基于滯環(huán)控制的三相高功率因數(shù)整流器

王 超，張代潤，張 竹，黃念慈

(四川大學(xué)，四川 成都 610065)

基于滯環(huán)控制的三相高功率因數(shù)整流器

王 超，張代潤，張 竹，黃念慈

(四川大學(xué)，四川 成都 610065)

目前大多數(shù)整流裝置使用二極管或晶閘管整流，這些整流方式存在諧波污染大、功率因數(shù)低的問題。針對(duì)諧波問題提出了很多方法，如有源濾波、多重化技術(shù)，但這些方法沒有從根本上解決諧波問題。三相高功率因數(shù)整流器不產(chǎn)生諧波，且可在高功率因數(shù)下運(yùn)行，控制方法也較為靈活。在此介紹了該整流器主電路結(jié)構(gòu)及其控制方法，詳細(xì)分析了用滯環(huán)比較策略產(chǎn)生開關(guān)管控制信號(hào)的方法。用Matlab對(duì)該控制方法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方法的可行性。

諧波；高功率因數(shù)；滯環(huán)比較

0 前言

傳統(tǒng)的整流電路采用二極管整流或晶閘管相控整流電路來獲得直流電壓，這些變流裝置的網(wǎng)側(cè)電流絕大多數(shù)是非正弦，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流和無功，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染；同時(shí)，整流裝置的功率因數(shù)也較低。目前，電流諧波可采用在整流裝置的輸入端加入濾波器，或利用有源濾波技術(shù)來抑制諧波，改善電能質(zhì)量。但這些方法沒有從根本上解決整流裝置產(chǎn)生的污染問題，解決污染的根本措施是使變流裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，并且運(yùn)行于單位功率因數(shù)。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了性能各異的全控型功率開關(guān)，各種控制方法也不斷涌現(xiàn)。將PWM技術(shù)引入整流器的控制中，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流的正弦化和單位功率因數(shù)運(yùn)行，使電能得到高效率的使用。

1 三相高功率因數(shù)整流器主電路結(jié)構(gòu)及其控制

主電路采用三相橋式整流電路，如圖1所示。整流橋由六個(gè)全控型器件IGBT組成。電感將電網(wǎng)與整流器的交流側(cè)隔離，同時(shí)，還具有濾波的功能，可以濾除開關(guān)器件因開通和關(guān)斷產(chǎn)生的高頻諧波。整流器的輸出接一直流電容，穩(wěn)定直流輸出電壓。主電路采用全控型器件，為實(shí)現(xiàn)電流的正弦化和單位功率因數(shù)運(yùn)行，需對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以控制開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，因此，控制方法比晶閘管整流更加復(fù)雜。滯環(huán)電流控制具有較快的電流響應(yīng)，且電流跟蹤動(dòng)態(tài)偏差由滯環(huán)寬度確定，是一種優(yōu)良的控制策略。系統(tǒng)控制框圖(三相中的一相)如圖2所示。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)

圖2 控制框圖

比較直流側(cè)電壓和參考電壓，經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)和PI調(diào)節(jié)后，與電網(wǎng)電壓同步信號(hào)相乘，得到電流指令信號(hào)i*，電流指令信號(hào)與電網(wǎng)側(cè)實(shí)際電流i比較，得到誤差電流Δ i，誤差電流經(jīng)滯環(huán)比較器后，輸出控制脈沖，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷。

2 滯環(huán)比較原理

滯環(huán)比較原理如圖3所示。H為滯環(huán)寬度。對(duì)于A相，假設(shè)網(wǎng)側(cè)電流ia＞0，IGBT4導(dǎo)通，則A相電流從ia*-0.5H上升到ia*+0.5H，當(dāng)A相電流ia＞ia*+0.5H后，開關(guān)管立即斷開，此時(shí)，由二極管VD1續(xù)流，電流從ia*+0.5H下降到ia*-0.5H；當(dāng)A相電流ia＜ia*-0.5H后，IGBT4又導(dǎo)通，如此循環(huán)。若網(wǎng)側(cè)電流ia＜0，則IGBT1導(dǎo)通，IGBT4關(guān)斷；或IGBT1關(guān)斷，此時(shí)VD4續(xù)流。其他兩相可做類似的分析。

3 仿真電路與控制

仿真采用Matlab軟件中的simpower system模塊。仿真主電路和控制系統(tǒng)如圖4所示。仿真參數(shù)為：電網(wǎng)電壓120 V，50 Hz交流；電感L1、L2、L3均為1 mH；電容5 000μF；直流側(cè)參考電壓Uref＝300 V。

純阻性電阻時(shí)仿真波形如圖5所示，負(fù)載為電阻10 Ω。阻容性電阻時(shí)仿真波形如圖6所示，負(fù)載為100μ F電容，5Ω電阻。阻感性電阻時(shí)仿真波形如圖7所示，負(fù)載為1mH電感，10 Ω電阻。

圖5 純阻性負(fù)載

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的整流裝置產(chǎn)生大量的諧波，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。隨著對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)的半控或不可控整流已經(jīng)不能滿足要求，研究綠色、高效、性能可靠的整流裝置顯得更加迫切。三相高功率因數(shù)整流器是實(shí)現(xiàn)“綠色”、高效的整流裝置。采用滯環(huán)比較控制策略跟蹤電網(wǎng)電壓，能夠較好地實(shí)現(xiàn)整流裝置的高功率因數(shù)運(yùn)行，而且基本不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，是一種較好的控制方法。仿真結(jié)果顯示，該方法對(duì)阻性、阻容性、阻感性負(fù)載都有較好的結(jié)果。

Three-Phase high power factor rectifier based on hysteresis control

WANG Chao，ZHANG Dai-run，ZHANG Zhu，HUANG Nian-ci
(Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Now diodes and thyristors are used in many rectifying devices.The common problems of those devices are high harmonic content in grid current and low power factor.Aiming at the question of harmonic waves,many methods are proposed by experts，such as active power filters，multiple technology，and so on.However，harmonic waves are not elimilated radically.Three-Phase high power factor rectifier has the advantages of not causing harmonic current，operating in high power factor,and flexible controling.The main circuit structure and control method of the three-phase high power factor rectifier are presented in this paper.Also，the principle of hysteresis control which outputs the PWM signals to drive IGBT is introduced in detail.The possibility of the hysteresis control used in three-phase high power factor rectifier is verified by simulation of Matlab.

harmonic waves；high power factor；hysteresis control

TG434.4

A

1001-2303(2010)01-0044-03

2009-02-06；

2009-10-11

王 超(1984—)，男，四川德昌人，碩士，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究工作。