三相電壓型PWM整流器參數(shù)的研究

程亞運, 趙 陽, 徐朝陽, 肖 輝

(1 湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 武漢南華工業(yè)設(shè)備工程股份有限公司， 湖北 武漢 430223；3 國網(wǎng)黃岡供電公司， 湖北 黃岡 438000)

三相電壓型PWM整流器參數(shù)的研究

程亞運1, 趙 陽1, 徐朝陽2, 肖 輝3

(1 湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 武漢南華工業(yè)設(shè)備工程股份有限公司， 湖北 武漢 430223；3 國網(wǎng)黃岡供電公司， 湖北 黃岡 438000)

比較和分析三相電壓型PWM整流器的各種電路仿真軟件的基礎(chǔ)上， 用PSIM仿真軟件對給定的不同參數(shù)進行設(shè)定運行。仿真結(jié)果表明，交流側(cè)電感、直流母線側(cè)電容參數(shù)和電網(wǎng)的電壓不平衡對電路性能和功能的影響是至關(guān)重要的。

PWM整流參數(shù)； PSIM; 交流側(cè)電感量； 直流側(cè)電容量

為控制電能質(zhì)量，對PWM整流器的研究漸興，電壓型整流器結(jié)構(gòu)簡單，并且很容易控制其損失，已經(jīng)引起了普遍的興趣和工業(yè)上廣泛的應(yīng)用[1]。

1 三相PWM整流電路的工作原理

三相電壓型PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)見圖1，圖1電路中三相電感L起濾波作用，因此交流側(cè)可近似認為是三相正弦電流，C為直流側(cè)電容，起穩(wěn)壓濾波作用，當系統(tǒng)穩(wěn)定時，可保持直流母線電壓基本不變，故可作為直流電壓源。R為線路與開關(guān)管的等效電阻，RL為負載。三相交流電分別與三角載波進行比較，產(chǎn)生PWM波，從而驅(qū)動功率開關(guān)管，而SPWM波同時會產(chǎn)生與高頻三角波相關(guān)的高次諧波，而由于電感的作用，高次諧波電壓產(chǎn)生幾乎被交流電流忽略，這樣就可以得到相位和相電壓一致的角度[2]，從而使功率因數(shù)接近于1。

圖 1 PWM整流器主電路拓撲

圖 2 SPWM調(diào)制方式

2 仿真軟件的比較和選擇

大多數(shù)PWM整流器采用Matlab軟件來進行仿真，但Matlab一般不適用于電路仿真，原因在于，首先Matlab是適合于系統(tǒng)算法的模型仿真分析，其次它需要創(chuàng)建系統(tǒng)的傳遞函數(shù)功能，需要大量的數(shù)學計算。更加糟糕的是，它的工具箱是整體狀態(tài)，不利于獨立敏感的電子元件的仿真。

Protel軟件可以用于電路仿真，但是只有少量的原理文件庫可供使用，并且所需信號源和驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)選擇相當麻煩。所以Protel軟件較適合于PCB的仿真使用，不是電力電子仿真軟件的第一選擇。

Psim廣泛應(yīng)用于電力電子和電機控制領(lǐng)域，具備很多優(yōu)點，例如高速度仿真，友好的用戶界面和波形功能分析。它為電力電子電路分析提供了一個強大而有效的仿真環(huán)境，可進行控制系統(tǒng)和電機驅(qū)動的研究，因此它是電子電路仿真的首選[3]。

3 仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

仿真數(shù)據(jù)：三相交流電源110V，頻率50Hz，三角波的頻率10kHz, 因為電感量、電容量、負載參數(shù)和電網(wǎng)的不平衡都是被考慮的因數(shù)，故進行橫向?qū)Ρ缺容^分析，仿真數(shù)據(jù)見表1，仿真結(jié)果見圖3～圖10.

表1 仿真數(shù)據(jù)

交流側(cè)電感具有以下主要功能：

1)隔離網(wǎng)側(cè)電勢和VSR交流側(cè)電壓；

2)濾除VSR交流側(cè)PWM諧波電流；

3)使得VSR具有BoostAC/DC的變換性能等。因此電感在交流側(cè)的選擇對整個系統(tǒng)具有很大的影響[4]。

圖 3 數(shù)據(jù)1的波形

圖 4 數(shù)據(jù)3的波形

圖 5 數(shù)據(jù)2的波形

圖3是最好的模擬結(jié)果，輸入電壓和電路有相同的相位，功率因數(shù)接近1，整流電壓在穩(wěn)定上升，且上升時間短。圖4和圖5表明，增大電感量具有的一定的效果，使得輸入電流變化平和，同時輸入電流的相位也發(fā)生了偏移。圖5示出電流相位是滯后電壓相位，從而抑制諧波電流量減小(功率因數(shù)降低)?？紤]到電感器的成本和的整流器的大小，電感量較小為佳。由圖3、圖4知，電感變小使得高次諧波輸入電流變化過快，從而導致電流振蕩。模擬結(jié)果表明，該電感交流側(cè)不僅影響了靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)，而且還限制了輸出功率、功率因數(shù)和直流電壓。

圖 6 數(shù)據(jù)5的波形

圖 8 數(shù)據(jù)6的波形

電容C的設(shè)計也至關(guān)重要，它的選擇影響著系統(tǒng)的輸出特性和安全性。電容器在直流側(cè)具備以下功能：1)它可以過濾直流電壓的脈動所引起的設(shè)備的高頻率切換。 2)當負荷變化時，電容的儲能使得直流電壓在有限范圍里波動。

由于電網(wǎng)側(cè)和直流電容間存在著復雜的能量交換過程，沒有簡單直接的方法來選擇適當大小的電容。由圖3、圖6、圖7可觀察到該直流電容器設(shè)計的重要性。圖3是最好的仿真結(jié)果;比較圖6和圖3可知，電容量的增加，導致電容體積增大，且電壓上升時間增加;圖9表明電容量的減少使得電容兩端的紋波增大。因此，輸出電容的選擇應(yīng)綜合考慮諸多因素，確保輸出電壓要求。由圖8和圖3可知：相同情況下，負載變小，輸出電流變大，導致母線電壓波動也變大。

圖 9 數(shù)據(jù)7的波形

一般情況下，假設(shè)電網(wǎng)電壓是平衡的，事實上，電網(wǎng)電壓常常處于不平衡狀態(tài)。當電壓處于不平衡狀態(tài)時，整流電路將出現(xiàn)異常操作。如果存在相位失衡，假設(shè)它大于或小于10%至15%的實際值，正如電壓限值為90V和130V。

圖9和圖10中，PWM整流器的直流電壓周期性抖動。PWM整流器的交流側(cè)不平衡電流在嚴重的情況下會燒毀整流電路[5]，應(yīng)對不平衡的電壓情況做控制處理。

圖10 數(shù)據(jù)8的波形

4 結(jié)論

本文通過PSIM仿真軟件，對三相電壓型整流器作單一變量控制發(fā)現(xiàn)：輸入側(cè)濾波電感取值越大，網(wǎng)側(cè)電流波形越好，電流也越滯后于電壓；輸出電容越小，輸出電壓上升越快，紋波也越大；負載越小，輸出電壓波動越大。

[1] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012(3):165-169.

[2] 裴素萍，吳必瑞.三相PWM整流器主電路參數(shù)確定方法[J].電測與儀表，2014，13(7):84-88.

[3] 程啟明，程尹曼，薛陽，等.三相電壓源型PWM整流器控制方法的發(fā)展綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012,40(3)：145-155.

[4] 鄭征，葛廣凱.三相PWM整流器交流側(cè)電感的設(shè)計[J].電氣傳動，2011,41(3)：24-27.

[5] 龐延慶，王建民，張乃標.電網(wǎng)不平衡時三相PWM整流器主電路電感設(shè)計與輸出性能研究[J].電氣應(yīng)用，2006,25(1)：77-80 .

[責任編校： 張巖芳]

Research of three-Phase PWM Voltage Rectifier Parameters

CHENG Yayun1, ZHAO Yang1, XU Zhaoyang2， XIAO Hui3

(1SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2WuhanNanhuaIndustrialEquipmentEngin.Co.,Ltd.,Wuhan430223,China; 3StateGridHuanggangPowerSupplyGompany,Huanggang438000,China)

This paper first compares and analyzes the three phase voltage type PWM Rectifier various circuit simulation software. Then, given different parameters，PSIM simulation software can run. The simulation results show that the unbalanced ac inductor and dc side capacitor parameters and power grid voltage is crucial to the circuit performance and functionality.

PWM rectifier parameters; PSIM;the ac inductance; Dc electric capacity

2016-02-29

程亞運(1990-)， 男， 湖北仙桃人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為微網(wǎng)運行下并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)

趙 陽(1975-)， 女，四川樂山人，工學博士，湖北工業(yè)大學副教授，研究方向為電力電子在分布式發(fā)電系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1003-4684(2017)02-0070-03

TM461

A