一種簡單的三相電壓型PWM整流器控制方法

0 引言

PWM 整流器具有能量雙向流動、直流電壓穩(wěn)定、低諧波輸入電流、高功率因數(shù)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于單位功率因數(shù)整流、有源濾波及無功補償、交流傳動等系統(tǒng)中。PWM整流器的控制實際上是對交流側(cè)電流的控制，實現(xiàn)的方案有電流直接控制和間接控制兩大類[1]。電流直接控制能實現(xiàn)對電流的迅速調(diào)節(jié)，獲得較好的動態(tài)性能，但需要高精度的電流傳感器，而且傳統(tǒng)的電流滯環(huán)控制開關(guān)頻率不固定;間接電流控制是在控制系統(tǒng)中通過控制調(diào)制電壓的幅值及其與電源電壓的相對位移來控制輸出直流電壓和功率因數(shù)，盡管它動態(tài)響應(yīng)稍慢，還存在瞬態(tài)直流電流偏移，但它具有簡單的控制結(jié)構(gòu)和良好的開關(guān)特性，檢測量少，無需電流傳感器，成本低，易于數(shù)字化實現(xiàn)，適用于對控制性能和動態(tài)響應(yīng)要求不高的場合，具有良好的工程實用價值。

1 三相電壓型PWM 整流器主電路拓撲與數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM整流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為試驗測試負載電路[2]。

針對三相電壓型PWM整流器，建立采用開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型，首先作以下假設(shè)：

1)電網(wǎng)電動勢ea、eb、ec為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢;

2)網(wǎng)側(cè)電感是線性的，且不考慮飽和;

3)將功率開關(guān)管損耗等效電阻Rs同交流濾波電感等效電阻Rl合并，且令R=Rs+Rl。

定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)sk 為

由圖1，忽略開關(guān)器件的開關(guān)延時、死區(qū)時間，控制系統(tǒng)緩沖時間，根據(jù)基爾霍夫電壓與電流定律，可得到三相電壓型可逆PWM 整流器的狀態(tài)空間模型如下[5]

在這里，L 是每相交流濾波電感的值，R 是每相功率開關(guān)管損耗等效電阻Rs與交流濾波電感等效電阻Rl的和，C 是直流輸出側(cè)的電容值。

2 基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制的控制方法

由于交流電感的濾波作用，整流器交流側(cè)的輸入可近似認為是三相正弦電流，直流側(cè)有大電容穩(wěn)壓，輸出呈直流電壓源特性，穩(wěn)態(tài)時輸出直流母線電壓可認為保持不變。由于交流濾波電感等效電阻及開關(guān)器件損耗等效電阻較小，在忽略交流濾波電感及開關(guān)器件等效電阻的條件下，三相電壓型PWM 整流器的單相等效電路和空間矢量圖如圖2、圖3、圖4所示[3]。

在圖3與圖4中，E為電網(wǎng)電動勢的電壓空間矢量，Vp為三相電壓型PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電壓空間矢量，VL為交流濾波電感兩端間的電壓空間矢量，I 為交流電源輸出的電流空間矢量。

由圖3 和圖4 可見，適當(dāng)控制Vp的大小和Vp與E之間的相位角茲，就可以控制輸入電流I的大小與相位，因而能控制整流器傳送能量的大小和直流側(cè)電壓，最終就能夠控制功率因數(shù)和實現(xiàn)能量的雙向流動。

如何控制輸入電流，得到理想的功率因數(shù)以及實現(xiàn)能量的雙向流動，根本任務(wù)在于得到各功率開關(guān)器件的控制規(guī)律和通斷時間。PWM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于整流系統(tǒng)以提高功率因數(shù)并改善電流波形，本文基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理，通過電壓空間矢量PWM控制，在整流器橋路交流側(cè)生成幅值、相位受控的正弦PWM電壓。該電壓與電網(wǎng)電動勢共同作用于整流器交流側(cè)，在整流器交流側(cè)形成正弦基波電流，諧波電流則由整流器交流側(cè)電感濾除。

在傳統(tǒng)的相位幅值控制方式中，在功率因數(shù)為1時，控制角茲與控制電壓矢量Vp的計算完全根據(jù)矢量圖并依賴于主電路參數(shù)，如式(3)、式(4)所示[4]。

式(3)和(4)的運算量較大并且與主電路參數(shù)相關(guān)聯(lián)，不易實現(xiàn)實時控制，系統(tǒng)存在受主電路參數(shù)影響的局限性。本文提出的控制方法是將PI調(diào)節(jié)器的輸出作為相位角茲的給定，而相位角茲作為被控對象的輸入變量，并依據(jù)能量守恒原理和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)關(guān)系以及矢量關(guān)系確定控制算法，這樣就實現(xiàn)了對整流器網(wǎng)側(cè)控制電壓Vp的相位的控制，系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

對于網(wǎng)側(cè)控制電壓幅值，根據(jù)電壓空間矢量脈寬調(diào)制控制原理有[6]

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)需要檢測的信號有三相交流電源的電壓信號ea、eb、ec 和網(wǎng)側(cè)直流母線電壓信號Vdc，這些電壓信號經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成DSP的A/D 接口接收范圍內(nèi)的模擬信號，DSP 則完成輸入信號的A/D 轉(zhuǎn)換、三相對稱(a，b，c)到兩相垂直(D，Q)的坐標(biāo)變換、PI 調(diào)節(jié)、空間矢量調(diào)制等控制任務(wù)，DSP 輸出的SVPWM 信號經(jīng)IPM 驅(qū)動電路后送給IPM?？梢姡麄€控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，易于實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]

4 仿真與實驗結(jié)果

基于以上的控制方法，進行了軟件仿真與實際硬件實驗。模型中仿真參數(shù)為：交流電源電壓頻率為50 Hz，電感L=8 mH，直流側(cè)電容C=6 000 滋F，R=1 贅，

開關(guān)頻率為6 kHz。圖7(a)是能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳遞運行時相電壓與對應(yīng)的相電流仿真波形，這里交流側(cè)電源相電壓有效值為220 V，is=0，直流電壓Vd c=650 V，負載RL=40 贅;圖7(b)是能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞運行時相電壓與對應(yīng)的相電流仿真波形，這里交流側(cè)電源相電壓有效值為220 V，is=15 A，負載RL=120 贅;圖7(c)是能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳遞運行突然轉(zhuǎn)變到能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞運行時的直流側(cè)母線電壓的仿真波形，能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳遞運行時，交流側(cè)電源相電壓有效值為150 V，is=0，直流電壓Vd c=450V，負載RL=120 贅，能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞運行時，交流側(cè)電源相電壓有效值為

150 V，is=12 A，直流電壓Vd c=450 V，負載RL=120 贅;

圖7(d)是能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞運行突然轉(zhuǎn)變到能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳遞運行時的直流側(cè)母線電壓的仿真波形，仿真參數(shù)同圖7(c)。

由圖6，構(gòu)建了三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)，控制芯片采用TI 公司的TMS320LF2407A，主電路功率開關(guān)器件采用富士公司的IGBT-IPM 模塊7MBP100RA120，其他相關(guān)參數(shù)參見上述仿真參數(shù)。

實際運行結(jié)果如圖8所示。圖8(a)是能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳遞運行時相電壓與對應(yīng)的相電流實驗波形，這里交流側(cè)電源相電壓有效值為220 V，is=0，直流電壓Vd c=650 V，負載RL=40 贅;圖8(b)是能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞運行時相電壓與對應(yīng)的相電流實驗波形，這里交流側(cè)電源相電壓有效值為150 V，s=12 A，負載RL=120 贅;圖8(c)是能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞運行突然轉(zhuǎn)變到能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳遞運行時的直流側(cè)母線電壓的實驗波形，能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞運行時，交流側(cè)電源相電壓有效值為150 V，is=12 A，直流電壓Vd c=450 V，負載RL=120 贅，能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳遞運行時，交流側(cè)電源相電壓有效值為150 V，is=0，直流電壓Vd c=450 V，負載RL=120 贅。由于實驗條件所限，未能進行能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳遞運行突然轉(zhuǎn)變到能量從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞運行的實驗。

以上實驗結(jié)果表明，此控制方法實現(xiàn)了三相電壓型PWM整流器的高功率因數(shù)運行，實現(xiàn)了能量的雙向流動，實現(xiàn)了整流器直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定控制，而且實現(xiàn)容易，所以具有良好的工程實用價值。

5 結(jié)語

本文針對圖1 所示三相電壓型PWM 整流器電路，建立了基于開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型，介紹了一種簡單的控制方法，在此基礎(chǔ)上，進行了軟件仿真和實際硬件實驗。仿真與實驗結(jié)果表明，本文所介紹的控制方法實現(xiàn)了三相電壓型PWM 整流器的能量雙向流動、直流電壓穩(wěn)定控制及高功率因數(shù)運行，而且實現(xiàn)容易，具有實際工程應(yīng)用價值。