三相PWM整流器非升降壓拓撲結構下調壓范圍的拓寬*

向 東 曾啟帆 于 飛

(海軍工程大學電氣工程系 武漢 430033)

?

三相PWM整流器非升降壓拓撲結構下調壓范圍的拓寬*

向 東 曾啟帆 于 飛

(海軍工程大學電氣工程系 武漢 430033)

傳統的三相兩電平PWM整流器主電路拓撲是一種升壓結構,致使輸出電壓最小穩壓值較高,制約了整流器的應用。論文通過對交流側穩態相量關系、功率守恒等進行分析,探討了影響輸出電壓大小的因素。給出了整流器在不改變拓撲結構的情況下,通過改變交流側的功率因數達到降低輸出電壓的最小穩壓值的方法及其效果分析。仿真和實驗證明了分析的正確性和可靠性。

PWM整流器; 調壓范圍拓寬; 功率因數

Class Number TP391

1 引言

三相PWM整流器多采用圖1所示的電路拓撲結構,這種結構采用三相兩電平電壓型整流電路,交流側采用簡單的電感L濾波器[1～4]。此結構模型轉換到兩相旋轉dq坐標系,在單位功率因數情況下,可近似成一個Boost型直流升壓電路[5]。為了拓寬三相PWM整流器的輸出電壓范圍,有的學者通過改進電路拓撲結構,添加若干電容電感元件,將其升壓結構改成了升降壓結構[6]。有的學者則在整流器的后端增加一個buck電路以實現輸出電壓范圍的拓寬[7]。這些方法增加了電路元器件,提高了成本,也導致了控制算法更加復雜。本文從穩態相量關系以及功率守恒等方面進行分析,探討在不改變拓撲結構即非升降壓拓撲結構的情況下,通過降低功率因數來實現整流器直流側電壓輸出范圍的拓寬方法。試圖為成本較低,有寬電壓輸出范圍的應用需求的整流器設計提供參考。

2 影響整流器直流側電壓值的因素

為了探究在不改變拓撲結構的情況下,直流側電壓輸出范圍的拓寬,需對影響直流側電壓值的因素進行分析。所以,首先要推導直流側電壓值與其影響因素的關系式。

根據功率守恒定律,忽略交流側電阻的損耗,有:

(1)

圖1 三相PWM整流器的常見拓撲結構

設交流側某相電壓U與直流側電壓Udc有以下關系:

U=dmUdc

(2)

dm是IGBT驅動信號開關函數的基波幅值,其大小可通過改變驅動信號即PWM波的占空比加以控制。

圖2 交流側穩態相量關系圖

當整流器穩態運行時,其交流側的各個量之間有如圖2的關系,因為是三相PWM整流器,E、U、I可看作其A相的電網電壓、交流側電壓、交流側電流[8]。由其相量關系可知,U的大小及其與電源電壓E的夾角θ被看作是可控的,適當控制這兩個值,就可以控制交流側電流I的大小和相位,從而控制整流器輸入功率的大小,最終達到控制直流側輸出電壓、功率因數角φ的目的。對圖2各相量進行分解,有:

(3)

結合式(1)～式(3),整理可得:

(4)

根據上式可求得:

(5)

(6)

據式(6),可列出任意功率因數角下,Udc與dm的關系圖。取E為220V,RL為100Ω,以功率因數角為x軸,dm為y軸,Udc為z軸,它們間的關系圖如圖3所示。

圖3 直流側電壓與功率因數角和dm的關系

分析關系圖的數據,以dm為變量,限定其在0.1～0.577之間,取每個功率因數角下的直流側電壓的最小值,即可得到在不同下整流系統直流側電壓的最小穩壓值。如圖4。

圖4 直流側電壓的最小穩壓值

令φ=0.9,作Udc與dm的關系圖如圖5所示。

由圖5可知,在固定角度φ=0.9時,dm越大,Udc越小,所以要實現Udc范圍的拓寬,在這個角度下應使dm盡量接近最大值0.577。

3 仿真分析

圖5 φ=0.9時Udc與dm的關系圖

圖6 功率因數可調的雙閉環控制仿真模型

圖時的直流側電壓

圖時的交流側測量值

圖時的直流側電壓

圖時的交流側測量值

圖時的直流側電壓

圖時的交流側測量值

圖時的直流側電壓

圖時的交流側測量值

4 實驗驗證

試驗樣機的主電路中IGBT采用TOSHIBA公司的MG180V2YS40,試驗的電流波形由LT208-S7傳感器采集,電壓波形由LV28-P傳感器采集。試驗的控制器硬件采用NI公司的CompactRIO控制器,其控制程序由Labview語言編寫在CompactRIO內置的FPGA中。試驗的參數如表1所示。

1) 試驗采用電壓電流雙閉環控制,按上節所述參數,系統進入穩態時,得到試驗結果如圖15所示。

表1 基本試驗參數

從上圖可以看出,穩態運行時直流側電壓保持穩定,A相交流側電流正弦化且功率因數接近1,基本達到了PWM整流的控制目的。

圖16 φ*=0.9時的直流側調壓控制的試驗波形

當E=50V,φ*=0.9時,直流側電壓最低可調壓到70V。按第2節分析,此時的直流側最小穩壓值應為79V。由于實際穩定的φ值比0.9稍大,所以調壓值也比理論值偏低。

5 結語

在非升降壓電路拓撲結構下,系統通過改變功率因數,可實現直流側調壓范圍的小幅度拓寬?？紤]船舶電力系統等獨立系統,整流器功率因數在特殊情況下可令功率因數稍微降低,此種情況下上述方法有一定的參考價值。

[1] 伍小杰,羅悅華,喬樹通.三相電壓型PWM整流器控制技術綜述[J].電工技術學報,2005,20(12):7-12.

[2] 伍旭鵬.三相電壓型PWM整流器的研究[D].長沙:湖南大學,2009:45-49.

[3] 朱俊杰,王輝,周凱.三相PWM高功率因數整流器控制技術綜述[J].湖南工程學院學報,2004,14(3):19-22.

[4] Vladimir B, Vikraam K. A new mathematic model and control of a three-phase ac-dc voltage source converter[J]. IEEE Trans. On Power Electron,1997,12(1):116-122.

[5] Bo Yin, Ramesh Oruganti, Sanjib Kumar Panda. A Simple Single-Input-Single-Output(SISO) Model for a Three-Phase PWM Rectifier[J]. IEEE Transactions On Power Electronics,2009,24(3):620-630.

[6] Chen J Y, Pan C T, Huang Y S. Modeling of a three-phase step up/down AC/DC converter[J]. Asia Journal of Control,1999,1(1):58-65.

[7] 任增田.基于PWM整流技術的充放電系統研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學碩士學位論文,2012:34-37.

[8] 武志賢,蔡麗娟,湯酉元.三相高功率因數整流器的研究現狀及展望[J].電氣傳動,2005,35(2):3-7.

[9] 張興,張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:機械工業出版社,2003:125-128.

[10] 陳國呈.PWM逆變技術及應用[M].北京:中國電力出版社,2007:82-88.

參考文獻著錄規則

一.總要求

為了幫助向本刊投稿的作者按規范著錄參考文獻,現將常見類型文獻的著錄格式作如下要求。

本刊要求雙語參考文獻,所有的中文參考文獻均需附英文譯文,示例如下:

示例1:

[1] 焦李成,杜海峰,等．免疫優化計算、學習與識別[M].北京:科學出版社,2006． JIAO Licheng, DU Haifeng, et al Immune optimization calculation 、Learning and Recognition [M]. Beijing: Science Pres,2006．

[2] 李詩靈,陳寧,趙學彧．基于粒子群算法的城市軌道交通接運公交規劃[J]．武漢理工大學學報(交通工程與科學版)2010,34(4)780-783． LI Shiling, CHEN Ning, ZHAO Xueyu． Planning of Feder Bus to the Urban Rail Transit Based on Particle Swarm Optimization[J]． Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Enginering),2010,34(4):780-783．

參考文獻中的責任者采用姓前名后的著錄形式。歐美著者的名可縮寫,姓大寫,姓和縮寫的名之間不可用“.”隔開,而是用空格。如用中譯名,可以只著錄其姓。如原文中作者為“P．S．昂溫”則在本刊要求中應寫成“昂溫 P S”,Albert Einstein Seny應寫成EINSTEIN A S。

參考文獻的責任者之間用“,”分隔。不超過3個時,全部照錄。超過3個時,只著錄前3個責任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜體。

示例2:馬克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.圖書和期刊的著錄格式

◆ 普通圖書(原著): [序號]著者．書名[M]．版本(第1版不著錄)．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [3]余敏．出版集團研究[M]．北京:中國書籍出版社,2001:179-193． [4]中國社會科學院語言研究所詞典編輯室．現代漢語詞典[M]．修訂本．北京:商務印書館,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通圖書(譯著): [序號]著者．書名[M]．譯者,譯．版本．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [6]AGRAWAL G P． 非線性光纖光學[M]．胡國絳,黃超,譯．天津:天津大學出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科學與工藝學原理[M]．李慶龍,譯．2版．北京:中國食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序號]著者.題名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文頁碼． [8]蔣超,張沛,張永軍,等．基于SRLG不相關的共享通路保護算法[J]．光通信技術,2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(無卷) [序號]著者.題名[J]．刊名,出版年份(期):引文頁碼． [10]周可,馮丹,王芳,等．網絡磁盤陣列流水調度研究[J]．計算機學報,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.電子文獻的著錄格式

◆ 電子文獻: [序號]主要責任者．題名:其他題名信息[文獻類型標志/文獻載體標志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．獲取和訪問路徑． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]蕭鈺．出版業信息化邁入快車道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.學位論文與論文集的著錄格式

◆ 學位論文: [序號]著者．題名[D]．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [13]孫玉文．漢語變調構詞研究[D]．北京:北京大學文學院,2000．

◆ 論文集: [序號]著者．題名[C]//著者．專題名:其他題名．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [14]白書龍．植物開花研究[C]//李承森．植物科學進展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Wide Range Voltage Regulating for Three-phase PWM Rectifier with Non Up-down Topology

XIANG Dong ZENG Qifan YU Fei

(Department of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The traditional main circuit topology of three-phase two-level PWM rectifier is a boost structure, which results in high output voltage minimum value and restricts its applications. In this paper, the influence factors of the output voltage value is discussed based on the analysis of steady state phasor relationship of the AC side, power conservation relationship, etc. The method of reducing the output voltage minimum value without changing the topology is given. This method achieved by changing the AC side power factor. Simulation and experiments prove the correctness and reliability of the analysis.

PWM rectifier, the broadening of adjustable voltage range, power factor

2015年3月4日,

2015年4月27日

向東,男,碩士,副教授,研究方向:電力電子與電力傳動。曾啟帆,男,博士研究生,研究方向:電力電子與電力傳動。于飛,男,博士,副教授,研究方向:電力電子與電力傳動。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.047