三相電壓型PWM變換器

1、第2章三相電壓型PWM變換器本章首先簡要概述了三相電壓型PWM變換器的原理,分析了PWM變換器具備四象限運(yùn)行能力的原因,并介紹了電壓型PWM變換器幾種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后給出了電壓型PWM變換器分別在三相靜止ABC坐標(biāo)系、兩相靜止-坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)qd-坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。2.1 PWM變換器的基本原理整流器的發(fā)展經(jīng)歷了二極管不控整流、晶閘管相控整流器到可關(guān)斷功率開關(guān)管的PWM整流器。二極管不控與晶閘管相控整流器均會在網(wǎng)側(cè)電流中產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)不高,其中,二極管不控整流的直流側(cè)母線電壓不可控。PWM整流器以其優(yōu)良的性能成為發(fā)展的趨勢。PWM整流器不但實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化,單位功率因數(shù)控制,電

2、能的雙向傳輸以及快速的動態(tài)控制響應(yīng)。PWM整流器不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的AC-DC整流功能,還由于其具備四象限運(yùn)行能力,使得其可工作在逆變狀態(tài),實(shí)現(xiàn)電能從直流側(cè)向電網(wǎng)側(cè)傳輸。由于PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)受控電流源特性,因此其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控。當(dāng)控制其網(wǎng)側(cè)電流網(wǎng)測電壓同相時(shí),PWM整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)整流狀態(tài);當(dāng)控制器網(wǎng)側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電壓反相時(shí),PWM整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)。雙PWM交-直-交變頻器正是采用了PWM整流和PWM逆變的兩種特性。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于亞同步速發(fā)電時(shí),能量從電網(wǎng)通過變頻器流入電機(jī),網(wǎng)側(cè)變換器處于整流狀態(tài)而電機(jī)側(cè)變換器處于逆變狀態(tài);當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于超同步速時(shí),能量從電機(jī)通過變頻器回饋

3、到電網(wǎng),此時(shí)網(wǎng)側(cè)變換器處于逆變狀態(tài)而電機(jī)側(cè)變換器處于整流狀態(tài)。兩變換器的工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換完全由功率流向決定、自動完成。PWM變換器電路可看作由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成,如圖2.1。其中,交流回路由電網(wǎng)電動勢e和交流側(cè)電感L組成;功率開關(guān)管橋路依據(jù)電壓型或電流型PWM變換器有所不同;直流回路由負(fù)載電阻R L和負(fù)載電動勢e L組成。當(dāng)不考慮功率開關(guān)管的橋路損耗時(shí),交流側(cè)輸入或回饋的功率和直流側(cè)消耗或產(chǎn)生的功率相平衡,有:iv=idc vdc其中:v、i為交流側(cè)電壓、電流;vdc 、idc為直流側(cè)電壓、電流;由式2.1可知,通過控制交流側(cè)的電壓、電流可實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)的控制;反過來,通過直

4、流側(cè)的控制可實(shí)現(xiàn)交流側(cè)的控制。 圖2.1 PWM變換器模型電路2.1.1 PWM變換器的四象限運(yùn)行為便于理解PWM變換器的四象限運(yùn)行能力,從變換器穩(wěn)態(tài)條件下的交流側(cè)矢量關(guān)系來闡述,如圖2.2。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流矢量I幅值不變時(shí),由|V L|=L|I|可知,電感電壓矢量V L的幅值也不變,電網(wǎng)電壓矢量也可看作不變,則可以得到交流側(cè)電壓矢量V的軌跡為一個(gè)以電感電壓矢量V L的幅值為半徑的圓。PWM整流器可運(yùn)行圓上的任一點(diǎn)而呈現(xiàn)不同的特性。其中有4個(gè)運(yùn)行點(diǎn)最為特殊,它們分別是純電感特性運(yùn)行點(diǎn),正阻特性運(yùn)行點(diǎn)、純電容特性運(yùn)行點(diǎn)以及負(fù)阻特性運(yùn)行點(diǎn)。當(dāng)運(yùn)行于純電感特性點(diǎn),網(wǎng)側(cè)電壓矢量E超前于網(wǎng)側(cè)電流矢量I 90度

5、;當(dāng)運(yùn)行于正阻特性點(diǎn),網(wǎng)側(cè)電壓矢量E與網(wǎng)側(cè)電流矢量I同相位;當(dāng)運(yùn)行于純電容特性點(diǎn),網(wǎng)側(cè)電壓矢量E滯后于網(wǎng)側(cè)電流矢量I 90度;當(dāng)運(yùn)行于負(fù)阻特性點(diǎn),網(wǎng)側(cè)電壓矢量E與網(wǎng)側(cè)電流矢量I相位相反。當(dāng)PWM變換器處于第一象限運(yùn)行時(shí),網(wǎng)側(cè)電壓矢量E滯后網(wǎng)側(cè)電流矢量I 的角度介于90度和180度之間,此時(shí)PWM變換器處于有源逆變狀態(tài),有功功率和容性無功功率從直流側(cè)向電網(wǎng)傳輸,能量回饋到電網(wǎng)上;當(dāng)PWM變換器處于第二象限運(yùn)行時(shí),網(wǎng)側(cè)電壓矢量E超前網(wǎng)側(cè)電流矢量I的角度介于90度和180度之間,此時(shí)PWM變換器仍處于有源逆變狀態(tài),有功功率和感性無功功率從直流側(cè)向電網(wǎng)傳輸,能量回饋到電網(wǎng)上;當(dāng)PWM變換器處于第三象限

6、運(yùn)行時(shí),網(wǎng)側(cè)電壓矢量E超前網(wǎng)側(cè)電流矢量I的角度介于0度和90度之間,此時(shí)PWM變換器工作在整流狀態(tài),有功功率和感性無功功率從直流側(cè)向電網(wǎng)傳輸,PWM變換器從電網(wǎng)吸收能量;當(dāng)PWM變換器處于第四象限運(yùn)行時(shí),網(wǎng)側(cè)電壓矢量E滯后網(wǎng)側(cè)電流矢量I的角度介于0度和90度之間,此時(shí)PWM變換器工作在整流狀態(tài),有功功率和容性無功功率從直流側(cè)向電網(wǎng)傳輸,PWM變換器從電網(wǎng)吸收能量;從以上分析可得看出,通過控制電網(wǎng)側(cè)電流可以實(shí)現(xiàn)PWM變換器的四象限運(yùn)行。 圖2.2 PWM變換器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖2.1.1 電壓型PWM變換器的基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PWM變換器技術(shù)發(fā)展到今天,已經(jīng)設(shè)計(jì)出了多種PWM變換器。最基本的分類方法

7、是根據(jù)直流儲能形式的不同分為電壓型和電流型兩類。電流型PWM整流器因?yàn)樾枰笾绷鲀δ茈姼泻徒涣鱾?cè)LC濾波環(huán)節(jié)所致使的電流畸變、振蕩的問題,其發(fā)展受到一定的限制。但是隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和超導(dǎo)儲能技術(shù)的應(yīng)用,超導(dǎo)線圈可作為直流儲能電感,電流型PWM整流器也開始得到了發(fā)展,尤其是在超導(dǎo)儲能變流環(huán)節(jié),電流型PWM整流器無需另加直流電感,并且具有良好的電流保護(hù)性能,使得它比電壓型PWM整流器具有更大的優(yōu)勢。而電壓型PWM變換器因其結(jié)構(gòu)簡單,損耗小,控制方便成為研究的熱點(diǎn)。其最顯著的拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲能,使得變換器直流側(cè)呈現(xiàn)低阻抗的電壓源特性。(直流端接充電電池電壓型PWM 整流器的拓?fù)?/p>

8、結(jié)構(gòu)主要有單相半橋、全橋;三相半橋、全橋和三電平三類。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。接下來簡要敘述這幾類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理。圖2.3為單相電壓型PWM 變換器半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二者網(wǎng)側(cè)的機(jī)構(gòu)一樣,由單相電網(wǎng)和輸入電感組成,電感可以濾波網(wǎng)側(cè)電流的諧波。兩者的主要區(qū)別在于功率開關(guān)管橋路和直流側(cè)電容:半橋變換器采用單橋臂(2個(gè)功率開關(guān)管反并二極管和兩個(gè)串聯(lián)電容,全橋變換器采用雙橋臂(4個(gè)功率開關(guān)管反并和單個(gè)電容。二者在相同的交流側(cè)電路參數(shù)條件下,單相半橋變換器比全橋變換器控制相對復(fù)雜,因?yàn)榘霕蜃儞Q器直流儲能電容由兩個(gè)電容串聯(lián)組成,必須保證電容中點(diǎn)點(diǎn)位基本不變,因此需要引入電容均壓控制,而且要取得同

9、樣網(wǎng)側(cè)電流控制特性,半橋電路直流電壓為全橋電路的兩倍,這就要求半橋電路的功率開關(guān)管耐壓等級也比全橋電路高。但是,半橋電路相對全橋電路少用兩個(gè)功率開關(guān)管,從成本上較全橋電路有所減少。 CR LCL e aa C R LLe ab圖2.3 a,b分別為單相電壓型PWM 變換器半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.4為三相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三相半橋電路網(wǎng)側(cè)由三相三線制電網(wǎng)(無中線和三相輸入電感組成,功率開關(guān)管橋路由三橋臂(6個(gè)功率開關(guān)管反并二極管組成。三相全橋電路網(wǎng)側(cè)由三相四線制電網(wǎng)(有中線與三相變壓器組成,其功率開關(guān)管橋路由六橋臂(12個(gè)功率開關(guān)管反并二極管組成。三相全橋電路實(shí)質(zhì)為三個(gè)相互獨(dú)

10、立的單相全橋電路并聯(lián)而成,相比于三相半橋電路,其在三相電網(wǎng)不平衡時(shí)的控制性能不會受到很大影響。但是,三相半橋電路采用的功率開關(guān)管為三相全橋電路的一半,這大大降低了系統(tǒng)的成本,所以,三相半橋電路也是最常用的三相電壓型PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。e a e b e c L RV aV bV cC R LaC R LL L Lb圖2.4 a,b分別為三相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.5為三相三電平電壓型PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上述單相、三相半橋、全橋電壓型PWM 變換器均屬于二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因?yàn)閷τ诮涣鱾?cè)來說,開關(guān)管的通斷只會表現(xiàn)為正、負(fù)直流母線電壓。當(dāng)開關(guān)頻率不高時(shí),這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會導(dǎo)致交流側(cè)電

11、壓的諧波含量增大。而且,在高壓應(yīng)用場合,需要功率開關(guān)管的耐壓等級很高,而目前高壓級的功率管也意味著高成本。三相三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在一定程度上解決了上述問題。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率管橋路在原三相半橋電路的基礎(chǔ)上串聯(lián)6個(gè)開關(guān)管,并采用二極管鉗位,從而使交流側(cè)輸出電壓呈現(xiàn)三電平狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)在改善網(wǎng)側(cè)電流波形的同時(shí)有效地降低了網(wǎng)側(cè)電壓、電流的諧波。更重要的能夠使用于高壓應(yīng)用場合,因?yàn)橹绷髂妇€電壓降落在兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)管上。但是,所需要的功率開關(guān)管也較三相半橋電路增加一倍。 圖2.5 三相三電平電壓型PWM 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.2三相電壓型PWM 變換器的數(shù)學(xué)模型為進(jìn)一步分析三相電壓型PWM 變換器,本文采用了三相靜止

12、ABC 坐標(biāo)系、兩相靜止-坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)q d -坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型。三相電壓型PWM 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.6,由三相電網(wǎng)、網(wǎng)側(cè)三相輸入電感、三相全控功率開關(guān)、直流側(cè)儲能電容和負(fù)載。為方便分析,作如下假設(shè):1. 電網(wǎng)為三相對稱平衡、波形正弦;2. 網(wǎng)側(cè)三相輸入電感大小及電阻值相等,工作特性為線性,不考慮飽和等因素;3. 功率開關(guān)管均為理想元件,即不考慮通斷損耗和過渡過程;4. 開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率,且忽略開關(guān)的死區(qū)時(shí)間;e a e b e cL RV aV bV cC R L圖2.6 三相電壓型PWM 變換器電路圖2.2.1三相靜止ABC 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型定義三相電網(wǎng)電壓為c b a

13、E 、,三相輸入電流c b a i 、,網(wǎng)側(cè)三相輸入電感為s L ,電感電阻為Ls R ,直流測電容值為C ,直流母線電壓為dc U ,直流側(cè)電流為dc i ,三相電網(wǎng)中點(diǎn)N 與直流母線電壓參考點(diǎn)M 之間電壓差為MN U ,負(fù)載為負(fù)載Load R ;同時(shí)定義功率開關(guān)管的開關(guān)函數(shù)k s 為:cb,a,(k 0 1=通上橋臂關(guān)斷,下橋臂導(dǎo)斷上橋臂導(dǎo)通,下橋臂關(guān)k s針對圖2.6所示的三相電壓型PWM 變換器電路,由電壓平衡方程有:-=-=-=dt di L R i E U dt di L R i E U dtdi L R i E U c s Ls c c cNb s Ls b b bN a s L

14、s a a aN其中MN M c b a N c b a U U U +=(、;由開關(guān)函數(shù)k s 定義有,當(dāng)1=c b a s 、時(shí),上橋臂導(dǎo)通而下橋臂關(guān)斷,有dc M c b a U U =(、;當(dāng)0=c b a s 、時(shí),上橋臂關(guān)斷而下橋臂導(dǎo)通,有0(=M c b a U 、;于是c b a dc M c b a s U U 、=(;將方程組(2.3三式相加有:dti i i d L i i i R E E E U s s s U c b a sc b a Ls c b a MN c b a dc 因?yàn)橄到y(tǒng)為三相對稱平衡系統(tǒng),有0=+c b a E E E ,0=+c b a i i i

15、;代入式(2.4有:dc c b a MN U s s s U 3(+-將式(2.5代入式(2.3,且將三相輸入電流作為狀態(tài)變量有:+-=+-=+-=dc c b a b dc Ls c c c s dc c b a b dc Ls b b b s dc c b a a dc Ls a a a s U s s s s U R i E dt di L U s s s s U R i E dt di L U s s s s U R i E dt di L 3(3(3在圖2.6中,由于同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管為180度互補(bǔ)導(dǎo)通,所以在任何瞬間三個(gè)橋臂總有三個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通,總共8種組合,直流側(cè)電流dc i

16、 可表示為每種組合下流過電流的總和:c而直流側(cè)應(yīng)用基爾霍夫電流定律有:Loaddcc c b b a a dc R U s i s i s i dt dU C-綜合式(2.6、(2.8,即得到以三相輸入電流和直流母線電壓為狀態(tài)變量的三相電壓型PWM 整流器在三相靜止ABC 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:-+=+-=+-=+-=Load dc cc b b a a dc dcc b a b dc Ls c c c s dc c b a b dc Ls b b b s dc c b a a dc Ls a a a s R U s i s i s i dt dU由式(2.9可以看出,PWM 變換器的三相輸入電

17、流c b a i 、均由三相開關(guān)函數(shù)c b a s 、共同控制,因此,三相電壓型PWM 變換器是一個(gè)相互耦合的非線性時(shí)變系統(tǒng)。利用Clark 變換,可將三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程變換到兩相靜止坐標(biāo)下。將三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程(2.9寫成矩陣形式有:+-+-+13(003(003(00c b a dc c b a Load cba cb a cLs c b a b Ls c b a a Ls dc c s b s a s E E E U i i i R s s s s s s s R s s s s R s s s s R dt dU C dt di L dt di L dt di LCla

18、rk 變換矩陣描述為:-=-21212123230其逆變換矩陣描述為:-=-12321123211011聯(lián)合式(2.10、(2.11、(2.12可得兩相靜止-坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:+-=00000100011232300E E U i i R s s s R s R dt dU C dt di L dt di L dc Load Ls2.2.3 兩相同步旋轉(zhuǎn)q d -坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型利用Park 變換,可將兩相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下。 Park 變換矩陣描述為:+-+-=-21212132sin(32sin(sin(32cos(32cos(cos(3222r s C其逆變換矩陣描述為:+-=-132sin(32cos(13