一種拓寬PWM整流器調(diào)壓范圍的方法研究

張興亮，孟光偉，向 東，熊 浩

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引 言

三相電壓型PWM整流器有很多優(yōu)勢(shì)，在正常運(yùn)行中，輸入功率因數(shù)為1，電流波形接近正弦波，輸出直流電壓可調(diào)[1]。然而，傳統(tǒng)的電壓型PWM整流器是一種升壓變換器[2]，工作在單位功率因數(shù)時(shí)，其直流輸出電壓高于交流側(cè)電源電壓的峰值。很多學(xué)者對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過添加電路元器件的方式，將其升壓結(jié)構(gòu)改成了升降壓結(jié)構(gòu)[3]。本文從穩(wěn)態(tài)相量關(guān)系角度，探討了在不改變?nèi)嚯妷盒蚉WM整流電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，通過調(diào)節(jié)交流側(cè)功率因數(shù)來實(shí)現(xiàn)整流器輸出電壓范圍的拓寬。這種方法在采用三相電壓型PWM整流器的電路中，在不增加主電路元器件的前提下，能通過控制來實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓范圍的進(jìn)一步拓寬。

1 三相PWM整流器的模型與控制

常用的三相電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓，La、Lb、Lc為交流側(cè)電感，Ra、Rb、Rc為交流側(cè)等效電阻，Udc為輸出直流電壓，C為直流側(cè)電容，R為負(fù)載電阻。由于整流器采用PWM調(diào)制方式，因此整流器交流側(cè)可以看作是一個(gè)可控的正弦電壓源。以a相為例，忽略交流側(cè)等效電阻R1，其基波等效電路如圖2所示，對(duì)應(yīng)的相量圖如圖3所示。結(jié)合三相電壓型PWM整流電路工作原理，通過改變交流側(cè)電壓的大小ua，以及交流側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓之間的夾角θ，就可以改變交流側(cè)電流ia的大小和相位，從而可以控制輸入功率的大小，在直流側(cè)負(fù)載電阻值一定情況下，實(shí)現(xiàn)了輸出直流電壓的改變。

圖1 三相電壓型PWM整流器主電路圖

圖2 a相基波等效電路圖

圖3 相量圖

考慮網(wǎng)側(cè)三相電壓對(duì)稱，La=Lb=Lc=L1，Ra=Rb=Rc=R1，在三相靜止坐標(biāo)系(a，b，c)中，其狀態(tài)方程為[4]

(1)

式中，uN0為電容負(fù)極與電網(wǎng)中點(diǎn)之間的電壓，ua、ub、uc為圖1中交流側(cè)a、b、c點(diǎn)相對(duì)于N點(diǎn)的電壓。

式(1)通過坐標(biāo)變換[5]，可得三相電壓型PWM整流電路在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

(2)

三相電壓型PWM整流器，采用電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和SVPWM調(diào)制技術(shù)[6]，以三相網(wǎng)側(cè)電壓的合成矢量作為參考軸，通過對(duì)iq與id的控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器電流無功和有功分量的控制，由式(2)知，iq與id互相耦合，為了實(shí)現(xiàn)解耦控制，采用前饋解耦法[7]。令：

(3)

(4)

將式(4)代入式(3)，得到前饋解耦的電流內(nèi)環(huán)控制如下：

(5)

式中，kdp、kqp為PI控制器的比例調(diào)節(jié)參數(shù)，kdi、kqi為PI控制器的積分調(diào)節(jié)參數(shù)。

圖4 電流解耦控制結(jié)構(gòu)框圖

2 功率因數(shù)改變對(duì)直流側(cè)電壓的影響

根據(jù)功率守恒定律，將交流側(cè)電壓、電流幅值分別設(shè)為E和I，忽略交流側(cè)電阻的損耗，有：

(6)

設(shè)交流側(cè)某相電壓幅值U，直流側(cè)電壓Udc，有以下關(guān)系：

U=dmUdc

(7)

由圖3中相量分解得：

(8)

由式(6)、式(7)和式(8)，可得：

(9)

由式(9)可求得：

(10)

(11)

考慮穩(wěn)態(tài)，可近似認(rèn)為交流側(cè)相電壓幅值U等于SVPWM中的指令矢量|U*|，則

式中，m為SVPWM的調(diào)制比。

為了與實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)，參數(shù)設(shè)置如表1所示。據(jù)式(11)，用Matlab軟件，可求出任意功率因數(shù)角下，Udc與dm的關(guān)系圖。以功率因數(shù)角φ為x軸，dm為y軸，Udc為z軸，它們之間的關(guān)系如圖5所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖5 直流側(cè)電壓與功率因數(shù)角和dm的關(guān)系

分析關(guān)系圖的數(shù)據(jù)，以dm為變量，其限定在0.1～0.577之間，由圖5可知dm越大，Udc越小，所以要拓寬Udc的調(diào)壓范圍，在一定角度下應(yīng)使dm盡量接近最大值0.577。求出dm=0.577時(shí)不同功率因數(shù)角φ下直流側(cè)電壓的最小值，即可得到在不同φ下PWM整流直流側(cè)電壓的最小電壓值，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 直流側(cè)電壓的最小電壓值

分析圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)功率因數(shù)角接近0時(shí)，Udcmin≈64V，功率因數(shù)角由0逐漸增大，剛開始階段，直流側(cè)最小電壓值Udcmin比單位功率因數(shù)時(shí)只有小幅度下降，但隨著功率因數(shù)角進(jìn)一步增大，Udcmin會(huì)迅速下降。

3 仿真分析

圖7 功率因數(shù)可調(diào)的雙閉環(huán)控制仿真模型

根據(jù)上述分析，φ=0.9時(shí)，最小電壓值Udcmin=65V，φ=0時(shí)，Udcmin=69V。

圖時(shí)的波形

圖時(shí)的波形

圖時(shí)的波形

圖時(shí)的波形

仿真結(jié)果可以看出，φ*=0時(shí)直流側(cè)電壓穩(wěn)定在70V，無法到達(dá)指令值65V，而且此時(shí)，交流側(cè)電流發(fā)生了很大畸變。而當(dāng)φ*=0時(shí)，系統(tǒng)仍可穩(wěn)定在指令值65V，接近了理論分析的最低值。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用NI公司CompactRIO控制器控制器[8]，其主要由cRIO-9081、NI9220、NI9401等構(gòu)成。cRIO-9081控制器搭載了1.06GHz雙核CPU和LX75可重置FPGA。數(shù)字信號(hào)輸入輸出I/O模塊NI9220和采集模擬量模塊NI9401等由FPGA直接控制。開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示。NI9220是16通道16位同步模擬量采集模塊，整流器控制算法中需要的電壓、電流和其他量通過此模塊進(jìn)行采集，然后在特定的模塊轉(zhuǎn)換后傳遞給CompactRIO，其最小的采樣周期為10μs，可以快速同步采樣整流器中電流和電壓等量，而且精度高。

圖12 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)裝置中的相關(guān)參數(shù)如表1所示，當(dāng)分別設(shè)定功率因數(shù)角φ*=0和φ*=0.9時(shí)，直流輸出電壓在65V和80V時(shí)，觀察相關(guān)電壓電流波形。

圖時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

圖時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

圖時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

圖時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)選取的參數(shù)與仿真模型中的一致，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率因數(shù)角φ*設(shè)定0即單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，整流器器輸出電壓設(shè)定為80V時(shí)可以實(shí)現(xiàn)升壓輸出，輸出電壓設(shè)定為65V時(shí)，整流器輸出電壓無法達(dá)到設(shè)定值，只能達(dá)到69V，且此時(shí)交流側(cè)電流發(fā)生了畸變，而當(dāng)功率因數(shù)角φ*設(shè)定為0.9即非單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，在直流輸出電壓設(shè)定值為80V和65V時(shí)都能達(dá)到設(shè)定值。即實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了理論分析和仿真結(jié)果的正確性。

5 結(jié) 論

綜上所述，在圖1所示的三相電壓型PWM整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，減小交流側(cè)功率因數(shù)時(shí)，可使得PWM整流輸出電壓的下限有一定幅度下調(diào)，而且，當(dāng)功率因數(shù)角φ接近90°時(shí)，PWM整流輸出電壓的下限有明顯下降。當(dāng)然，φ過于接近90°時(shí)，則交流側(cè)無功功率偏大，這也會(huì)給系統(tǒng)帶來一定的不利?？傊瑩?jù)上述理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過控制交流側(cè)功率因數(shù)，能有效地拓寬PWM整流輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。