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1、第2章三相電壓型PWM變換器本章首先簡(jiǎn)要概述了三相電壓型 PWM變換器的原理,分析了 PWM變換器 具備四象限運(yùn)行能力的原因,并介紹了電壓型PWM變換器幾種常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后給出了電壓型PWM變換器分別在三相靜止ABC坐標(biāo)系、兩相靜止 坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)d q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。2.1 PWM變換器的基本原理整流器的發(fā)展經(jīng)歷了二極管不控整流、晶閘管相控整流器到可關(guān)斷功率開(kāi)關(guān) 管的PWM整流器。二極管不控與晶閘管相控整流器均會(huì)在網(wǎng)側(cè)電流中產(chǎn)生諧 波,且功率因數(shù)不高,其中,二極管不控整流的直流側(cè)母線電壓不可控。PWM整流器以其優(yōu)良的性能成為發(fā)展的趨勢(shì)。PWM整流器不但實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化, 單位功率

2、因數(shù)控制,電能的雙向傳輸以及快速的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)。PWM整流器不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的 AC-DC整流功能,還由于其具備四象限運(yùn) 行能力,使得其可工作在逆變狀態(tài),實(shí)現(xiàn)電能從直流側(cè)向電網(wǎng)側(cè)傳輸。由于PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)受控電流源特性,因此其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控。當(dāng)控制其網(wǎng)側(cè)電 流網(wǎng)測(cè)電壓同相時(shí),PWM整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)整流狀態(tài);當(dāng)控制器網(wǎng)側(cè) 電流與網(wǎng)側(cè)電壓反相時(shí),PWM整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)。雙 PWM 交-直-交變頻器正是采用了 PWM整流和PWM逆變的兩種特性。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于 亞同步速發(fā)電時(shí),能量從電網(wǎng)通過(guò)變頻器流入電機(jī),網(wǎng)側(cè)變換器處于整流狀態(tài)而 電機(jī)側(cè)變換器處于逆變狀態(tài);當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于超同步

3、速時(shí),能量從電機(jī)通過(guò)變頻器 回饋到電網(wǎng),此時(shí)網(wǎng)側(cè)變換器處于逆變狀態(tài)而電機(jī)側(cè)變換器處于整流狀態(tài)。兩變換器的工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換完全由功率流向決定、自動(dòng)完成。PWM變換器電路可看作由交流回路、功率開(kāi)關(guān)管橋路以及直流回路組成,如圖2.1。其中,交流回路由電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì) e和交流側(cè)電感L組成;功率開(kāi)關(guān)管橋 路依據(jù)電壓型或電流型PWM變換器有所不同;直流回路由負(fù)載電阻 Rl和負(fù)載 電動(dòng)勢(shì)eL組成。當(dāng)不考慮功率開(kāi)關(guān)管的橋路損耗時(shí),交流側(cè)輸入或回饋的功率 和直流側(cè)消耗或產(chǎn)生的功率相平衡,有:i?V=idc?Vdc(2.1)其中:V、i為交流側(cè)電壓、電流;Vdc、idc為直流側(cè)電壓、電流;由式2.1可知,通過(guò)控制交流側(cè)

4、的電壓、電流可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)的控制;反過(guò)來(lái), 通過(guò)直流側(cè)的控制可實(shí)現(xiàn)交流側(cè)的控制。圖2.1 PWM變換器模型電路2.1.1 PWM變換器的四象限運(yùn)行為便于理解PWM變換器的四象限運(yùn)行能力,從變換器穩(wěn)態(tài)條件下的交流側(cè) 矢量關(guān)系來(lái)闡述,如圖2.2。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流矢量I幅值不變時(shí),由|Vl|=況|1|可知, 電感電壓矢量Vl的幅值也不變,電網(wǎng)電壓矢量也可看作不變,則可以得到交流 側(cè)電壓矢量V的軌跡為一個(gè)以電感電壓矢量 Vl的幅值為半徑的圓。PWM整流器可運(yùn)行圓上的任一點(diǎn)而呈現(xiàn)不同的特性。其中有4個(gè)運(yùn)行點(diǎn)最為特殊,它們分 別是純電感特性運(yùn)行點(diǎn), 正阻特性運(yùn)行點(diǎn)、 純電容特性運(yùn)行點(diǎn)以及負(fù)阻特性運(yùn)行 點(diǎn)。當(dāng)運(yùn)行

5、于純電感特性點(diǎn),網(wǎng)側(cè)電壓矢量 E 超前于網(wǎng)側(cè)電流矢量 I 90 度;當(dāng) 運(yùn)行于正阻特性點(diǎn), 網(wǎng)側(cè)電壓矢量 E 與網(wǎng)側(cè)電流矢量 I 同相位;當(dāng)運(yùn)行于純電容 特性點(diǎn),網(wǎng)側(cè)電壓矢量 E 滯后于網(wǎng)側(cè)電流矢量 I 90 度;當(dāng)運(yùn)行于負(fù)阻特性點(diǎn), 網(wǎng)側(cè)電壓矢量 E 與網(wǎng)側(cè)電流矢量 I 相位相反。當(dāng) PWM 變換器處于第一象限運(yùn)行時(shí),網(wǎng)側(cè)電壓矢量 E 滯后網(wǎng)側(cè)電流矢量 I 的角度介于 90 度和 180 度之間,此時(shí) PWM 變換器處于有源逆變狀態(tài),有功功 率和容性無(wú)功功率從直流側(cè)向電網(wǎng)傳輸, 能量回饋到電網(wǎng)上; 當(dāng) PWM 變換器處 于第二象限運(yùn)行時(shí),網(wǎng)側(cè)電壓矢量 E 超前網(wǎng)側(cè)電流矢量 I 的角度介于 9

6、0 度和 1 80 度之間,此時(shí) PWM 變換器仍處于有源逆變狀態(tài),有功功率和感性無(wú)功功率 從直流側(cè)向電網(wǎng)傳輸, 能量回饋到電網(wǎng)上;當(dāng) PWM 變換器處于第三象限運(yùn)行時(shí), 網(wǎng)側(cè)電壓矢量 E 超前網(wǎng)側(cè)電流矢量 I 的角度介于 0 度和 90 度之間,此時(shí) PWM 變換器工作在整流狀態(tài),有功功率和感性無(wú)功功率從直流側(cè)向電網(wǎng)傳輸, PWM 變換器從電網(wǎng)吸收能量; 當(dāng) PWM 變換器處于第四象限運(yùn)行時(shí), 網(wǎng)側(cè)電壓矢量 E 滯后網(wǎng)側(cè)電流矢量 I 的角度介于 0 度和 90 度之間,此時(shí) PWM 變換器工作在整 流狀態(tài),有功功率和容性無(wú)功功率從直流側(cè)向電網(wǎng)傳輸, PWM 變換器從電網(wǎng)吸 收能量;從以上分析

7、可得看出, 通過(guò)控制電網(wǎng)側(cè)電流可以實(shí)現(xiàn) PWM 變換器的四 象限運(yùn)行。圖2.2 PWM變換器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖2.1.1電壓型PWM變換器的基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PWM變換器技術(shù)發(fā)展到今天,已經(jīng)設(shè)計(jì)出了多種 PWM變換器。最基本的 分類方法是根據(jù)直流儲(chǔ)能形式的不同分為電壓型和電流型兩類。電流型PWM整流器因?yàn)樾枰笾绷鲀?chǔ)能電感和交流側(cè) LC濾波環(huán)節(jié)所致使的電流畸變、振蕩的 問(wèn)題,其發(fā)展受到一定的限制。但是隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用, 超導(dǎo)線圈可作為直流儲(chǔ)能電感,電流型PWM整流器也開(kāi)始得到了發(fā)展,尤其是 在超導(dǎo)儲(chǔ)能變流環(huán)節(jié),電流型PWM整流器無(wú)需另加直流電感,并且具有良好的 電流保護(hù)性能,

8、使得它比電壓型 PWM整流器具有更大的優(yōu)勢(shì)。而電壓型 PWM 變換器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,損耗小,控制方便成為研究的熱點(diǎn)。其最顯著的拓?fù)涮卣?就是直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能,使得變換器直流側(cè)呈現(xiàn)低阻抗的電壓源特 性。(直流端接充電電池)電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單相半橋、全橋;三相半橋、全橋和三電平三類。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。接下來(lái)簡(jiǎn)要敘述這幾類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 的工作原理。圖2.3為單相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二者網(wǎng)側(cè) 的機(jī)構(gòu)一樣,由單相電網(wǎng)和輸入電感組成,電感可以濾波網(wǎng)側(cè)電流的諧波。 兩者 的主要區(qū)別在于功率開(kāi)關(guān)管橋路和直流側(cè)電容:半橋變換器采用單橋臂(2個(gè)功率開(kāi)關(guān)管反并二極

9、管)和兩個(gè)串聯(lián)電容,全橋變換器采用雙橋臂(4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管反并)和單個(gè)電容。二者在相同的交流側(cè)電路參數(shù)條件下, 單相半橋變換器比 全橋變換器控制相對(duì)復(fù)雜,因?yàn)榘霕蜃儞Q器直流儲(chǔ)能電容由兩個(gè)電容串聯(lián)組成, 必須保證電容中點(diǎn)點(diǎn)位基本不變,因此需要引入電容均壓控制,而且要取得同樣 網(wǎng)側(cè)電流控制特性,半橋電路直流電壓為全橋電路的兩倍, 這就要求半橋電路的 功率開(kāi)關(guān)管耐壓等級(jí)也比全橋電路高。 但是,半橋電路相對(duì)全橋電路少用兩個(gè)功 率開(kāi)關(guān)管,從成本上較全橋電路有所減少。b)圖2.3 a) , b)分別為單相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.4為三相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三相半橋電路網(wǎng)側(cè)

10、 由三相三線制電網(wǎng)(無(wú)中線)和三相輸入電感組成,功率開(kāi)關(guān)管橋路由三橋臂(6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)管反并二極管)組成。三相全橋電路網(wǎng)側(cè)由三相四線制電網(wǎng)(有中線) 與三相變壓器組成,其功率開(kāi)關(guān)管橋路由六橋臂(12個(gè)功率開(kāi)關(guān)管反并二極管) 組成。三相全橋電路實(shí)質(zhì)為三個(gè)相互獨(dú)立的單相全橋電路并聯(lián)而成,相比于三相半橋電路,其在三相電網(wǎng)不平衡時(shí)的控制性能不會(huì)受到很大影響。但是,三相半橋電路采用的功率開(kāi)關(guān)管為三相全橋電路的一半,這大大降低了系統(tǒng)的成本,所以,三相半橋電路也是最常用的三相電壓型 PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。a)總*俁俁俁P 已_ fcRL1 JM;b)圖2.4 a) , b)分別為三相電壓型PWM變換器半橋、

11、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.5為三相三電平電壓型PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上述單相、三相半橋、 全橋電壓型PWM變換器均屬于二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因?yàn)閷?duì)于交流側(cè)來(lái)說(shuō),開(kāi)關(guān)管 的通斷只會(huì)表現(xiàn)為正、負(fù)直流母線電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí),這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo) 致交流側(cè)電壓的諧波含量增大。而且,在高壓應(yīng)用場(chǎng)合,需要功率開(kāi)關(guān)管的耐壓 等級(jí)很高,而目前高壓級(jí)的功率管也意味著高成本。 三相三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在一定 程度上解決了上述問(wèn)題。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率管橋路在原三相半橋電路的基礎(chǔ)上串聯(lián) 6個(gè)開(kāi)關(guān)管,并采用二極管鉗位,從而使交流側(cè)輸出電壓呈現(xiàn)三電平狀態(tài)。該結(jié) 構(gòu)在改善網(wǎng)側(cè)電流波形的同時(shí)有效地降低了網(wǎng)側(cè)電壓、電流的諧波。更重要的能夠使用于高壓應(yīng)

12、用場(chǎng)合,因?yàn)橹绷髂妇€電壓降落在兩個(gè)串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管上。但是, 所需要的功率開(kāi)關(guān)管也較三相半橋電路增加一倍圖2.5三相三電平電壓型PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.2三相電壓型PWM變換器的數(shù)學(xué)模型為進(jìn)一步分析三相電壓型PWM變換器,本文采用了三相靜止 ABC坐標(biāo)系、 兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)d q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型。三相電壓型 PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.6,由三相電網(wǎng)、網(wǎng)側(cè)三相輸入電感、三相全控功率開(kāi)關(guān)、 直流側(cè)儲(chǔ)能電容和負(fù)載。為方便分析,作如下假設(shè):1. 電網(wǎng)為三相對(duì)稱平衡、波形正弦;2. 網(wǎng)側(cè)三相輸入電感大小及電阻值相等,工作特性為線性,不考慮飽和等因素;3. 功率開(kāi)關(guān)管均為理想元件,即不考慮通斷損耗

13、和過(guò)渡過(guò)程;4. 開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率,且忽略開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間;-Ieeebee-一 -IvbCRl斗VC芒圖2.6三相電壓型PWM變換器電路圖2.2.1三相靜止ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型定義三相電網(wǎng)電壓為Ea、b、c,三相輸入電流ia、b、c,網(wǎng)側(cè)三相輸入電感 為L(zhǎng)s,電感電阻為Rls,直流測(cè)電容值為C ,直流母線電壓為Udc,直流側(cè)電流 為idc,三相電網(wǎng)中點(diǎn)N與直流母線電壓參考點(diǎn)M之間電壓差為UMN,負(fù)載為負(fù) 載RLoad ;同時(shí)定義功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)函數(shù)Sk為:Sk(2.2)1上橋臂導(dǎo)通,下橋臂關(guān)斷0上橋臂關(guān)斷,下橋臂導(dǎo)通(k a,b,c)針對(duì)圖2.6所示的三相電壓型PWM變換器電路,由電

14、壓平衡方程有:UaNUbNUcNdiaEaiaRLsadtdibEbibRLsLsbdtdicEc icRLs Ls 匚7 dt(2.3)其中 U(a、b、c)N U(a、b、c)MUMN ;由開(kāi)關(guān)函數(shù)Sk定義有,當(dāng)Sa、b、c時(shí),上橋臂導(dǎo)通而下橋臂關(guān)斷,有U(a、b、c)M U dc ;當(dāng) sa、b、c0時(shí),上橋臂關(guān)斷而下橋臂導(dǎo)通,有U g、b、c)M 0 ;于是 U(a、b、c)M Udc?sa、b、 c ;將方 程組(2.3)三式相加有:Udc(saSbsc)3UMN (EaEbEc)RL(iaibic)Lsd (舄b 皆)因?yàn)橄到y(tǒng)為三相對(duì)稱平衡系統(tǒng),有Ea Eb Ec 0 , ia i

15、b L 0 ;代入式(2.4) 有:U MN(sasbsc)i i3Udc(2.5)將式(2.5)代入式(2.3),且將三相輸入電流作為狀態(tài)變量有:L dia s dtEaiaRLsUdcsa(sasb3sc)UUdcL dib s dtEbi bRLsU dcsb(sasb3sc)UUdc(2.6)dic Ls c s dtEcicRLsU dcsb(sasb3sc)UUdc在圖2.6中,由于同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管為180度互補(bǔ)導(dǎo)通,所以在任何瞬間三個(gè)橋臂總有三個(gè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,總共8種組合,直流側(cè)電流idc可表示為每種組合下流過(guò)電流的總和:idc iasasb sc ib sasbsc (ia

16、 ib)sasb sc (ia ic)sa sbsc(i b ic)sasbsc(ia ib ic)sasbsc(27)iasa ibsb icsc而直流側(cè)應(yīng)用基爾霍夫電流定律有:CdUiaSa ibSb icSc -Udc(2.8)dtRLoad綜合式(2.6)、(2.8),即得到以三相輸入電流和直流母線電壓為狀態(tài)變量的三相電壓型PWM整流器在三相靜止ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:I dia s dtEaLs業(yè)s dtEciaRLs U dcsai bRLs U dcsbicRLs U dcsb(sa sb3dc& 牝 sc)Udc3Udc(2.9)dtiasaibsbicscUdcRLoad由

17、式(2.9)可以看出,PWM變換器的三相輸入電流ia、b、c均由三相開(kāi)關(guān)函數(shù)Sa、b、C共同控制,因此,三相電壓型 PWM變換器是一個(gè)相互耦合的非線 性時(shí)變系統(tǒng)。222兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型利用Clark變換,可將三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程變換到兩相靜止坐標(biāo)下將三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程2.9)寫(xiě)成矩陣形式有:i diasdTI dibs _dtL dicLss dtCdUdcdtRLssa3 (sasbsc)i a10 0 03ib0100(sa sbSc)i c00103U dc0000(Sa sbsc)SbscEaEb Ec 0RLoad(2.10)sbscClark變換矩陣描述為:C3s 2s2031212.3212丄2 3212(2.11)其逆變換矩陣描述為:C2s 3s C3: 2s112120仝2仝2(2.12)聯(lián)合式(2.10 )、(2.11 )、(2.12)可得兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:LsdidtLsdidtCdUdcdtrLs0si100E0Rlssi010E3 s3 s1Udc000022RLoad(2.13)223兩相同步旋轉(zhuǎn)d q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型利用Park變換,可將兩相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下Park變換矩陣描述為:C2s 2rcos()2sin()31cos(sin(1cos( )32sin( )31(2.14)其逆變換

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