（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）三相電壓型高頻pwm整流器研究.pdf

華中理工大學博士學位論文 a b s t r a c t t h eh i g hf r e q u e n c yp w mr e c t i f i e rc a np r o v i d en e a r l ys i n u s o i d a ia n dl o wh a r m o n i cd i s t o r t i o n c u r r e n to f t h eu t i l i t y ，c o n t r o l l a b l ep o w e rf a c t o ra n db i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w b e c a u s eo f t h e s ef e a t u r e s t h e yb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri np r a c t i c a la p p l i c a t i o nt h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri sa b o u t t h et h r e ep h a s ev o l t a g es o u r c eh i g hf r e q u e n c yp w mr e c t i f i e r ， b a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sc i r c u i tc o n n e c t i o nt o p o l o g yw h i c hi sd e c i d e db yt h es w i t c hf u n c t i o n ， t h eo r i g i n a lm a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep w mr e c t i f i e rw a ss e tu p t h ea v e r a g es t a t es p a c em e t i l o dw a s e m p l o y e dt oe l i m i n a t et h ed i s c o n t i n u o u sf e a t u r eo ft h es w i t c hf u n c t i o n ，t h e nt h ea v e r a g es t a t es p a c e m a t h e m a t i cm o d e lw a so b m i n e d u s i n gc 0 0 r d i n a t ei r o n s f o r m a t i o n ，t h eo r d e r so f m a t h e m a t i cm o d e lw a s r e d u c e da n dt h et h r e ep h a s ea cv a r i a b l e sa r ec o n v e r t e dt od cv a r i a b l e s t h el i n e a r i z e ds m a l ls i g n a l m a t h e m a t i cm o d e lo fp w mr e c i f i e rw a sa l s od e d u c e d m o d e la n a l y s i ss h o w e dt h a ta l t h o u g ht h e r e c t i f i e ri ss t a b l ea b s o l u t e l yw h e ni tw o r k si no p e nl o o pm o d e ，i t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci sp o o r t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fp w mr e c t i f i e rw a sa l s od e s c r i b e di nd e t a i li nt h em a t l a b s i m u l n q k e n v i r o n m e n t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a c ev e c t o rm o d u l a t i o na n dr e g u l a r s a m p l e dp w mw a si n v e s t i g a t e d i t i si n d i c a t e dt h a tt h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ni se q u i v a l e n tt or e g u l a r - s a m p l e dp w mw i t hz e r o s e q u e n c e c o m p o n e n ti r j e c t i o nt h eg e n e r a la n a l y t i ce x p r e s s i o no f t h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nw a v ew a si n d u c e d a n dt h ec o n t i n u o u sa n dd i s c o n t i n u o u sm o d u l a t i o nm o d ew e r eu n i f i e db yt h ea n a l y t i ce x p r e s s i o n b e c a u s eo ft h ez e r o s e q u e n c ec o m p o n e n ta d d i n g ，t h em o d u l a t i o nw a v ea m p l i t u d ei sd e c r e a s e da n dt h e l i n e a rm o d u l a t i o ni n d e xe x t e n d st o1 1 5 4 7 t h ec u r r e n th a r m o n i ci n f l u e n c e db yt h ez e r o - v e c t o rj s d i s c u s s e d e q u a id u r a t i o no f t h et w oz e r o - v e c t o r sc a ng e tm i n i m i z e dc u r r e n th a r m o n i ci nm o s ts i t u a t i o n t h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1o ft h ep w mr e c t i f i e rs h o w sv e r yg o o ds t e a d yc h a r a c t e r i s t i c s i n c ei t s c u r r e n tc o n t r o lb a s e do nt h es t e a d y s t a t u sv i e w p o i n t t h ec u r r e n tr e s p o n s e sd e c i d e db yt h en a t u r e c h a r a c t e r i s t i co ft h er e c t i f i e ra n di t sd y n a m i cp e r f o f i n a n c ei sp o o r i no r d e rt oo v e r c o m et h ed r a w b a c k s o fw e a ks t a b i l i t ya n dl o wd y n a m i cr e s p o n s eo fc o n v e n t i o n a li n d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 an e wi n d i r e c t c u r r e n t c o n t r o ls c h e m ew i t hac a s e a d ed y n a m i cd e c o u p l i n gc o m p e n s a t o rw a sp r e s e n t e d i nt h en e w s c h e m e ，ap a i ro fc o n j u g a t e dz e r o sa r eu s e dt oc o m p e n s a t eap a i ro fs l o wc o n v e r g e n c ea n ds m a l l d a m p i n gr a t i oc o n j u g a t e dp o l e si nt h ep l a n t t h es t a b i l i t ya n dd y n a m i cr e s p o n s ea r ei m p r o v e dm u c h a n dt h et r a n s i e n to s c i l l a t i o nl ss l i g h ti nt h en e wi n d i r e c tc a r r e i i tc o n t r o is c h e m e an e wd i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls c h e m e ，w h i c h , c o m b i n e st h ec u r r e n ts t a t ef e e d b a c kd e c o u p l i n ga n d t h ed u a fc l o s el o o pc o n t r 0 1 w a sp r e s e n t e d a t i e rd e c o u p l i n g ，t h ep w mr e c t i f i e rw a ss i m i l a rt ot h e s p e e da d j u s t m e n ts y s t e mo f d em o t o rr e f e r i ot h ec o n t r o l l e rd e s i g nm e t h o do f d cm o t o rc o n t r o ls y s t e m an e wd u a lc l o s el o o pc o n t r o l l e rd e s i g nt e c h n i q u ew h i c hi sf i tf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nw o s d e v e l o p e d i no r d e rt oa d dt h ef e e d f o r w a r dc o n t r 0 1 t h eo b s e r v e rw a sp r o p o s e dt oe s t i m a t el o a dc u r r e n t l y a p u n o v - b a s e dc o n t r o if o rp w mr e c t i f i e rw a sa l s od i s c u s s e d i tn o to n l ys h o w sg o o dd y n a m i c p e r f o i t f l a n c cb u ta l s og u a r a n t e e st h es y s t e ms t a b i l i t ya b s o l u t e l y k e y w o r d s ：r e c t i f i e rp w ms w i t c h e dm o d er e c t i f i e rp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n s p a c ev e c t o r 華中理工大學博士學位論文 第一章緒 論 1 ，1p w m 整流器的產(chǎn)生背景 1 ，1 1 傳統(tǒng)整流器的缺陷 在所有的靜止電力交換電路中，整流電路是最早出現(xiàn)的，現(xiàn)今所用整流電路拓 撲結構早在二、三十年代使用汞弧整流器時就已成熟【1 ，2 】。除直接使用直流電源的設 備外，大部分d c a c 和d c d c 裝置的輸入直流電壓是經(jīng)不控或相控整流得到的。 故整流電路的應用也最廣 4 1 。據(jù)1 9 9 2 年日本電氣學會的調(diào)查報告1 4 j ，在所有的電力 電子設備中，整流裝置要占到近7 0 之多。由于整流器的用量如此之大，所以它的 輸入特性對屯網(wǎng)有很大影響。 傳統(tǒng)的二極管不控整流和晶閘管相控整流器的主要缺陷是t 1 】- 【引： 一、 對公用電網(wǎng)產(chǎn)生大量的諧波。 二、 整流器工作于深度相控狀態(tài)時，裝置的功率因數(shù)極低。 三、 輸出側需要較大的平波電抗和濾波電容以漣除紋波。這導致裝囂的體積、 重量增大，捉耗也隨之上升。 四、 相控導致調(diào)節(jié)周期長，加之輸出濾波時間常數(shù)又較大所以系統(tǒng)動態(tài)響 應慢。 以上缺點中的三、四條還僅對裝置本身有影響，而頭兩條，尤其是大量的諧波， 對公用電網(wǎng)產(chǎn)生了嚴重的污染，已成為公認的電網(wǎng)公害們。 1 1 2 無功及諧波的危害 電網(wǎng)無功的負作用主要體現(xiàn)在降低了發(fā)電、輸電設備的利用率，增加了線路損 耗。無功還使線路和變壓器的電壓降垴大。如果是沖擊性無功負載，還會饅電網(wǎng)r 也 壓產(chǎn)生尉烈波動，嚴重影昀供電質(zhì)量。 至于諧波，它對公用電網(wǎng)的影酸曼為嚴重。盡管人們很早就注意到諧波閩題， 但只到電力電子設備太泛圍普及使用時，它的危害才充分顯示出來。概括來講，諧 華中理工大學博士學位論文 波的危害主要有以下幾個方面?！? 。 、諧波增加了公用電網(wǎng)的附加輸電損耗，降低了發(fā)電、輸電設備的利用率。 二、在電纜輸電的情況下諧波以f 比于其電壓幅值的形式增加了介質(zhì)的電場強 度，縮短了電纜的使用壽命，還增加了事故次數(shù)和修理費用。 三、諧波會影響甚至嚴重影響用電設備的正常工作。比如諧波對電機產(chǎn)生附加 轉(zhuǎn)矩，導致不希望的機械震動、噪聲。還會引入附加銅損、鐵損，以及過電壓，導 致局部過熱，絕緣老化，縮短設備使用壽命。瞬時的諧波高壓還可能損壞其它一些 對過電壓敏感的電子設備。 四、諧波還引起某些繼電器、接觸器的誤動佰。 五、諧波使得常規(guī)電氣儀表測量不準確。 六、諧波對周圍的環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，影響通信、電話等設備的正常工作。 七、諧波容易使電網(wǎng)產(chǎn)生局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，而諧振導致的諧波放大效應 又進一步惡化和加劇了所有前述問題。 可見無功和諧波是對公用電網(wǎng)和其它電氣設備的影響十分嚴重。如何抑制和消 除諧波已成為一個世界范圍內(nèi)令人關注的課題。 1 1 3 無功補償和諧波抑制 人們早在三十年代就認識到靜止變流器引起的諧波問題。由于當時及以后的一 段時間里，靜止變流器的數(shù)量不多，相對電網(wǎng)容量小，所以直到六十年代以前，諧 波問題并未引起人們的太多關注。自從晶閹管發(fā)明后，靜止變流裝置( 尤其是整流 器) 大范圍普及應用，諧波問題變得越來越突出1 。為補償由于電力電子設備帶來 的無功和諧波，過去幾十年里逐漸發(fā)展了許多改進辦法。概括地說可分為無源補償 和有源補償兩種措施。 無源補償?shù)幕驹硎抢秒娙萜魈峁┑某盁o功電流補償電網(wǎng)的滯后無功； 利用電感、電容購成的各次諧波濾波器或陷波器，吸收電網(wǎng)基頻以外的諧波。有關 無源濾波器的研究己趨成熟，在實際系統(tǒng)中己得到廣泛應用。 無源濾波器也存在明顯缺陷。電容器對無功的補償是固定的，對負載變化的適 應性差。即使采用電容器分級投切的方法也只能有級地調(diào)整無功，而且電容器投切 時的暫態(tài)過程往往產(chǎn)生局部過壓和過流”1 。面對各次諧波，需要有針對性地設計較多 不同的濾波器。無源濾波器，尤其是低次諧波濾波器的體積、重量都相當可觀，損 華中理工大學博士學位論文 耗也不小。其次，無源濾波器的動態(tài)晌應慢，對一些快速變化過程效果不佳。第三 無源濾波器容易與諧波作用產(chǎn)生諧振反而放大諧波。所以，單純地使用無源補償方 案，其經(jīng)濟指標和技術指標都比較差。 電力電子技術的發(fā)展一方面產(chǎn)生了諧波問題。另一方面，由于電力電子器件 對電能控制的方便性、快速性和靈活性，它本身又提供了解決辦法。這就產(chǎn)生了由 電力電子器件構成的有源無功、諧波補償裝置。 六十年代出現(xiàn)了飽和電抗器無功補償設備。它的原理是控制電感鐵芯的磁化電 流從而控制電抗大小，最終控制補償器的阻抗。飽和電抗器響應速度快，但鐵芯磁 化到飽和，所以損耗和噪聲都很大。 七t 年代發(fā)展起來了以t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 和t s c ( t h y r i s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r ) 為代表的靜止無功補償器”“( s v c - s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 。 t s c 利用晶閘管向電網(wǎng)投切電容器以補償無功。t s c 和由機械斷路器投切電容相 比，實現(xiàn)了無觸點開關，具有無噪聲，壽命長，無投切沖擊電流，無諧波等優(yōu)點。 但對無功的補償是有級的。t c r 利用和電感串聯(lián)的晶閘管調(diào)節(jié)電感的導通時間以調(diào) 節(jié)基波無功電流。通常將t s r 和t c r 混合使用，組成所謂s v c 系統(tǒng)可以平滑快速 地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基波無功。但是t c r 本質(zhì)上仍是工作在相控方式，在補償無功的同時 又產(chǎn)生了大量的諧波。 進入八十年代后，隨著大容量全控器件的發(fā)展，又產(chǎn)生了更為先進的s v g ( s t a t i cv a t g e n e r a t o r ) “。與s v c 相比，s v g 調(diào)節(jié)速度更快，調(diào)節(jié)范圍更寬。更 重要的是，由于采用脈寬調(diào)制技術和多電平、多重化技術相結合，s v g 產(chǎn)生的諧波 很小，需用的無源元件也比s v c 小得多。 仍然使用s v g 的主電路，改變控制方式使其補償電剛諧波，就成了有源電力濾 波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ”。有源電力濾波器可以看作是一個諧波發(fā)生器，不 過它是在檢測到電網(wǎng)諧波后，發(fā)出和電網(wǎng)諧波大小相等，方向相反的諧波以抵消電 網(wǎng)諧波。由于并聯(lián)型電力有源濾波器和s v g 主電路相同，只是控制方式不同，所以 現(xiàn)在已經(jīng)有將s v g 和有源電力濾波器合二為一的趨勢。 近年又提出了統(tǒng)一電力調(diào)節(jié)器( u n i f i e d p o w e r c o n d i t i o n e r ) “。統(tǒng)一電力調(diào) 節(jié)器由兩個具有公共直流母線的有源電力濾波器組成。這兩個濾波器一個和電網(wǎng)并 聯(lián)，主要消除諧波電流，同時可以調(diào)節(jié)無功。另一個和電網(wǎng)串聯(lián)，主要用于消除諧 波電壓。人們正試圖以統(tǒng)電力調(diào)節(jié)器解決所有的有關無功和諧波問題。 華中理工大學博士學位論文 有源濾波器本身的響應帶寬還是有限的，所以對頻率較高的諧波補償效果不如 低次諧波補償那么理想。以無源濾波器濾除高次諧波，而濾波器的體積、重量都比 較小。以有源濾波器消除低次諧波，可以達到很好的補償效果有源濾波器和無源 濾波器相結合的混合濾波器是比較有吸引力的解決方案。 有源電力濾波器的發(fā)展是電力技術和電力電子技術應用的巨大進步，其先進性 和重要性都是勿須置疑的，它也是目前的研究熱點之一有源濾波器固然有其巨大 的優(yōu)越性，但并不是解決諧波問題的唯一途徑。而且在使用上，有源濾波器也存在 一些不利和不方便的因素。首先，有源濾波器一般是集中設置，對某一供電區(qū)域或 某個大功率的非線性負載進行諧波補償，而不可能對每個諸如計算機、電視機等這 些雖大量使用但單個功率又很小的負載配制有源濾波器。這意味著在在濾波器接入 點之前的諧波小，麗在其之后的輸配電線路上的諧波依然存在。那么，由諧波帶來 的問題還是有可能出現(xiàn)。其次，有源濾波器屬于事后補救辦法。也就是說在諧波已 經(jīng)產(chǎn)生之后再加以補償。為取得較好的補償效果，首先要對諧波進行實時的檢測和 辯識。而快速準確的將諧波信號分離出來，至今還是一沒有完全解決的問題。諧波 信號檢測出來后，補償效果還受控制器設計和系統(tǒng)帶寬的影響。一般說來有源濾波 器比較復雜，成本也比較高的。 針對電力系統(tǒng)中絕大部分諧波是由整流裝置產(chǎn)生的特點，研翻新型的高功率因 數(shù)、低諧波整流器以消除諧波源，則是防患于未然的積極措旌是消除電網(wǎng)諧波， 減少無功的另一個積極的有效途徑。 在相當長的時間里，多重化技術被用于改進整流器的輸入特性。其基本原理是， 利用變壓器繞組的y ，形聯(lián)接，以及各相繞組的曲折聯(lián)接。讓多個相同的整流器串 聯(lián)或并聯(lián)工作，各整流器之問的觸發(fā)脈沖依次錯開一定的相位。這樣整個整流系統(tǒng) 總體上相對于電網(wǎng)為單位功率因數(shù)，而且輸入電流接近正弦。州”。多重化技術和 無源濾波器結臺，可獲得較好的效粟， 整流器多重化的不足也是顯而易見的。主要體現(xiàn)在，隨著重數(shù)的增加，系統(tǒng)所 用的元件增多，電路結構非常復雜，變壓器的繞鑰也很不方便，系統(tǒng)可靠性降低 重數(shù)的增加還導致系統(tǒng)損耗增大。另外，變壓器這類無源設備還是必須按電網(wǎng)的基 波頻率設計，其體積、重量、損耗均非常可觀，總的系統(tǒng)成本也比較高實際系統(tǒng) 中最常用的是十二褶整流，可基本清除五次七次諧波。要消除更高次諧波，就必 須提高重數(shù)。 4 華中理工大學博士學位論文 作為降低諧波的另一有效措施，p w m 技術很早就應用于逆變電源。七十年代， 有人嘗試將p w m 技術引入整流領域1 9 , 2 0 1 ，并取得了良好的效果。采用p w m 整 流可獲得單位功率因數(shù)和非常接近_ ：弦的輸入電流。和相控整流相比，p w m 整流 器動態(tài)性能也有了很太提高，對電容、電感類無源濾波或儲能元件的需求大大降低。 高頻整流器在以后較常時間沒有推廣使用，其原因一方面是受全控器件發(fā)展水平的 制約，更主要是諧波問題還不十分突出，缺乏實際需求的動力。進入九十年代，大 容量自關斷半導體器件的成熟為p w m 整流器應用提供了硬件基礎。而諧波問題的 突出，各國相繼制定了嚴格的強制性規(guī)定1 7j 【3 8 】則為p w m 整流器的發(fā)展與普及注入了 動力。 1 。2p w 8 整流器的分類及特點 p w m 整流器也稱開關模式整流器( s m r ：s w i t c hm o d er e c t i f i e r ) 。從不同的 角度看p w m 整流器有不同的劃分。按是否具有能量回饋功能，將p w m 整流器分成 無能量回饋功能的整流器( 亦稱p f c p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 和具有能量回饋功 能的整流器。按電路的拓撲結構和外特性，p w m 整流器分為電壓型( 升壓型或b o o s t 型) 和電流型( 降壓型或b u c k 型) 。升壓電路的基本特點是輸出直流電壓高于輸入 交流線電壓峰值，這是其升壓型拓撲結構決定的。升壓型整流器輸出一般呈電壓源 特性，但也有工作在受控電流源的時候。降壓電路輸出直流電壓總低于輸入的交流 峰值電壓，這也是由電路拓撲結構決定的。降壓型整流器輸出一般呈電流源，但有 時候也工作在受控電壓源狀態(tài)。無淪哪種p w m 整流電路，都基本能達到單位功率 因數(shù)。但在諧波含量，控制復雜性，動態(tài)性能，電路體積、重量、成本方面有較大 差別。 1 2 1 p f c 整流電路 圖1 1 是單相升壓型p f c 的基本電路。p f c 工作方式分不連續(xù)電流模式 ( d c m ：d i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e l ) 和連續(xù)電流模式( c c m ：c o n t i n u o u s c u r r e n tm o d e l ) 。 d c m 方式只用一個電壓環(huán)控制輸出直流電壓。穩(wěn)態(tài)時開關管的占空比為常數(shù)。 它的主要優(yōu)點是電路簡單，控制方便。由于電感電流不連續(xù)，自然形成了開關管的 華中理工大學博士學位論文 零電流開通條件，開通損耗小。二極管d 自然關斷，沒有反向恢復問題。它主要缺 點是電壓、電流應力大。d c m 方式的另一缺點是，要使輸入電流畸變小，輸出直流 電壓必須遠高于交流電壓峰值口o ，2 2 , 2 3 o 這是因為在t 開通過程中，電感電流峰值和 平均值都正比于輸入正弦電壓。t 關斷時，電感放電遽率受直流電壓影響。直流電 壓越高則放電時間短，放電部分的平均電流越小，總平均電流越接近正弦。受器件 耐壓限制，電壓型p f c 的直流電壓通常只比交流側峰值電壓略高，所以d c m 方式 的輸入電流諧波較大。為減小電流畸變，把輸入升壓電感改成單端反激( f l y b a c k ) 變壓器 2 4 1 2 卯，使變壓器原邊放電過程減為零，電流平均值完全正比于輸入電壓，理 論上可消除低次諧波。而且還可以使輸入輸出電隔離，輸出電壓可以通過變壓器變 比調(diào)節(jié)。采用n y b 嬸k 的禹蟲作用是：電流應力更大，開關管要承受很大魄阻塞電壓， 還需要額外筘位電路吸收變壓器漏感能量?？偟恼f來，d c m 方式適合于小功率、電 流畸變要求不高的應用場合。 太j 、 爨 _ _-。 zlz 磋 圖1 1單相升壓型p f c 電路圖1 2c c m 控制方式 c c m 方式【2 6 l 一般采用圖1 2 所示的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。電壓控 制器的輸出是輸入電流幅值指令i 。該指令和電網(wǎng)電壓的整流信號相乘作為電流給 定。因為電流給定是和電網(wǎng)電壓信號波形成比例，所以電流給定信號和輸入電壓同 相。電流內(nèi)環(huán)使輸入電流盡可能跟蹤電流指令，最終的p w m 驅(qū)動波形由電流控制 器決定。由于電流內(nèi)環(huán)的存在，驅(qū)動波形占空比按正弦規(guī)律變化，使電感電流平均 值為正弦。故有時c c m 方式也被稱為平均電流控制方式。c c m 的輸入電流畸變很 小，動態(tài)響應也比d c m 快的多。由于c c m 方式的輸入電流連續(xù)，所以在同等輸入 功率時，c c m 方式比d c m 的平均輸入電流小，不象d c m 那樣有很高的峰值電流。 相比較雨言，c c m 的開關管電流應力小，適用的功率范圍比d c m 大。另外，c c m 6 華中理工大學博士學位論文 方式下輸入電流連續(xù)，所以輸入整流橋可以用普通整流二極管構成，而d c m 電路在 開關頻率高時要使用快恢復二極管作整流元件。c c m 的不足之處是開關損耗比 d c m 大，由其是開關管開通時，阻塞二極管的反向恢復電流引入較大的關斷損耗。 c c m 控制電路也比較復雜。不僅要檢測輸入電流，還需要乘法器。不過，現(xiàn)在已有 供c c m 方式的專用p f c 集成芯片( 如u c 3 8 5 4 等) ，控制電路已經(jīng)簡化了很多。 -。幾i 廣t i 一 2l2l 一 三 一 i 。審 - ，玉 2l2 ( a ) p f c 和f l y b a c k 結合( b ) p f c 和c u k 結合 圖13 整體化p f c 電路 p f c 電路后面通常接d c d c 變換電路再輸出。能量經(jīng)二次轉(zhuǎn)換，元件多，效率 低。整體電路阻2 8 蠕p f c 和b o o s t 、b u c k 、c u k 、s e p i c 等= 次變換電路有機地結 合，既能完成功率因數(shù)、電流波形校正，又能完成輸出電壓調(diào)節(jié)。圖1 3 ( a ) 和 1 3 ( b ) 分別是p f c 和f l y b a c k 電路結合以及和c u k 電路結合的例子。盡管整體電 路的兩級變換共用同一個開關器件，增加了通態(tài)電流應力，輸出調(diào)節(jié)范圍也受到一 定限制，但整體電路結構簡單緊湊，控制方便，更重要的是電路成本低，總體經(jīng)濟 性好1 7 1 1 2 9 1 ，對小功率、大批量產(chǎn)品( 如計算機、通訊電源、充電器等) 還是很有吸 日1 力的。 ej zl j 醉一 _ lz、 z ( a )( b ) 圖1 4單管三相p f c 電路 單相p f c 應用的功率范圍一般不大于兩、三個千瓦f 7 i i3 1 3 6 1 ，為適應大功率應用 必須使用三相p f c 技術。 華中理工大學博士學位論文 圖t 4 ( a ) 所示為單管三相p f c f 3 l ”1 電路。它僅用一個開關管就實現(xiàn)了三相功 率因數(shù)校正功能。簡單、經(jīng)濟是其最大的優(yōu)點。由于僅有一個可控元件，不可能對 每相電流都控制得很好。一般這種電路只工作在d c m 方式。這時每相電流峰值和各 相電壓成正比。穩(wěn)態(tài)時，開關管的導通比為常數(shù)。和單相d c m 方式一樣，這里每相 電流峰值為正弦。電流畸變受直流電壓影響。要使電流畸變小，直流輸出電壓必須 很高f 2 ”。由于電流不連續(xù)，自然形成零電流開通。但是開關管在關斷時，要斷開三 相電流，所以關斷損耗更大。隨輸出功率增大，輸入電流的峰值迅速增加，電流應 力問題更加突出。采用圖1 4 ( b ) 所示電路p ”，用同一脈沖驅(qū)動三個下管，可將 電流應力減少3 0 左右。盡管如此，單管三相p f c 電路應用范圍往往僅限于中等功 率且諧波要求不太嚴格的場合。 u i 一一一一一一曼坐一一一一一j ! 曼旦鬯，一 圖1 ，5 三個單相p f c 并聯(lián)的三相p f c 三個獨立的單相p f c 并聯(lián)是實現(xiàn)三相p f c 的自然思路。它的優(yōu)點是單相p f c 技 術能直接應用于三相應用領域。一種方法叫是每個單相p f c 后接一個帶變壓器隔離 的d c d c 電路，在三個d c d c 變換器的輸出端實現(xiàn)并聯(lián)。這種方式完全實現(xiàn)了各 單相p f c 的獨立控制，實際效果也和單相p f c 相當。它的問題是電路復雜，很不經(jīng) 濟。為簡化電路，降低成本，可將單相p f c 電路在直流輸出端并聯(lián)。這時三相p f c 共一個輸出直流電容。單相p f c 的輸入電流即使完全正弦無諧波且與交流輸入電壓 同相，直流輸出電流仍含有二次諧波。為保持輸出電壓平穩(wěn)，需要較大的直流電容 濾波。而對三相共輸出電容的三相p f c ，如果三相輸入電壓平衡，則理論上三相p f c 華中理工大學博士學位論文 的直流輸出電流無低次諧波。所以聲流濾波電容的容量反面可以比單相p f c 小。可 惜這樣的聯(lián)接方式不能真正實現(xiàn)每個單相p f c 的獨立控制。相間耦合作用嚴重降低 了輸入電流的波形質(zhì)量。 圖1 5 中【3 舢，將升壓電感一分為二分別置于上、下直流回路中，并在每相的直 流負母線上增加了一個阻塞二極管。采用這種結構在某些開關狀態(tài)下可以避免相間 耦合，或減輕相間的相互于擾。不過成效不太顯著?？傊哂泄仓绷髂妇€的三 個單相p f c 并聯(lián)，每相輸入電流畸變比單相p f c 大。單相p f c 并聯(lián)的另一個問題是 主回路通過的元件多，通態(tài)損耗比較大。 圖1 ，6 三相p f c 電路 _- l l 、 a 午 。 ：、一生 x2x2t 圖1 6 所示的是比較具有真正意義上的三相p f c 整流器。由于有三個全控開關， 控制的自由度大，可實現(xiàn)每相電流波形都接近正弦。圖1 6 ( a ) 、( b ) 和圖1 6 ( c ) 雖然拓撲結構不一樣，但基本工作原理是一致的。當某相輸入在電流數(shù)值上 比指令電流小時，該相全控開關導通，使該相電感儲能。反之，該相開關關斷，使 電感放電，電流數(shù)值逐漸降低。對圖1 6 ( a ) 、( b ) 所示電路【3 5 ，3 6 , ”1 ，通常將 一個周期3 6 0 度分成六個區(qū)域，每區(qū)域為6 0 度寬。每個區(qū)域里，三相電流指令相 互之間的大小關系不變。在任一區(qū)域，電路可等效成兩個b o o s t 變換器，一個對應最 大電流輸入的那一相，另一個對應最小輸入電流那一相。控制最大和最小的輸入電 流為正弦，第三相自然也是正弦。圖1 6 ( c ) 可看作是三個單相p f c 并聯(lián)的改進 和簡化口9 ，4 0 1 。這里將原輸入端的三相中點移到輸出側，帶來的問題是不僅要控制輸 入電流還要控制中點電壓。 從現(xiàn)有的研究結果看，圖1 6 所示的電路都能使輸入電流畸變極小，輸出直流電 流紋波很小，實際效果不錯。上述電路的另個優(yōu)點是，全控開關通過的電流有效 - _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。_ 。_ 。_ h _ _ - _ 。_ 。一 9 華中理工大學博士學位論文 值只有總輸入電流有效值的2 5 - 3 0 左右。圖1 6 示的三相p f c 和下一節(jié)將講到三相 全橋p w m 整流器( 圖1 1 0 ) 相比，可靠性較高。因為這類電路不存在橋臂直通的 危險，而且即使可控開關損壞，電路還可工作于不控整流方式。應指出的是，這類 三相p f c 仍然存在相間電網(wǎng)電壓相互影響的問題。為克服相問電壓相互干擾，保證 電流控制效果，目前基本上采用電流滯環(huán)跟蹤控制。圖1 6 所示三相p f c 電路還較 少用于實際裝置。這一方面是因為對這類結構的電路研究還不十分充分，尤其是電 流控制方式還需要更深入的研究。另個主要原因是雙向可控的半導體器件還不成 熟。一般用多個元件組合構成雙向可控開關，不僅結構復雜，控制不方便，通態(tài)損 耗也比較大。但可以預見，一旦雙向可控半導體器件商業(yè)化，圖i 6 所示的三相p f c 電路將會得到普及應用。 一 _。 ! 一 一 ； i 2 - - 1 l 1 + e 、v 。 一_ _ 一 l2 圖1 7( a ) 降壓型p f c 主電路圖1 7 ( b ) 輸出諧振濾波器 降壓型p f c 電路結構如圖i 7 ( a ) 所示【4 ”。其輸出電壓低于輸入電壓峰值。 與升壓型p f c 相比，降壓型p f c 有一些很吸引人的優(yōu)點。b u c k 型p f c 電路輸出電 壓可大范圍調(diào)節(jié)，甚至可以零電壓輸出。輸出電感的限流作用使電路運行安全，即 使輸出短路也不會損壞半導體器件。但是，b u c k 型電路的輸出電感過于大。電感的 作用一是平滑輸出電流，二是維持整流橋能全周期工作。因為當交流電壓的數(shù)值比 直流電壓低時，必須靠電感儲存的能量續(xù)流才能使整流橋?qū)?。和升壓型p f c 中起 的儲能電容相比降壓型p f c 的直流電感體積大、笨重、成本高。所以降壓型p f c 很 少有應用實例。由于輸出電流主要含二次諧波，把圖1 7 ( a ) 的輸出電感改成圖 1 7 ( b ) 所示的和電網(wǎng)頻率二次諧波諧振f 4 2 1 4 3 】濾波器?？梢栽谝欢ǔ潭壬蠝p小電 感，但收效不大。一般b u c k 型p f c 只用于某些特殊場合。 1 0 華中理5 - 大學博士學位論文 1 2 2 能量可回饋的p w m 整流電路 能量可回饋型的p w m 整流器均采用全控型半導體開關器件，它比p f c 電路具 有更快的響應和更好的輸入電流波形。由于最初的半導體器件( s c r ，g t o ) 都 是單向?qū)ǖ?，所以電流型整流器出現(xiàn)的時間要早一些。而實際應用中，電壓型的 p w m 整流器占絕大多數(shù)，特別是在中小功率領域。 圖1 8 單相半橋整流器圖1 9 單相全橋整流器 圖1 8 和圖1 9 分別是單相半橋和全橋電壓型整流器。圖1 1 0 是三相電壓型整流 器。拋開整流器的輸入電感，整流器的主電路和逆變器是一樣的。穩(wěn)態(tài)時工作時， 輸出直流電壓不變，開關管按正弦規(guī)律脈寬調(diào)制，整流器交流側的輸出電壓和逆變 器相同。忽略整流器輸出交流電壓的諧波，變換器可以看作是可控正弦三相電壓源。 它和正弦的電網(wǎng)電壓共同作用于輸入電感，產(chǎn)生正弦電流波形。適當控制整流器輸 出電壓的幅值和相位，就可以獲得所需大小和相位的輸入電流。 圖i i o 三相電壓型p w m 整流器圈1 1 1三相電流型p w m 整流器 華中理工大學博士學位論文 從以上基本的電路結構，還派生出了一些其它的電路形式。主要有三相四線型 的p w m 整流器h 4 “。它能為整流器后端的三相u p s 提供中點而無需變壓器。另有 一種低成本的四開關三相整流電路f 4 6 1 1 4 7 】【4 8 】，它比常規(guī)三相整流器少用一個橋臂。 圖1 1 1 是三相電流型p w m 整流器1 協(xié)“j ，其輸出呈直流電流源特性。電流型整 流器很少用于單相，因為那需要很大的直流平波電抗。電流型整流器應用不廣泛的 原因有兩點。一是整流器輸出電感的體積，重量和損耗都比較大。二是常用的全控 器件都是雙向?qū)ǖ模麟娐窐嫵刹环奖闱彝☉B(tài)損耗大。不過電流型整流器也有其 獨特的優(yōu)點。由于輸出電感的存在，它沒有橋臂直通過流和輸出短路的問題。另外， 開關器件直接對直流電流作脈寬調(diào)制，所以其輸入電流控制簡單，控制速度非?？臁?理論上即使是電流開環(huán)控制也能得到很好的輸入電流和快速的電流響應。 無論是電流型還是電壓型的主電路都是能量可雙向流動能量變換器，作整流器 只是它們的功能之一。上述的主電路結構還可以用于無功補償器，有源濾波器，風 力、太陽能發(fā)電，電力儲能系統(tǒng)【5 5 , 5 6 ，有源電子負載【5 等應用領域。其控制方式和 整流器控制也有很多相近的地方。 1 3 電壓型p w m 整流器的控制 建立數(shù)學模型是對整流器進行有效控制的基礎。一般假設半導體器件是理想開 關，根據(jù)不同開關模式下電路的拓撲聯(lián)接關系得到原始的整流器模型。原始模型一 般只能用于仿真計算而難以用于系統(tǒng)分析；通常采用狀態(tài)空間平均法消除模型的不 連續(xù)特性【58 】 5 引，用坐標變換方法使模型降階，并使穩(wěn)態(tài)交流變量成為直流變流以削 弱系統(tǒng)的非線性特征【6 0 坷】。經(jīng)過處理后的模型仍然是非線性的，因此有時還需用到 整流器在其靜態(tài)工作點的線性化小信號模型【刪。 整流器的控制目標是輸入電流，二是輸出電壓。其中輸入電流的控制是整流 系統(tǒng)控制的關鍵所在。因為采用p w m 整流器的目的就是為了使輸入電流波形正弦 化。其次，對輸入電流的有效控制的實質(zhì)是對變換器能量流動的有效控制，也就控 制了輸出電壓。基于這個觀點，可以將整流器的控制分成間接電流控制和直接電流 控制兩大類。 間接電流控制也稱幅相控制，通過調(diào)節(jié)整流器交流側電壓的幅值和相位達到控 制輸入電流的目的【5 8 】f 6 5 1 1 6 6 1 。其電流控制的依據(jù)是整流器的空間矢量圖或相量圖，對 華中理工大學博士學位論文 電流的控制是開環(huán)的。間接控制的女 忐特性很好，控制結構簡便。由于不需要電流 傳感器，故成本也比較低。不過目前為止，間接控制實際應用的例子很罕見。這是 因為間接控制規(guī)律是基于穩(wěn)態(tài)的黟! 點得到。系統(tǒng)過渡過程按其自然特性完成，而整 流器的自然特性又很差。所以在間接電流控制的電流暫態(tài)過程中，有將近1 0 0 的電 流超調(diào)，電流振蕩劇烈，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，響應慢。引入電流微分反饋1 6 i 】或加上串 聯(lián)補償器【6 8 】都是改進間接電流控制動態(tài)響應的有效途徑，將有可能使間接控制實用 化。 本文將凡是引入了輸入電流反饋的控制方式均稱為直接電流控制方式。直接電 流控制具有非常優(yōu)良的動態(tài)性能。從系統(tǒng)控制器的結構形式劃分，直接電流控制又 可以分為三種類型。 第一類是電壓電流雙閉環(huán)控制方式。這也是目前應用最廣泛，最為實用化的控 制方式。它們的共同特點是：輸入電流和輸出電壓分開控制。電壓外環(huán)的輸出作電 流指令，電流內(nèi)環(huán)則控制蜘入電流，使之快速地跟蹤電流指令。電流內(nèi)環(huán)不僅是控 制電流，而且也起到了改善控制對象的作用。由于電流內(nèi)環(huán)的存在，只要使電流指 令限幅就自然達到過流保護的目的，這是取環(huán)控制的優(yōu)點。從電流控制器的實現(xiàn)方 式看，又有以下一些形式 電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器最早卅現(xiàn) 6 0 1 6 ”1 。它具有非?？斓碾娏骺刂铺匦?，對參數(shù)變化 的適應性也很強。滯環(huán)控制的缺陷是開關頻率不固定，開關應力大，現(xiàn)在已基本不 采用。用串聯(lián)比例或比例積分等線性控制器代替滯環(huán)控制器，并結合電流狀態(tài)反饋 實現(xiàn)電流解耦控制方法應用廣泛1 72 j p ，其動態(tài)特性與滯環(huán)控制接近。當暫不考慮直 流電壓變化時，整流器的輸入電流模型是線性時不變系統(tǒng)。所以也有采用狀態(tài)反饋 的方法配置電流響應的閉環(huán)極點1 7 這種方法和前述用串聯(lián)比例電流調(diào)節(jié)器加電流 反饋解耦的控制方式在本質(zhì)上是一樣的。如果是在離散電流模型中配置極點，并使 得電流在采樣點后一拍或數(shù)拍跟蹤上電流指令，那么就是所謂的預測電流控制或無 差拍電流控制了 7 5 、7 引。以最短時間跟蹤電流指令的最優(yōu)控制【7 9 j 也有應用。 電流的控制既可以是在兩相同步坐標系中，也可以是在靜止坐標系中。比較而 言，同步坐標系下可以實現(xiàn)電流的無靜差跟蹤，電流響應也快一些【8 ?！?。早期的控 制電路主要用模擬電路，要實現(xiàn)坐標變換非常復雜，所以控制器一般在靜止坐標系 實現(xiàn)。為彌補靜止系控制器的不足，在靜止坐標系的電流控制器中引入電網(wǎng)反電勢 信號作前饋補償 82 1 川以使靜止坐標系的電流控制效果和旋轉(zhuǎn)坐標系很接近。但這還 華中理工大學博士學位論文 = 蘭，_ ：! = ，! ! ! ! ! ! ! 竺! = = ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = = = = = = = ! = = = = = = = = = ! = f i 能和旋轉(zhuǎn)系的電流控制等同，靜差雖然減小但依然存在i s 引。將同步坐標系下的p i 凋節(jié)器表達式用變換到靜止系，可以得和同步坐標系控制效果完全等效的靜止坐標 系卜的調(diào)節(jié)器i “i 。不過這僅能實現(xiàn)三相系統(tǒng)的電流無靜差調(diào)節(jié)。如果利用內(nèi)?？刂?原理，在控制器中引入交流電流給定指令的信號模型【8 ”，將可以獲得對單相交流電 流的無靜差跟蹤特性。 隨著微處理器技術的發(fā)展，數(shù)字化系統(tǒng)正逐步取代模擬電路。在數(shù)字化系統(tǒng)中 進行坐標變換非常方便，所以使用靜止坐標系的控制器將越來越少。 第二類直接電流控制方式是以整流器的小信號線性化狀態(tài)空間模型為基礎。電 壓、電流控制不分開，而是對整個系統(tǒng)進行閉環(huán)極點配置1 9 6 i 或設計最優(yōu)二次型i m l 調(diào)節(jié)器。該控制方式需要事先離線算出各個靜態(tài)工作點的狀態(tài)空間模型及與之對應 的反饋矩陣，然后存入存儲器。工作時，檢測負載電流或等效負載電阻以確定當前 的1 j 作點然后查表讀取相應的