單相PWM整流器主電路參數(shù)選擇探討_唐麗麗

1、文章編號:1000-1506(200004-0098-05單相PWM 整流器主電路參數(shù)選擇探討唐麗麗,鄭瓊林(北方交通大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,北京100044摘要:分析并給出了單相P WM 整流器交、直流側(cè)濾波參數(shù)的選擇方法,并對功率因數(shù)為1和功率因數(shù)不為1且直流側(cè)電壓低于交流側(cè)網(wǎng)壓峰值的兩種工況進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明參數(shù)選擇是正確的,并且當(dāng)直流輸出電壓低于網(wǎng)壓峰值時,交流電流仍可控.關(guān)鍵詞:PW M 整流器;單位功率因數(shù);仿真中圖分類號:T M 461.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AResearch on Main Circuit Parameters Selectionof Single -Phase

2、 PWM RectifierTANG Li -li ,ZH ENG Qiong -lin(C ollege of M echanical and El ectrical Engineering ,Northern Jiaotong University ,Beijing 100044,China A bstract :A selection method fo r AC and DC filter parameters of single phase PWM rec -tifier is analyzed and given .Simulation has been done for unit

3、y and non -unity powerfactor w ith DC voltage higher than AC peak voltage .The results have show n the pa -rameter selecting method is effective and the AC current can also be controlled w hen DCvoltage is hig her than AC peak voltage .Key words :PWM rectifier ;unity pow er facto r ;simulationPWM 變流

4、器既可用作功率因數(shù)為1的AC /DC 整流器,為負(fù)載提供直流電能;又可用作輸出頻率可變的DC /AC 逆變器,構(gòu)成交流調(diào)速系統(tǒng);還可作為無功諧波補償器,改善系統(tǒng)功率因數(shù).電壓型PWM 整流器的功能特點是交流側(cè)電流可實時的跟蹤指令信號的變化,且直流側(cè)電壓穩(wěn)定可調(diào).電力機(jī)車牽引系統(tǒng)采用長距離單相供電,如果采用單相PWM 變流器作為整流器不僅能提高電能利用率,并且能改善電網(wǎng)供電質(zhì)量.但一些教材1,2中只是定性的分析PWM 變流器的原理,而實際應(yīng)用中需要的參數(shù)選擇方法卻很少介紹,一些工程技術(shù)人員也是根據(jù)經(jīng)驗選擇電路參數(shù).針對這種情況,作者參考開關(guān)電源參數(shù)選擇方法3對單相PWM 整流器參數(shù)選擇進(jìn)行推導(dǎo),

5、且所得結(jié)論稍加變化即可適用于三相PWM 變流電路.最后本文就單相PWM 整流器的參數(shù)選擇和兩種運行工況進(jìn)行了仿真研究.收稿日期:2000-03-02作者簡介:唐麗麗(1975,女,吉林梨樹人,碩士生.email :tllygo sina .com .cm2000年8月第24卷第4期北方交通大學(xué)學(xué)報JOU RNA L OF NO RT HERN JIA OT ON G U N IV ERSI T Y Aug .2000Vo l .24N o .41主電路原理與系統(tǒng)控制方案單相PWM 整流器電路及相量圖如圖1所示.由理論分析知,單相PWM 整流器直流側(cè)電流存在二次脈動,所以采用二次串聯(lián)諧振濾波器進(jìn)

6、行濾波.由圖1(a 知,當(dāng)交流側(cè)電流與網(wǎng)壓同相時,交流側(cè)輸入電壓基波有效值U i 一定大于網(wǎng)壓有效值U s .而由圖1(b 知,控制電流i s 滯后于u s 一個角度,PWM 整流器仍處于整流工況,而U i 可能小于U s ,但此種情況下,系統(tǒng)功率因數(shù)降低 .(a 原理圖(b 相量圖圖1單相PWM 整流器電路控制系統(tǒng)采用改進(jìn)周期平均模型控制方案4.該方案克服了常用滯環(huán)方法5開關(guān)頻率不固定的缺陷,且動態(tài)響應(yīng)速度快.其控制過程如下:直流電壓輸出值U d 與其設(shè)定值U *d 的差值,即穩(wěn)態(tài)誤差通過PI 調(diào)節(jié)器后與同步信號相乘得到交流輸入電流的參考值i *s ,i *s 與交流輸入電流的差值通過比例放

7、大器后得到電感L s 上電壓u L ,向量 U L 與 U s 的差即為交流輸入側(cè)電壓相量 U i ,u i 再與一定頻率的三角波比較輸出PWM 波控制器件的通斷,從而實現(xiàn)閉環(huán)控制.2電路主要參數(shù)選擇2.1交流側(cè)濾波電感的選擇由于控制方案對電感參數(shù)選擇有一定的影響,所以分單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種情況對電感參數(shù)選擇進(jìn)行研究.(1單極性調(diào)制方案濾波電感L s 的大小一方面對輸入電流的開關(guān)紋波有影響,另一方面也影響著實際電流的跟蹤速度.此參數(shù)的選擇直接影響系統(tǒng)的工作性能.直流側(cè)電壓選定后,交流側(cè)電感設(shè)計對電源電流波形影響較大.忽略交流回路電阻可得變流器的工作方程為d i s d t =u s -u

8、 i L s ,其增量式為i s =T 0u s -u i L s,其中T 0為開關(guān)器件的開通或關(guān)斷時間.實際電流在跟蹤參考電流過程中,每個控制周期中電流波動的幅值應(yīng)滿足電流波動的最大峰值的要求,考慮最壞的工作情況是在相電壓峰值附近,有i 1=U sm t on1L s ,i 2=(U d -U sm t off1L s (1式中U sm 為相電壓峰值,t on1為電流峰值附近器件的開通時間,t o ff1為電流峰值附近器件的關(guān)斷時間.99第4期唐麗麗等:單相PWM 整流器主電路參數(shù)選擇探討又因i 1i sm ,i 2i sm ,故L s U sm t o n1/i sm .其中i sm 為交

9、流電流變化最大值.推導(dǎo)可知:U i 1=U im cos =U sm ,其中U i 1為u i 在電流峰值處幅值.由t off1=U i1T s U d =U sm T s U d ,有t on1=U d -U sm U dT s ,其中T s 為開關(guān)周期.由推導(dǎo)可知L s (U d -U sm t off1i sm,將t off1代入上式可得L s U sm (U d -U sm T si sm U d (2可見,在電流峰值附近,由開通或關(guān)斷時間推導(dǎo)出的電感下限值相同.L s 取值的大小,影響著實際電流的跟蹤速度.L s 的取值應(yīng)使實際電流能跟上所需電流的最大變化率.顯然,在所需電流過零附近

10、,電流變化率最大.因而,可得到下面的條件i s U d L s t o n2I sm sin (T s ,式中I sm 為交流電流基波峰值,t on2為器件在電流過零點時開通時間,為電源電流角頻率.由此推出L s U d t on2I sm sin (t .而當(dāng)f s 2kHz 時,可認(rèn)為sin (T s T s ,從而得L s U d I sm (3(2雙極性調(diào)制方案對雙極性調(diào)制方案,交流側(cè)輸入電壓U i 在器件T 1、T 4導(dǎo)通時為+U d ,在T 2、T 3導(dǎo)通時為-U d .則有i 1=(U sm +U d t 23L s ,i 2=U d +U sm t 14L s,且有i 1i s

11、m ,i 2i sm ,從而有L s (U d +U sm t 23i sm ,L s (U d -U sm t 14i sm (4式中t 23為器件T 2、T 3導(dǎo)通時間,t 14為器件T 1、T 4導(dǎo)通時間.已知電流峰值處有U i2=U sm ,其中U i2為u i 在電流峰值處幅值,則有(t 14-t 23U d =T s U sm ,而t 23=T s -t 14,故t 14=(U d +U sm T s 2U d ,t 23=(U d -U sm T s 2U d將t 23、t 14的值代入式(4得L s (U 2d -U 2sm T s 2i sm U d (5在電流過零附近電流變

12、化率最大,即i 1-i 2U d t 23L s -U d t 14L sI sm sin (T s ,則交流側(cè)電感的上限取值L s U d (T s -2t 14I smsin (T s U d T s I sm sin (t ,而當(dāng)開關(guān)頻率f s 2kHz 時,可認(rèn)為sin (t T s ,則上式化為:L s U d I sm (6100北方交通大學(xué)學(xué)報第24卷2.2直流側(cè)二次濾波器的選擇單相橋式PWM 變流器直流輸出電壓除直流成分外,還含有二次諧波成分5,6,為使輸出電壓更平直,系統(tǒng)采用一電感電容串聯(lián)諧振濾波器濾除二次諧波.則有2=1/L 2C 2,電感L 2上電流i d2=U s I

13、s U dsin (2t =I d2m sin (2t ,其中I d2,ma x 為二次諧波電流最大值.電容C 2上的電壓峰值為U C2,m ax =U d +I d2,max 2C 2,則有C 2I d2,max 2(U C2,max -U d (7根據(jù)經(jīng)驗取U C2,max =1.1U d ,代入式(7中得C 2700F .取C 2=800F ,則L 2=3.2mH .2.3直流側(cè)支撐電容的選擇在脈沖整流器的設(shè)計中,直流側(cè)濾波電容的選取也是一個關(guān)鍵性問題.由于直流側(cè)已加二次濾波環(huán)節(jié),則直流支撐電容C d 主要由交流電感儲能變化決定.由能量守恒定律知,交流側(cè)開關(guān)頻率次電流脈動能量最大值等于支

14、撐電容上能量脈動最大值,即12L s I sm +12i sm 2-12L s I sm -12i sm 2=12C d U d +12U dm 2-12C d U d -12U dm 2,從而得到C d L s r i I 2sm r v U dm(8式中r i 為電源電流紋波系數(shù),r v 為直流電壓紋波系數(shù).3PWM 變流器參數(shù)設(shè)計舉例及仿真結(jié)果3.1參數(shù)設(shè)計舉例設(shè)交流側(cè):f =50Hz ,U s =220V ,I s =50A ,r i 100%;直流側(cè):U d =500V ,r v 1%,f s =20kHz .則對單極性調(diào)制,由式(2、式(3得1.17mH L s 22.5mH ;而

15、對雙極性調(diào)制,由式(5、式(6得1.083mH L s 22.5mH ,所以取:L s =2mH ,適合單極性及雙極性調(diào)制兩種方案.由式(8得C d 200F ,綜合考慮后取C d =470F .3.2仿真結(jié)果用Saber 對系統(tǒng)在不同工況下的運行情況進(jìn)行仿真,驗證其參數(shù)選擇的正確性.(1功率因數(shù)為1的工況取3.1節(jié)中所選參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,控制PWM 波的產(chǎn)生,使功率因數(shù)為1.仿真波形如圖2示.可見,此種工況下,直流輸出電壓較平緩,其上波動是阻性負(fù)載情況下電容充放電的結(jié)果.且由仿真結(jié)果知,二次諧波電流均流過二次濾波器,達(dá)到較好的濾波效果.而交流側(cè)輸入電流與網(wǎng)壓同相,功率因數(shù)為1,說明參數(shù)

16、選擇是正確的.(2功率因數(shù)不為1的工況控制直流側(cè)輸出電壓低于交流側(cè)網(wǎng)壓峰值,驗證其輸入電流仍是可控的.控制直流側(cè)輸出電壓U d =300V ,交流側(cè)電流I s =100A ,則由上述公式計算得:L s =2mH ,C d =9400F ,功率因數(shù)角=36°,濾波器參數(shù)為:L 2=0.63mH ,C 2=4000F .仿真波形如圖3示.可見,輸出電壓在100ms 之后便達(dá)到設(shè)定值,且輸出脈動很小.由此可知,輸入系統(tǒng)的無功電流也被二次濾波器濾掉,系統(tǒng)功率因數(shù)小于1.101第4期唐麗麗等:單相PWM 整流器主電路參數(shù)選擇探討 (a 直流電壓(b 交流電壓與電流圖2功率因數(shù)為1 時的波形圖(a 直流電壓(b 交流電壓與電流圖3功率因數(shù)不為1時的波形圖4結(jié)論由仿真結(jié)果可知,本文給出的單相PWM 脈沖整流器的參數(shù)選擇方案是可行的.利用單相PWM 脈沖整流器,可使得象電力機(jī)車等單相負(fù)載的輸入功率因數(shù)為1,此時直流側(cè)輸出電壓高于交流輸入側(cè)電壓的峰值.也可利用它控制交流側(cè)電流為正弦波,且相位滯后于網(wǎng)壓一個角度,使直流側(cè)輸出電壓低于交流側(cè)電壓,顯然,這一工況可降低系統(tǒng)的功率因數(shù).參考文獻(xiàn):1邵丙衡.電力電子技術(shù)M .北京:中國鐵道出版社