(shù)的整流器。 圖2 雙PWM結(jié)構(gòu)交直交變頻器 PWM整流器用全控型功率開(kāi)關(guān)管取代了半控型功率開(kāi)關(guān)管或二極管，以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流。把逆變電路中的PWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。它的優(yōu)勢(shì)在于：對(duì)交流電源側(cè)，通過(guò)適當(dāng)控制，可以使電網(wǎng)電流波形接近于正弦，且和輸入電壓同相位，電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，最大程度地提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少電網(wǎng)對(duì)周圍環(huán)境的電磁污染； 對(duì)直流側(cè)，在電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，能夠維持直流中間電壓的穩(wěn)定，給電源側(cè)逆變器提供良好的工作條件； 可以實(shí)現(xiàn)牽引與再生制動(dòng)工況間快速平滑地轉(zhuǎn)換，實(shí)

4、現(xiàn)電能雙向傳輸； 動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)較快。2、PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按主電路結(jié)構(gòu)電壓源型(VSR)電流源型(ISR)直流脈動(dòng)小，輸入電流連續(xù)且簡(jiǎn)單易行，成為當(dāng)今主要研究對(duì)象。從輸出電平角度 三電平型整流器 兩電平型整流器 單相半橋 單相全橋 三相半橋 三相全橋 應(yīng)用于大功率場(chǎng)合 LaLbLcCfT1T3T5T4T6T2+- -UdcabcUpaUpbUpcUbUaUcRfRcRaRb圖3常用單相和三相VSR變流器結(jié)構(gòu)(a)單相半橋 (b)單相全橋 （C）三相半橋 3、PWM整流器的用途整流器的用途 交流傳動(dòng) 有源電力濾波及無(wú)功補(bǔ)償CRLCd諧波負(fù)載+統(tǒng)一潮流控制器 +串聯(lián)變流器并聯(lián)變

5、流器超導(dǎo)線圈超導(dǎo)磁能存儲(chǔ) 太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電+太陽(yáng)電池陣列+G風(fēng)力機(jī) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)其它功能（新型UPS、高壓直流輸電） 4、 PWM整流器的工作原理整流器的工作原理單位功率因數(shù)的含義：整流狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相。逆變狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相。PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)可控。vdc+RLeLeLidciv-圖4 PWM整流器模型電路DBEAIOCVVLODBEAIOCVVLODBEAIOCVVLODBEAIOCVVLOa) 純電感特性運(yùn)行 b) 正電阻特性運(yùn)行 c) 純電容特性運(yùn)行 d) 負(fù)電阻特性運(yùn)行 圖5 PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系PWM整流器的控制實(shí)際上是對(duì)交流

6、側(cè)電流的控制。5、PWM整流器的控制整流器的控制三相VSR的控制技術(shù)按有沒(méi)有引入電流反饋可以劃分為間接電流控制（幅相控制）和直接電流控制間接電流控制PIu*d-RXL負(fù)載RLiduR-+-+-ud+UA,B,C三角波sin(t+2k/3)(k=0,1,2)cos(t+2k/3)(k=0,1,2)ud它在控制系統(tǒng)中沒(méi)有引入電流閉環(huán)，而是根據(jù)電路阻抗特性，用數(shù)學(xué)的方法代替電流閉環(huán)作用。盡管它動(dòng)態(tài)響應(yīng)稍慢，還存在瞬態(tài)直流電流偏移，但具有簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)和良好的開(kāi)關(guān)特性，便于微機(jī)實(shí)現(xiàn)，而且可靠性高。另外還可省去兩個(gè)高精度電流傳感器。適用于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高場(chǎng)合，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。單相等效電路直接電

7、流控制 電流滯環(huán)控制 固定開(kāi)關(guān)頻率控制 電流矢量控制 狀態(tài)反饋控制 無(wú)差拍控制 極點(diǎn)配置法 二次型最優(yōu)控制 Lyapunov方法 非線性狀態(tài)反饋控制共同特點(diǎn): 有電流閉環(huán)，都具有不錯(cuò)的動(dòng)、靜態(tài)性能。不過(guò)這些方案都需要兩個(gè)寬帶的交流電流傳感器，有的方案甚至還需要負(fù)載電流傳感器。 滯環(huán)電流控制是基于瞬時(shí)電流反饋的一種常用的非線性控制方式，將實(shí)測(cè)的三相電流與參考信號(hào)比較，然后根據(jù)比較器的輸出決定開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn):電流跟蹤精度高，響應(yīng)快。缺點(diǎn):開(kāi)關(guān)頻率不恒定。開(kāi)關(guān)頻率的變化會(huì)給驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及主電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，對(duì)系統(tǒng)性能也有影響。 PIU*d-同步信號(hào)ia,b,ci*a,b,cI*mUd-滯環(huán)比較

8、器三相VSR電流矢量控制電流矢量控制可以直接控制系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率，它的核心思想是對(duì)三相VSR網(wǎng)側(cè)電流的有功、無(wú)功分量進(jìn)行獨(dú)立控制。 a,b,cd,qPIPIa,b,cd,qPWMPI負(fù)載U*dUd-u*pdu*pq6u*pau*pbu*pcI*q=0I*dIqIdL三相VSRia,b,c解 耦算法這種控制方法電流控制精度較高，不僅在穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠精確地跟蹤電流指令，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，并且動(dòng)態(tài)性能也較好。但其控制算法比較復(fù)雜。電流矢量控制aaapadiERiLudtqdddpdLiRidtdiLEuqpqqdqdiuELiRiLdt坐標(biāo)變換bbbpbdiERiLudtcccpcdiERiLudt系

9、統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)00.050.10.150.20.250.3050100150200250300350400450t / sud / V00.050.10.150.20.250.3-100-50050100t / sia / A00.050.10.150.20.250.3-100-50050100t / sid,q / Aid id*iq PWM整流器的性能好壞不僅與其控制策略有關(guān)，還與其自身電路的參數(shù)有很重要的關(guān)系。 交流側(cè)電感的選擇交流側(cè)電感的選擇 6 PWM整流器主電路參數(shù)選擇整流器主電路參數(shù)選擇電感上壓降盡可能小,一般不大于電源額定電壓的30% 交流側(cè)電流總畸變率THD盡可能小，一般要求低

10、于5% 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交流側(cè)電流的最大超調(diào)量盡可能小，一般要求小于交流側(cè)額定電流峰值的10% 滿足瞬態(tài)電流跟蹤要求 直流側(cè)電容的選擇直流側(cè)電容的選擇 直流側(cè)電容的大小既關(guān)系到整流器的成本，更關(guān)系到在各種擾動(dòng)下直流母線電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而關(guān)系到PWM整流器的抗負(fù)載擾動(dòng)性能。 6 PWM整流器主電路參數(shù)選擇整流器主電路參數(shù)選擇可按典型2型系統(tǒng)設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，同時(shí)根據(jù)udc的最大動(dòng)態(tài)降落允許值決定C的下限值 。 直流電壓的選擇直流電壓的選擇 對(duì)三相VSR，當(dāng)交流側(cè)線電壓uab0時(shí)，其電路結(jié)構(gòu)可等效為 要保證整流器輸入端線電壓不含有與PWM開(kāi)關(guān)頻率無(wú)關(guān)的低次諧波，直流電壓udc必須不小于交流側(cè)線電壓基波u