第4章PWM整流器控制技術(shù)

1、 4.1 4.1 引引 言言 4.2 PWM4.2 PWM整流器主電路整流器主電路 4.3 PWM4.3 PWM整流器的控制技術(shù)整流器的控制技術(shù) 4.4 Boost PFC4.4 Boost PFC控制技術(shù)簡(jiǎn)介控制技術(shù)簡(jiǎn)介 4.5 PWM4.5 PWM整流器的主要性能指標(biāo)整流器的主要性能指標(biāo) 4.6 PWM4.6 PWM整流器用于不間斷電源（整流器用于不間斷電源（UPSUPS） 重點(diǎn)和難點(diǎn)4.1 4.1 引引 言言 隨著電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，公用電網(wǎng)或電源系統(tǒng)中的諧波污染也日益嚴(yán)重。其中，整流裝置所占的比例最大。 傳統(tǒng)不可控整流電路有三個(gè)致命的缺陷：l電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量較大； 能量流

2、向只能從交流側(cè)傳遞到直流側(cè)； 輸出直流電壓不可控。 晶閘管構(gòu)成的可控整流電路得到了廣泛的應(yīng)用，依然存在以下幾個(gè)問(wèn)題：l 交流側(cè)輸入電流畸變嚴(yán)重；l 深度相控下交流側(cè)的功率因數(shù)很低；l 由于電網(wǎng)等效內(nèi)阻抗的存在所引起的電網(wǎng)電壓波形畸變；l 直流側(cè)輸出電壓紋波大；l 由相控整流電源構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。 傳統(tǒng)整流裝置的問(wèn)題傳統(tǒng)整流裝置的問(wèn)題諧波污染諧波污染l1984年：SD126-84：電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定；l1993年：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93：電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波）國(guó)內(nèi)外限制諧波的標(biāo)準(zhǔn)：l 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：IEEE519-1992和IEC555-2 電網(wǎng)諧波問(wèn)題解決方案：（1

3、）傳統(tǒng)方法：采用無(wú)源LC濾波器來(lái)抑制諧波。缺點(diǎn)：l 對(duì)諧波補(bǔ)償?shù)男Ч茈娏ο到y(tǒng)阻抗的影響大； 對(duì)于電網(wǎng)頻率偏移和諧波狀況經(jīng)常變化的情況補(bǔ)償效果不好； 連接的其它非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波會(huì)流入LC濾波器，過(guò)負(fù)荷； 電網(wǎng)阻抗和LC濾波器在某些頻率下可能產(chǎn)生串并聯(lián)諧振； 整流裝置的低次諧波成份較多，LC濾波器的容量大、體積大。 因此，對(duì)新型的PWM高頻整流器進(jìn)行分析具有十分重要而迫切的意義。 電網(wǎng)諧波問(wèn)題解決方案：（2）現(xiàn)代解決問(wèn)題的兩條途徑l 采用新型的PWM高頻整流器取代傳統(tǒng)的整流裝置。l 采用新型的有源電力濾波器和靜止無(wú)功發(fā)生器（ASVG）。 lPWM高頻整流器分類：l 中小功率PWM高頻整流器。

4、應(yīng)用在通信電源、計(jì)算機(jī)電源、充電電源等開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中。典型集成控制芯片UC3854； l 中大功率PWM高頻整流器。應(yīng)用在電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)等。 4.2 PWM4.2 PWM整流器主電路整流器主電路 PWM高頻整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原則：在保證系統(tǒng)的性能指標(biāo)的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量，降低總成本，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 根據(jù)輸出特性可以劃分為電壓型和電流型兩種；按電源相數(shù)可劃分為單相半橋、單相全橋和三相全橋電路三種；按橋臂端口輸出電壓電平數(shù)可劃分為二電平和三電平PWM高頻整流器。 目前得到廣泛關(guān)注的是三相二電平電壓型PWM高頻整流器。本節(jié)分析在實(shí)際應(yīng)用中采用的三相PWM高頻

5、整流器主電路結(jié)構(gòu)。 三相全橋電壓型 PWM高頻整流器的主電路 交流側(cè)濾波電感交流側(cè)濾波電感Ls 全橋電路全橋電路 包括：全橋電路、緩沖吸收回路、直流側(cè)濾波電容、均壓電阻、以及電網(wǎng)側(cè)電壓、電流檢測(cè)電路和直流側(cè)電壓檢測(cè)電路 各器件參數(shù)選擇方法保護(hù)措施 在實(shí)際中，一般均設(shè)置有如下保護(hù)：l 電網(wǎng)電壓的過(guò)壓保護(hù)，采用帶回差的保護(hù)；l 電網(wǎng)電壓的欠壓保護(hù)（回差保護(hù)）；l 交流輸入電流的過(guò)流保護(hù)，采用鎖死保護(hù)（關(guān)閉）整流器；l 交流輸入電流的過(guò)載保護(hù)（鎖死保護(hù)）；l 直流側(cè)電壓的欠壓保護(hù)（回差保護(hù)），并且與PWM整流器的軟起動(dòng)保護(hù)聯(lián)鎖去控制軟起動(dòng)電路；l 直流側(cè)電壓的過(guò)壓保護(hù)（鎖死保護(hù)）；l IGBT模塊的

6、過(guò)溫保護(hù)（回差保護(hù)）。電壓型PWM整流控制方式： 移相SPWM控制、空間矢量PWM控制（SVPWM）、滯環(huán)電流控制、斜坡比較控制、間接電流控制、預(yù)測(cè)電流控制等。向全數(shù)字化控制技術(shù)和智能化控制方向發(fā)展PWM高頻整流器控制技術(shù)具有以下幾方面的要求：l 減小交流側(cè)輸入電流的諧波畸變率，交流側(cè)輸入電流的總畸變率低于5%；l 提高交流輸入側(cè)的功率因數(shù)達(dá)到0.98以上；l 提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間；l 降低系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率；l 減小直流側(cè)紋波系數(shù)，減少直流側(cè)濾波器尺寸，減輕重量；l 提高直流側(cè)電壓的利用率。 下面就簡(jiǎn)要地闡述和分析PWM高頻整流器的主要控制方式。 1

7、. 1. 滯環(huán)電流控制方式（滯環(huán)電流控制方式（Hysteresis Current ControlHysteresis Current Control） 三相PWM整流器中每一相的電流控制器使得輸入側(cè)實(shí)際電流與給定電流的誤差約束在滯環(huán)帶中。這種控制方式電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，具有強(qiáng)魯棒性。 （3 3）滯環(huán)電流控制的特點(diǎn)）滯環(huán)電流控制的特點(diǎn) 具有交流側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)接近于1、直流側(cè)電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)； 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性； 電流誤差可以約束在2倍h（滯環(huán)寬度）之內(nèi)； 系統(tǒng)不僅可以工作在PWM高頻整流方式下，而且可以運(yùn)行在再生方式下； 無(wú)論交流側(cè)還是直流側(cè)，諧波含

8、量小，頻譜具有連續(xù)性； 開(kāi)關(guān)頻率隨系統(tǒng)運(yùn)行情況的變化而變化，在電流過(guò)零點(diǎn)處開(kāi)關(guān)頻率最高； 滯環(huán)寬度對(duì)電流畸變率的影響較大，一般有hfsav1 每相橋臂上下開(kāi)關(guān)器件互鎖死區(qū)的加入增大了系統(tǒng)對(duì)電流控制的失控率，使得交流輸入電流波形變差，諧波成份增大，但它對(duì)電流畸變率的影響不如滯環(huán)寬度變化造成的明顯； 交流側(cè)濾波電感值的變化不僅影響開(kāi)關(guān)頻率，而且影響電流的畸變率 直流側(cè)支撐電容器值的增大雖然減小了直流側(cè)電壓紋波，但是同時(shí)也大大降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 v （3 3）滯環(huán)電流控制的特點(diǎn)）滯環(huán)電流控制的特點(diǎn) （4 4）滯環(huán)電流控制的缺陷）滯環(huán)電流控制的缺陷l 由于每相電流控制器沒(méi)有直接的聯(lián)系，必然存在

9、非優(yōu)化的開(kāi)關(guān)過(guò)程，在低調(diào)制度時(shí)會(huì)造成開(kāi)關(guān)頻率很高；l 由于相間實(shí)際存在的相互影響，誤差經(jīng)常超出滯環(huán)帶；l 開(kāi)關(guān)頻率不固定，它受電路參數(shù)、負(fù)載情況及滯環(huán)寬度等因素的制約；l 諧波電流頻譜隨機(jī)分布，這給交流側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。 針對(duì)前兩個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)（d，q）坐標(biāo)系下的滯環(huán)電流控制或空間矢量PWM控制予以解決；針對(duì)后兩個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)斜坡比較控制和空間矢量PWM控制加以解決。 2. 2. 斜坡比較控制方式（斜坡比較控制方式（Ramp Comparision ControlRamp Comparision Control） 這種控制方式仍然存在兩個(gè)缺點(diǎn)： 盡管使用PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)電流誤差依然

10、存在，由于反饋電流中含有豐富的諧波，故PI環(huán)節(jié)的比例系數(shù)不能取值太大； 電流本身的畸變會(huì)通過(guò)反饋通道得到放大，從而對(duì)開(kāi)關(guān)序列造成負(fù)面影響。3. 3. 電壓空間矢量電壓空間矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM） 基本控制原理:在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中，用相鄰的兩個(gè)有效電壓開(kāi)關(guān)矢量的平均值等效三相電壓合成矢量的給定值，同時(shí)對(duì)稱地插入零矢量作用時(shí)間。 由于這種控制方式的直流側(cè)電壓的利用率高（可達(dá)到1.0，比滯環(huán)電流控制提高了15%），開(kāi)關(guān)頻率固定，便于全數(shù)字化處理，因而非常適用于DSP數(shù)字控制系統(tǒng)中。 （1 1）開(kāi)關(guān)頻率）開(kāi)關(guān)頻率 開(kāi)關(guān)頻率的增大一方面增加了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗，另一方面開(kāi)關(guān)周期的減小勢(shì)必需

11、要提高DSP的運(yùn)算速度。顯然，僅僅依靠提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小電流的畸變率不是一條好的途徑。 （2 2）電壓空間矢量）電壓空間矢量PWMPWM控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn) 具有容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交流側(cè)線電流正弦化、輸入功率因數(shù)為1、直流側(cè)輸出電壓紋波小以及直流側(cè)電壓的利用率高等優(yōu)點(diǎn)； 和滯環(huán)電流控制相比，在同樣的交流側(cè)線電流總畸變率要求下，電壓空間矢量PWM控制的開(kāi)關(guān)頻率大大減??； 能夠有效地優(yōu)化開(kāi)關(guān)序列，降低系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的效率； 由于開(kāi)關(guān)頻率固定，交流側(cè)濾波電感容易設(shè)計(jì)； 采用DSP數(shù)字控制方案后實(shí)現(xiàn)極為容易。 4.4 Boost PFC4.4 Boost PFC控制技術(shù)簡(jiǎn)介控制技術(shù)簡(jiǎn)介 lBoos

12、t PFC 電路按輸出特性可以分為電壓型和電流型兩種；按電源相數(shù)可劃分為單相PFC和三相PFC兩種；按控制方式可劃分為直接電流控制方式和電壓間接控制方式。l典型控制器件：Unitrode公司PFC集成控制芯片UC3854/2854/1854。l目前應(yīng)用最多的平均電流控制的Boost PFC單相（電壓型）整流電路。具備輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、交流輸入電壓范圍寬、動(dòng)態(tài)性能良好等等優(yōu)點(diǎn)。 保持輸保持輸出電壓出電壓儲(chǔ)存電能儲(chǔ)存電能典型典型Boost Chopper結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1. 1. 實(shí)際應(yīng)用主電路結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用主電路結(jié)構(gòu)主電路包括直流側(cè)平波電感LA（又稱Boost電感）、單相不可控整

13、流電路、IGBT回路、緩沖吸收回路、高頻整流二極管、直流側(cè)濾波電容、均壓電阻、以及電網(wǎng)側(cè)電壓、電流檢測(cè)電路和直流側(cè)電壓檢測(cè)電路等部分。 各類器件選擇各類器件選擇保護(hù)措施 在Boost PFC 單相整流器中還必須設(shè)置一些必要的保護(hù)措施 ：l 電網(wǎng)電壓的過(guò)壓保護(hù)，采用帶回差的保護(hù)；l 電網(wǎng)電壓的欠壓保護(hù)（回差保護(hù)）；l 交流輸入電流的過(guò)流保護(hù)，采用鎖死保護(hù)（關(guān)閉）整流器；l 交流輸入電流的過(guò)載保護(hù)（鎖死保護(hù)）；l 直流側(cè)電壓的欠壓保護(hù)（回差保護(hù)），并且與PWM整流器的軟起動(dòng)保護(hù)聯(lián)鎖去控制軟起動(dòng)電路；l 直流側(cè)電壓的過(guò)壓保護(hù)（鎖死保護(hù)）；l IGBT模塊的過(guò)溫保護(hù)（回差保護(hù)）。2. 2. 控制結(jié)構(gòu)控

14、制結(jié)構(gòu)目前，UC3854A/B集成控制芯片可以達(dá)到的最佳控制效果為： 電網(wǎng)輸入電流的諧波畸變率控制在5%以下； 電網(wǎng)輸入功率因數(shù)控制在0.95以上，最好可達(dá)到0.99。 3. Boost PFC 3. Boost PFC 控制技術(shù)的特點(diǎn)控制技術(shù)的特點(diǎn) 具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、交流輸入電壓范圍寬、動(dòng)態(tài)性能具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、交流輸入電壓范圍寬、動(dòng)態(tài)性能良好等等優(yōu)點(diǎn)；良好等等優(yōu)點(diǎn)； 對(duì)單相電網(wǎng)輸入電流的補(bǔ)償效果好，但是嚴(yán)重依賴于電網(wǎng)對(duì)單相電網(wǎng)輸入電流的補(bǔ)償效果好，但是嚴(yán)重依賴于電網(wǎng)電壓的波形質(zhì)量，也就是說(shuō)對(duì)電網(wǎng)電壓波形的適應(yīng)性差；電壓的波形質(zhì)量，也就是說(shuō)對(duì)電網(wǎng)電壓波形的適應(yīng)性差； 直流平波電感的設(shè)

15、計(jì)應(yīng)該以控制其溫升為目標(biāo)，以提高其直流平波電感的設(shè)計(jì)應(yīng)該以控制其溫升為目標(biāo)，以提高其使用壽命；使用壽命； QA QA（IGBTIGBT器件）回路中應(yīng)適當(dāng)?shù)卮胍粋€(gè)限流電阻或飽和器件）回路中應(yīng)適當(dāng)?shù)卮胍粋€(gè)限流電阻或飽和電感（圖電感（圖4-54-5中的中的RQRQ或或LQLQ），以降低），以降低IGBTIGBT器件的損壞率；器件的損壞率； 高頻整流二極管高頻整流二極管DADA采用快恢復(fù)二極管，以縮短反向恢復(fù)時(shí)采用快恢復(fù)二極管，以縮短反向恢復(fù)時(shí)間，減小器件的損耗；間，減小器件的損耗； 直流側(cè)濾波用電解電容器的容量太大，在實(shí)際產(chǎn)品中有的直流側(cè)濾波用電解電容器的容量太大，在實(shí)際產(chǎn)品中有的竟然采用竟然采

16、用30 p.u.30 p.u.的取值，比三相的取值，比三相PWMPWM整流器的直流側(cè)電解電容整流器的直流側(cè)電解電容器取值（器取值（4.0 p.u.4.0 p.u.）大得太多；）大得太多； 能量只能單方向流動(dòng)，即只能從電網(wǎng)流向能量只能單方向流動(dòng)，即只能從電網(wǎng)流向負(fù)載。負(fù)載。4.5 PWM4.5 PWM整流器的主要性能指標(biāo)整流器的主要性能指標(biāo)1. 1. 直流側(cè)電壓的利用率直流側(cè)電壓的利用率uk 2. 2. 紋波系數(shù)紋波系數(shù)RFRF（Ripple Ripple factorfactor） 3. 3. 輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)PFPF（Power factorPower factor） 4. 4. 對(duì)

17、三相不平衡電網(wǎng)電壓的適應(yīng)能力對(duì)三相不平衡電網(wǎng)電壓的適應(yīng)能力 三相線電流幅值差1%3%（帶100%的直流負(fù)載）； 三相線電流相位移差12（帶100%的直流負(fù)載）。 5. 5. 電網(wǎng)電壓允許的頻率變化范圍電網(wǎng)電壓允許的頻率變化范圍典型值為50Hz5%，而PWM整流器在有些UPS產(chǎn)品的應(yīng)用中，如美國(guó)Liebert公司生產(chǎn)的GXT系列在線式UPS產(chǎn)品（0.75kVA），其允許的電網(wǎng)頻率變化范圍可達(dá)到4565Hz。 6. 6. 輸入電流諧波畸變率輸入電流諧波畸變率( (Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion) ) 輸入電流諧波有效值為 其中，

18、 為輸入電流的基波分量， 不僅與PWM整流器的PWM控制方式有關(guān)，而且還與負(fù)載的阻抗有關(guān)。 電流諧波畸變率 其中， 、 分別為基波電流和n次諧波電流的有效值。 4.6 PWM4.6 PWM整流器用于整流器用于UPSUPS近年來(lái)，Boost PFC單相整流技術(shù)被運(yùn)用到中型功率（1060kVA）和小型功率（15kVA）不間斷電源（UPS）產(chǎn)品中。采用這種整流技術(shù)后，可以將UPS的輸入功率因數(shù)提高到0.98，同時(shí)控制其輸入電流畸變率低于35%。下面以美國(guó)Liebert公司生產(chǎn)的GXT系列在線式UPS產(chǎn)品（0.75kVA）為例，具體說(shuō)明采用Boost PFC單相整流技術(shù)后UPS產(chǎn)品的輸入特性。 輸入功率因數(shù)提高到0