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日日匯報人：馬伏軍匯報人：馬伏軍三相三相40kW-PWM40kW-PWM整流器的研制整流器的研制1.1.背景介紹；背景介紹；2.PWM2.PWM整流電路及基本原理；整流電路及基本原理；3.PWM3.PWM電路的基本控制方法介紹；電路的基本控制方法介紹；4.4.三相三相PWMPWM整流器樣機設(shè)計及控制方法介紹；整流器樣機設(shè)計及控制方法介紹；5.5.仿真效果對比；仿真效果對比；6.6.項目的計劃與進度項目的計劃與進度1.1.背景背景 隨著電力電子器件、拓撲及控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電力電子技術(shù)已經(jīng)隨著電力電子器件、拓撲及控制技術(shù)的發(fā)

2、展，現(xiàn)代電力電子技術(shù)已經(jīng)成為高效、節(jié)能，傳統(tǒng)設(shè)備改造及產(chǎn)業(yè)升級的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)。成為高效、節(jié)能，傳統(tǒng)設(shè)備改造及產(chǎn)業(yè)升級的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)。 在電解、電鍍、金屬著色、電泳等電化學(xué)行業(yè)中，需要多種大功率開在電解、電鍍、金屬著色、電泳等電化學(xué)行業(yè)中，需要多種大功率開關(guān)電源，在該領(lǐng)域中開關(guān)電源設(shè)備普遍采用兩級式，即前級關(guān)電源，在該領(lǐng)域中開關(guān)電源設(shè)備普遍采用兩級式，即前級AC/DCAC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器和和后級和和后級DC/DCDC/DC裝換器。傳統(tǒng)的裝換器。傳統(tǒng)的AC/DCAC/DC整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不可控整整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不可控整流或晶閘管相控整流電路，引起了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，并向

3、電網(wǎng)注入了大量流或晶閘管相控整流電路，引起了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，并向電網(wǎng)注入了大量諧波，造成了嚴重的電網(wǎng)諧波，造成了嚴重的電網(wǎng)“污染污染”。 為了解決高頻開關(guān)電源前級不控整流引起的諧波污染和功率因數(shù)低等為了解決高頻開關(guān)電源前級不控整流引起的諧波污染和功率因數(shù)低等問題，應(yīng)問題，應(yīng)東莞力源整流設(shè)備有限公司東莞力源整流設(shè)備有限公司的邀請，項目組將研制一套的邀請，項目組將研制一套40kW40kW的三的三相相PWMPWM整流器，改善開關(guān)電源的電能質(zhì)量水平。整流器，改善開關(guān)電源的電能質(zhì)量水平。2.PWM2.PWM整流電路及其基本原理分析整流電路及其基本原理分析 PWM PWM整流電路主要分為電壓型和整流電路主

4、要分為電壓型和電流型兩種，目前電壓型電流型兩種，目前電壓型PWMPWM整流電整流電路較多。路較多。單相單相PWMPWM整流電路：整流電路： 右圖右圖a a和和b b分別為單相半橋和全橋分別為單相半橋和全橋PWMPWM整流電路。全橋電路包括一對開整流電路。全橋電路包括一對開關(guān)臂，而半橋電路只有一個開關(guān)臂，關(guān)臂，而半橋電路只有一個開關(guān)臂，并外一臂由兩個電容串聯(lián)組成，其電并外一臂由兩個電容串聯(lián)組成，其電容中點和交流電源連接。容中點和交流電源連接。 三相橋式三相橋式PWMPWM整流電路整流電路 ，最基本的，最基本的PWMPWM整流電路之一，應(yīng)用整流電路之一，應(yīng)用最廣。最廣。 本質(zhì)上，該三相電壓型本質(zhì)上

5、，該三相電壓型PWMPWM整流器是三個半橋逆變器并聯(lián)而整流器是三個半橋逆變器并聯(lián)而成，其工作原理和單相半橋成，其工作原理和單相半橋PWMPWM電路相似，只是從單相擴展到三電路相似，只是從單相擴展到三相進行相進行SPWMSPWM控制，在交流輸入端控制，在交流輸入端A A、B B和和C C輸出合適的輸出合適的SPWMSPWM電壓，電壓，可使可使iaia、ibib、icic為正弦波且和電網(wǎng)電壓同相位。為正弦波且和電網(wǎng)電壓同相位。 三相三相PWMPWM整流電路整流電路 ：整流電路可以采用整流電路可以采用SPWMSPWM調(diào)制方法，將正弦調(diào)調(diào)制方法，將正弦調(diào)制波和三角波相比較，產(chǎn)生的制波和三角波相比較，產(chǎn)

6、生的PWMPWM信號對信號對V1V1V4V4進行控制，就可在交流輸入端進行控制，就可在交流輸入端ABAB產(chǎn)生產(chǎn)生SPWMSPWM電壓電壓u uABAB。1 1：u uABAB中含有和調(diào)制波同頻率且幅值成比例的中含有和調(diào)制波同頻率且幅值成比例的基波基波uNuN和高頻諧波，通過濾波電感可以濾除和高頻諧波，通過濾波電感可以濾除高次諧波。高次諧波。2 2：當調(diào)制波頻率和電源頻率相同時，：當調(diào)制波頻率和電源頻率相同時，i is s也為也為與電源頻率相同的正弦波。與電源頻率相同的正弦波。u us s一定時，一定時，i is s幅值幅值和相位僅由和相位僅由u uABAB中基波中基波uNuN的幅值及其與的幅值

7、及其與u us s的相的相位差決定。位差決定。單相單相PWMPWM整流電路的工作原理：整流電路的工作原理：單相全橋單相全橋PWM整流電路整流電路單極性單極性SPWM調(diào)制調(diào)制結(jié)論：只要通過合適的控制方法來控制結(jié)論：只要通過合適的控制方法來控制uAB的幅值和相角，即可以到達控制電網(wǎng)的幅值和相角，即可以到達控制電網(wǎng)電流電流iS的目的。的目的。單相等效電路模型單相等效電路模型單位功率因數(shù)整流單位功率因數(shù)整流矢量模型矢量模型sin()SSuUwtsin()NNuUwtSuNu/LSSNuLdidtuu假設(shè)電網(wǎng)電壓為：假設(shè)電網(wǎng)電壓為：；逆變器輸出基波電壓：；逆變器輸出基波電壓：是是和和的相角差的相角差。

8、根據(jù)圖中的電路關(guān)系，可以推的基波電流表達式：根據(jù)圖中的電路關(guān)系，可以推的基波電流表達式：具體數(shù)理分析：具體數(shù)理分析：1cos()cosSNSiUwtUwtwL1011sin() dsin/ 2TSSSNUwt itPU UwLT在一個電網(wǎng)周期內(nèi)電網(wǎng)電源輸出的基波有功功率為：在一個電網(wǎng)周期內(nèi)電網(wǎng)電源輸出的基波有功功率為：1018010P 當當時，有：時，有：表示三相逆變器吸收電網(wǎng)能量，并向直流側(cè)電容充電，這樣可以實表示三相逆變器吸收電網(wǎng)能量，并向直流側(cè)電容充電，這樣可以實現(xiàn)逆變器的整流功能現(xiàn)逆變器的整流功能 ，完成有功能量的轉(zhuǎn)移。，完成有功能量的轉(zhuǎn)移。如果要實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，如果要實現(xiàn)單位功

9、率因數(shù)整流，電網(wǎng)電流必須滿足下列條件電網(wǎng)電流必須滿足下列條件：1.電網(wǎng)電流的相角與電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電流的相角與電網(wǎng)電壓同相位同相位；2.電網(wǎng)電流的幅值由負載功率決定，具體有：電網(wǎng)電流的幅值由負載功率決定，具體有：Is2*Pd/(3*U)3.PWM3.PWM整流電路的基本控制方法介紹整流電路的基本控制方法介紹 根據(jù)有沒有引入電流反饋可分為兩種：沒有引入交流電流反饋的根據(jù)有沒有引入電流反饋可分為兩種：沒有引入交流電流反饋的間接電間接電流控制；引入交流電流反饋的流控制；引入交流電流反饋的直接電流控制。直接電流控制。間接電流控制間接電流控制 間接電流控制也稱為相位和幅值控制。按上述所示的相量關(guān)系來控制整流

10、間接電流控制也稱為相位和幅值控制。按上述所示的相量關(guān)系來控制整流橋交流輸入端基波電壓的幅值和相角，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到橋交流輸入端基波電壓的幅值和相角，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為功率因數(shù)為1 1的控制效果。的控制效果。 存在的問題：存在的問題：對系統(tǒng)參數(shù)波動較為敏感，影響控制效果；是基于系統(tǒng)的靜態(tài)對系統(tǒng)參數(shù)波動較為敏感，影響控制效果；是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計，其穩(wěn)定性很差，電流的動態(tài)響應(yīng)慢模型設(shè)計，其穩(wěn)定性很差，電流的動態(tài)響應(yīng)慢。直接電流控制直接電流控制 直接電流控制是通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入直接電流控制是通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入交流

11、電流反饋交流電流反饋與閉環(huán)控制與閉環(huán)控制，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。常用的電流，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。常用的電流閉環(huán)控制方法有閉環(huán)控制方法有PIPI控制，無差拍控制，滯環(huán)控制等?？刂疲瑹o差拍控制，滯環(huán)控制等。 特點：特點：響應(yīng)速度快，魯棒性強，應(yīng)用很廣泛。響應(yīng)速度快，魯棒性強，應(yīng)用很廣泛。4.4.三相三相PWMPWM整流器樣機設(shè)計整流器樣機設(shè)計l 1 1）三相）三相PWMPWM整流器樣機設(shè)計要求整流器樣機設(shè)計要求 根據(jù)企業(yè)用于年生產(chǎn)根據(jù)企業(yè)用于年生產(chǎn)1 1萬噸電子銅箔的電解電鍍大功率開關(guān)萬噸電子銅箔的電解電鍍大功率開關(guān)電源的設(shè)計要求，單臺電源主要設(shè)計

12、指標如下：電源的設(shè)計要求，單臺電源主要設(shè)計指標如下：(1)(1)輸入三相交流電壓：輸入三相交流電壓：380V380V，50Hz50Hz；(2)(2)三相三相PWMPWM整流器的輸出電壓：整流器的輸出電壓：700V700V，8 8；(3)(3)工作頻率：工作頻率：6.4kHz6.4kHz；(4)(4)考慮到單臺電解電鍍開關(guān)電源功率約為考慮到單臺電解電鍍開關(guān)電源功率約為36kW36kW，為此留有一，為此留有一定的裕量，故本模塊輸出功率定為定的裕量，故本模塊輸出功率定為40kW40kW。 三相三相PWMPWM整流器樣機結(jié)構(gòu)圖整流器樣機結(jié)構(gòu)圖DSP控制板的設(shè)計：控制板的設(shè)計：這里采用這里采用APF的的

13、DSP控制控制板設(shè)計，板設(shè)計，以以DSP2812為為核心控制器，其他傳感器核心控制器，其他傳感器的參數(shù)選擇基本一樣的參數(shù)選擇基本一樣。 三路交流電壓信號三路交流電壓信號三路三路交流交流電流信號電流信號一路直流電壓信號一路直流電壓信號 三相三相PWMPWM整流器的設(shè)計整流器的設(shè)計1.IGBT的選型的選型系統(tǒng)的功率設(shè)計為系統(tǒng)的功率設(shè)計為40kW，可以計算出系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的電網(wǎng)電流幅值為：，可以計算出系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的電網(wǎng)電流幅值為：I=(40k/380/1.732)*1.414=60*1.414=84.8A 在選擇功率開關(guān)管時，在選擇功率開關(guān)管時，一般要留一般要留2-3陪的裕量，開關(guān)管的電流在陪的裕

14、量，開關(guān)管的電流在200A300A左右左右。 2.電網(wǎng)電感的選擇電網(wǎng)電感的選擇三相三相PWM整流器穩(wěn)定運行時，電網(wǎng)電流為基波電流，電網(wǎng)電感主要用來濾除諧波，整流器穩(wěn)定運行時，電網(wǎng)電流為基波電流，電網(wǎng)電感主要用來濾除諧波，故電感值不宜太小，故電感值不宜太小，可選擇在可選擇在1mH左右，電流容量為左右，電流容量為150A左右左右。 3.直流側(cè)功率負載的選擇（直流側(cè)功率負載的選擇（包括直流母排的設(shè)計包括直流母排的設(shè)計）系統(tǒng)的功率為系統(tǒng)的功率為40kW ，三相整流器穩(wěn)定時為，三相整流器穩(wěn)定時為700V，故直流側(cè)功率負載為，故直流側(cè)功率負載為12.5歐歐（考慮可以分成三級，以便于拷機測試），（考慮可以分

15、成三級，以便于拷機測試），直流電流為直流電流為50A左右。左右。 4.直流側(cè)電容的選擇直流側(cè)電容的選擇這里直流側(cè)電容采用這里直流側(cè)電容采用APF的設(shè)計，電容值為的設(shè)計，電容值為10000uF，采用兩并兩串的形式。，采用兩并兩串的形式。（或者還有更好的方法）（或者還有更好的方法） 2 2）三相）三相PWMPWM整流器的無差拍控制方法整流器的無差拍控制方法 三相逆變器本質(zhì)上是三個半橋逆變器的并三相逆變器本質(zhì)上是三個半橋逆變器的并聯(lián)模式，三個半橋逆變器共用一個直流側(cè)電壓。聯(lián)模式，三個半橋逆變器共用一個直流側(cè)電壓。 對每個半橋逆變器來說，有兩種輸出模式：對每個半橋逆變器來說，有兩種輸出模式：當上開關(guān)管

16、開通且下開關(guān)管關(guān)閉時，逆變器輸當上開關(guān)管開通且下開關(guān)管關(guān)閉時，逆變器輸出電壓為出電壓為udc/2;當上開關(guān)管關(guān)閉且下開關(guān)管開當上開關(guān)管關(guān)閉且下開關(guān)管開通時，逆變器輸出電壓為通時，逆變器輸出電壓為-udc/2; 雙極性雙極性SPWM調(diào)制方法調(diào)制方法2 2）三相）三相PWMPWM整流器的無差拍控制方法整流器的無差拍控制方法 根據(jù)前面單相等效模型的電壓電流關(guān)系式，在一個控制周期根據(jù)前面單相等效模型的電壓電流關(guān)系式，在一個控制周期Ts內(nèi)逆變器輸出內(nèi)逆變器輸出的平均電壓為：的平均電壓為： (1)(21)222dcdcdcSNSSuuuiuddduLT則可以推得占空比為：則可以推得占空比為： 1()0.5

17、,1SSdcSiduLduT *1( )( )( (1)( )0.5SaadccLd nuni ni nuT離散化離散化三相三相PWMPWM整流器的整體控制框圖整流器的整體控制框圖 為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行和快速響應(yīng)，實驗樣機擬采用一種基于負載功率前饋的無為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行和快速響應(yīng)，實驗樣機擬采用一種基于負載功率前饋的無差拍控制方法。包括以下三個方面的內(nèi)容：差拍控制方法。包括以下三個方面的內(nèi)容：1.1.通過通過負載功率的檢測與前饋補償（負載功率的檢測與前饋補償（IsIs），提高逆變器的動態(tài)響應(yīng)性能，實時跟蹤負載，提高逆變器的動態(tài)響應(yīng)性能，實時跟蹤負載功率的變化；功率的變化；2.2.電壓外環(huán)

18、采用電壓外環(huán)采用PIPI閉環(huán)控制閉環(huán)控制，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，并輸出一個電壓調(diào)節(jié)信號，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，并輸出一個電壓調(diào)節(jié)信號IoutIout；3.3.電流內(nèi)環(huán)通過電流內(nèi)環(huán)通過采用無差拍控制方法，實現(xiàn)指令電流信號的快速無差跟蹤采用無差拍控制方法，實現(xiàn)指令電流信號的快速無差跟蹤，并實現(xiàn)系統(tǒng)，并實現(xiàn)系統(tǒng)的高功率因數(shù)的高功率因數(shù)PWMPWM整流，到達電能的高效利用，減少系統(tǒng)的電壓電流畸變。整流，到達電能的高效利用，減少系統(tǒng)的電壓電流畸變。 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電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電壓濾波電抗濾波電抗負載電阻負載電阻直流側(cè)電容直流側(cè)電容380V 50Hz1.5mH12.5歐姆歐姆

19、10000uF 仿真參數(shù)：仿真參數(shù)：仿真波形圖：仿真波形圖： 由上圖可以看出，不可控整流網(wǎng)側(cè)電流波形發(fā)生嚴重畸變，由上圖可以看出，不可控整流網(wǎng)側(cè)電流波形發(fā)生嚴重畸變，畸變率高達畸變率高達29.47%29.47%，且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)只有，且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)只有0.950.95。網(wǎng)側(cè)電流網(wǎng)側(cè)電流畸變率畸變率功率因數(shù)功率因數(shù)仿真二：采用基于負載功率前饋的無差拍控制方法的仿真二：采用基于負載功率前饋的無差拍控制方法的PWMPWM整流器仿真整流器仿真仿真參數(shù)如下：仿真參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電壓濾波電抗濾波電抗負載電阻負載電阻直流側(cè)電容直流側(cè)電容載波頻率載波頻率UrefUref380V,50Hz380V,50Hz1.5mH1.5mH12.512.5歐姆歐姆10000uF10000uF6.4kHz6.4kHz700V700V搭建如圖所示模型：搭建如圖所示模型：仿真波