《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種改進(jìn)型三相PWM整流器及控制策略的研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
楊曉光1,2,,高靈虎1,,2,,徐林亮1,2,,劉偉民1,,2,金雙雙1,,2
1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,天津300130; 2.河北工業(yè)大學(xué) 河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,天津300130
摘要: 提出了一種改進(jìn)型的三相PWM整流器拓?fù)?,該整流器采用了預(yù)測電流型的空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了可控軟啟動(dòng),,提高了功率因數(shù),,并拓寬了電壓調(diào)節(jié)范圍,。設(shè)計(jì)了新型過流保護(hù)電路,響應(yīng)速度快,,并且支持高壓電源系統(tǒng)反復(fù)啟動(dòng),。進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測試結(jié)果表明:改進(jìn)型PWM整流器能夠?qū)崿F(xiàn)可控軟啟動(dòng),,穩(wěn)態(tài)誤差小于2%,;負(fù)載突變時(shí),穩(wěn)態(tài)恢復(fù)時(shí)間小于0.5 s,;功率因數(shù)大于95%,。
中圖分類號(hào): TM46
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173562
中文引用格式: 楊曉光,高靈虎,,徐林亮,,等. 一種改進(jìn)型三相PWM整流器及控制策略的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(8):134-137,,142.
英文引用格式: Yang Xiaoguang,Gao Linghu,,Xu Linliang,,et al. Research on an improved three-phase PWM rectifier and its control strategy[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(8):134-137,,142.
Research on an improved three-phase PWM rectifier and its control strategy
Yang Xiaoguang1,2,,Gao Linghu1,,2,Xu Linliang1,,2,,Liu Weimin1,2,,Jin Shuangshuang1,,2
1.State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment,Hebei University of Technology,, Tianjin 300130,China,; 2.Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province,,Hebei University of Technology, Tianjin,,300130,,China
Abstract: This paper presents an improved three-phase PWM rectifier with predicted current space voltage-vector pulse width modulation technology. The designed rectifier can realize controllable soft start, and has high power factor and wide voltage regulation.A new over current protection circuit is designed,which has fast response speed and can meet repetitive start requirement of high voltage supply application.Simulation and test results show that the improved PWM rectifier can achieve controllable soft start and the error in steady state is less than 2%,the recovery time is less than 0.5 s after a sudden change of the load,,the power factor is more than 95%.
Key words : high-voltage power supply,;three-phase PWM rectifier;predictive current control,;SVPWM,;power factor correction

0 引言

    高壓直流電源有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。三相不控整流器是高壓直流電源的重要組成部分[1],。高壓電源系統(tǒng)在使用傳統(tǒng)的三相不控整流器時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下問題:(1)三相不控整流器和后級逆變器中高頻開關(guān)器件的使用對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染,;(2)三相不控整流器輸出電壓不可調(diào),,使得高壓電源后級輸出電壓不能夠較大范圍調(diào)節(jié),;(3)當(dāng)高壓電源系統(tǒng)需要反復(fù)重啟時(shí),如靜電除塵用高壓電源[2],,重啟時(shí)三相整流器解耦電容中仍有較高電壓,,對電源的后續(xù)重啟產(chǎn)生安全隱患。

    為了解決上述問題,,近年來提出了許多新型三相PWM整流器及其改進(jìn)方法,。文獻(xiàn)[3]采用六開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相整流器,能夠獲得較高的功率因數(shù),,但其不能進(jìn)行輸出電壓的調(diào)節(jié),。文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)了使輸出電壓調(diào)節(jié)在一個(gè)更寬的輸入電壓范圍,但整流器輸出電壓必須大于輸入電壓,,不能夠?qū)崿F(xiàn)降壓調(diào)節(jié),。文獻(xiàn)[5]提高了整流器的功率因數(shù),但整流器直流側(cè)輸出電壓必須低于輸入電壓,,不能在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)壓,。

    本文在傳統(tǒng)的三相六開關(guān)整流器的研究基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)型三相PWM整流器,。本文所設(shè)計(jì)的三相PWM整流器通過添加1個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了可控軟啟動(dòng),,啟動(dòng)后通過預(yù)測電流空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)[6],網(wǎng)測實(shí)現(xiàn)了高的功率因數(shù)并且進(jìn)一步拓寬輸出電壓調(diào)控范圍,。設(shè)計(jì)了新型的保護(hù)回路,,觸發(fā)保護(hù)后使解耦電容的電壓快速降為零,使得高壓電源下一次啟動(dòng)安全,,支持電源系統(tǒng)反復(fù)重啟(如靜電除塵器用高壓直流電源),。

1 改進(jìn)型三相PWM整流器的設(shè)計(jì)

1.1 三相PWM整流器主電路設(shè)計(jì)

    本文在傳統(tǒng)三相六開關(guān)整流器研究的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)型三相PWM整流器,,如圖1所示,。

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    本文所提出的三相整流器是在傳統(tǒng)三相六開關(guān)PWM整流器的基礎(chǔ)上添加了開關(guān)管Q7,、Q8和電阻RS,在高壓大功率的場合下一般選用IGBT作為開關(guān)管,。

1.2 改進(jìn)型三相PWM整流器工作模式

    改進(jìn)型整流器工作在3種工作模態(tài),,分別為三相不控整流模態(tài)、三相可控整流模態(tài),、保護(hù)模態(tài),。圖2為三相PWM整流器3種工作模式下開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖波形和與之對應(yīng)的輸出電壓Vdc的波形。

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    在啟動(dòng)過程中,,在前級加入軟啟電路的同時(shí),,保持開關(guān)管Q1~Q6及Q8一直處于關(guān)斷狀態(tài),三相整流器通過寄生二極管工作,,整流器工作在三相不控整流模態(tài),,固定開關(guān)管Q7的開關(guān)頻率,通過緩慢增加Q7的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓Vdc緩慢增加,。這個(gè)間斷沒有進(jìn)行功率因數(shù)校正,,由于整流器工作在低電壓輕負(fù)載狀態(tài),且時(shí)間短暫,,并不會(huì)給電網(wǎng)造成一定的污染,。

    當(dāng)輸出電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓dy1-t2-x1.gif時(shí),Q7切換到常開狀態(tài),,同時(shí)保持開關(guān)管Q1~Q6開始工作,整流器進(jìn)入三相可控整流模態(tài),,開始進(jìn)行功率因數(shù)校正,,避免了對電網(wǎng)造成污染。閉環(huán)控制直流母線電壓Vdc繼續(xù)緩慢增長,,直到達(dá)到預(yù)設(shè)的額定輸出電壓dy1-t2-x2.gif,。整流器的額定功率設(shè)計(jì)在這個(gè)模態(tài),。

    當(dāng)負(fù)載突變,,電流io急劇增大,,超過設(shè)定的保護(hù)值dy1-t2-x3.gif時(shí),,觸發(fā)進(jìn)入保護(hù)模態(tài),后級逆變器被鎖死,,此時(shí)關(guān)斷開關(guān)管Q1~Q7,,同時(shí)開通開關(guān)管Q8解耦電容對電阻RS進(jìn)行快速放電,避免重新啟動(dòng)高壓電源時(shí)因電解電容Co上儲(chǔ)存的電能沒有釋放而造成意外風(fēng)險(xiǎn),。

1.3 改進(jìn)型三相PWM整流器軟啟動(dòng)分析

    傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)是一種硬件軟啟動(dòng),,完成電路的參數(shù)設(shè)計(jì)后,啟動(dòng)時(shí)間也隨之確定,,不能夠靈活地對啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié),。傳統(tǒng)軟啟動(dòng)電路是通過在每相串聯(lián)軟啟動(dòng)電阻和并聯(lián)軟啟動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)的,軟啟動(dòng)電路變得復(fù)雜,。

    本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型三相PWM整理器是通過在直流母線上增加開關(guān)管Q7來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的,,是一種可控的軟件軟啟動(dòng),相比傳統(tǒng)的軟啟動(dòng),,本文的軟啟動(dòng)控制靈活,可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,,通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)靈活多變的軟啟動(dòng)方式,。且相比于傳統(tǒng)軟啟動(dòng)電路,本文的軟啟動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單,。

    開關(guān)管Q7在啟動(dòng)后處于常閉狀態(tài),,這會(huì)造成一定的導(dǎo)通損耗,。高壓大功率場合通常選用IGBT作為開關(guān)器件,,常閉狀態(tài)的開關(guān)管損耗是由于IGBT導(dǎo)通壓降造成的,以型號(hào)英飛凌FF225R12ME4為例說明開關(guān)管Q7的損耗,,該種型號(hào)的IGBT的導(dǎo)通壓降為2 V,,本文設(shè)計(jì)的Vdc=600 V,即Q7的導(dǎo)通損耗占總輸出功率的百分比為0.33%,,因此本文通過增加開關(guān)管Q7來實(shí)現(xiàn)軟件軟啟動(dòng)并不會(huì)造成大的功率損耗,。

2 改進(jìn)型整流器的控制策略

    三相不控整流模態(tài)用于高壓電源的啟動(dòng)過程,保護(hù)模態(tài)用于過流保護(hù),,這兩個(gè)模態(tài)運(yùn)行在整流器的暫態(tài)過程,,時(shí)間短暫,控制簡單,。三相可控整流模態(tài)運(yùn)行在整流器的穩(wěn)態(tài),,控制相對復(fù)雜。本文分析總結(jié)了預(yù)測電流型電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)[6-9],,通過預(yù)測電流型SVPWM可以簡捷地實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán),,相應(yīng)地減少程序所占用的資源,可實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率,。采用的預(yù)測電流數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)了輸入電流的閉環(huán)控制,,三相輸入電流能跟蹤輸入電壓相位,使得三相電壓型 PWM 整流器實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù),。PWM 整流器的電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器,,獲得了穩(wěn)定的輸出電壓。

    預(yù)測電流SVPWM控制以整流器交流側(cè)電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下的兩個(gè)電壓分量作為指令電壓,,通過選擇不同的開關(guān)矢量組合模式來控制開關(guān)管Q1~Q6的導(dǎo)通與關(guān)斷,,達(dá)到功率因數(shù)校正與穩(wěn)定調(diào)節(jié)電壓的目的。

    三相整流器在兩相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型為:

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    定義變量A,、B,、C和N,且N=A+2B+4C,。由圖3所示:如果usx>0,,則A=1,否則A=0,;如果usy>0,,則B=1,否則B=0,;如果usz>0,,則C=1,否則C=0,。由此得到變量N與6個(gè)扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系,。

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    圖4所示為指令電壓ur在第4扇區(qū)時(shí)的矢量關(guān)系圖。T0為零矢量作用的時(shí)間,,T1為基本矢量V1的作用時(shí)間,,T2為基本矢量V2的作用時(shí)間。由圖3,、圖4可以解得T0,、T1、T2,。指令電壓ur在其他扇區(qū)時(shí)的合成情況與在第4扇區(qū)類似,,其大小依然在T0、T1,、T2 3個(gè)量之中進(jìn)行變化,。為此,各扇區(qū)通用:

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    由此可以得出各個(gè)扇區(qū)進(jìn)行指令電壓合成時(shí),,α軸方向基本矢量作用的時(shí)間Tα和β軸方向基本矢量作用的時(shí)間Tβ,。

    為了減小輸入電流的諧波,本文采用對稱式中的七段式矢量序列法,,在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管總共進(jìn)行了6次動(dòng)作,,但每次動(dòng)作只涉及一個(gè)開關(guān)管,因此這種排序方式并沒有產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗[9]

    在得到每個(gè)扇區(qū)中各基本矢量的作用時(shí)間后,,還需要對矢量切換點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,,此處不再贅述。

    圖5為改進(jìn)型三相PWM整流器控制流程圖,。dy1-gs4-x1.gif為預(yù)設(shè)過電流保護(hù)值,,dy1-t2-x1.gif為三相不控制流模態(tài)預(yù)設(shè)電壓值,dy1-t2-x2.gif為三相可控整流預(yù)設(shè)電壓值,。

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3 仿真分析

    本文搭建了MATLAB/Simulink閉環(huán)仿真模型。仿真參數(shù)設(shè)置:三相電網(wǎng)相電壓有效值為220 V,,f=50 Hz,,L=4 mH,Co=3 300 μF,,等效負(fù)載電阻R1=40 Ω,,故障等效負(fù)載電阻R2=20 Ω,故障后Co放電電阻RS=10 Ω,,dy1-t2-x1.gif=450 V,,dy1-t2-x2.gif=600 V。

    如圖6所示,,實(shí)線為電壓波形,,虛線為放大10倍的電流波形。0~0.42 s整流器工作在三相不控整流模態(tài),,固定開關(guān)管Q7驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率,,通過調(diào)節(jié)脈寬來實(shí)現(xiàn)緩慢升壓,在t=0.42 s時(shí)Vdc大于dy1-t2-x1.gif,,整流器進(jìn)入三相可控整流模態(tài),,通過SVPWM進(jìn)行閉環(huán)控制,在t=0.8 s時(shí)達(dá)到dy1-t2-x2.gif,,整流器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,。在t=1 s時(shí)負(fù)載電阻突變?yōu)镽1=24 Ω,在t=1.4 s時(shí)再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài),,測試抗干擾能力強(qiáng),。在t=1.6 s時(shí)負(fù)載電阻突變?yōu)镽1=14 Ω,輸出電流Io迅速增大,,超過了預(yù)設(shè)保護(hù)電流值,,進(jìn)入保護(hù)模態(tài),在t=1.8 s時(shí)Co的電壓降為0,,使下一次高壓電源安全啟動(dòng),。

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    圖7為在t=1 s時(shí)電阻突變?yōu)镽1=24 Ω,相電壓ua、相電流ia波形(ia放大10倍),。圖7中電流波形與電壓波形保持相位相同,,有高的功率因數(shù)。

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4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    實(shí)驗(yàn)條件:三相電壓幅值為300 V,,f=50 Hz,,L=4 mH,Co=3 300 μF,,R1=40 Ω,,故障后Co放電電阻RS=10 Ω,dy1-t2-x1.gif=450 V,,dy1-t2-x2.gif=600 V,。

    圖8為輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形,系統(tǒng)上電后,,0~0.6 s之間整流器工作在三相不控整流模態(tài),。在t=0.6 s時(shí)輸出電壓Vdc大于dy1-t2-x1.gif,整流器進(jìn)入三相可控整流模態(tài),,通過SVPWM進(jìn)行閉環(huán)控制,,在t=1.2 s時(shí)達(dá)到dy1-t2-x2.gif,整流器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,,穩(wěn)態(tài)誤差小于2%,,實(shí)現(xiàn)了可控的軟件軟啟動(dòng)。在t=1.5 s時(shí)負(fù)載電阻突變?yōu)镽1=24 Ω,,在t=2 s時(shí)再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài),,瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.5 s,抗干擾能力強(qiáng),。在t=2.2 s時(shí)負(fù)載電阻突變?yōu)镽1=14 Ω,,Io迅速增大,超過了預(yù)設(shè)保護(hù)電流值,,整流器進(jìn)入保護(hù)模態(tài),,在t=2.45 s時(shí)將電容Co上的電壓降為0,使下一次高壓電源安全啟動(dòng),。圖9為t=1.2 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)a相的相電壓和相電流實(shí)驗(yàn)波形,。圖10為在t=1.5 s時(shí)負(fù)載電阻突變時(shí)a相的相電壓和相電流實(shí)驗(yàn)波形。從圖9,、圖10可知功率因數(shù)校正效果良好,。

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5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型三相PWM整流器能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),具有抗干擾能力強(qiáng),、功率因數(shù)高,、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。通過對解耦電容的電壓控制來實(shí)現(xiàn)高壓電源系統(tǒng)的反復(fù)啟動(dòng)。本文設(shè)計(jì)適用于高壓大功率直流電源,,如靜電除塵電源三相整流,。

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作者信息:

楊曉光1,2,,高靈虎1,,2,徐林亮1,2,,劉偉民1,,2,金雙雙1,,2

(1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,天津300130;

2.河北工業(yè)大學(xué) 河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,天津300130)

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