三相电压型PWM整流器及控制

PWM整流器的优点PWM整流器的拓扑结构PWM整流器的应用领域PWM整流器的工作原理PWM整流器的控制PWM整流器主电路参数选择PWM整流器控制系统的实现1.PWM整流器的优点普通交－直－交变频调速系统CfARU~INUAC电源AC负载CfARU~INUAC电源AC负载R0V0缺点：一，由于二极管的单向导电性能，能量只能单相传输，电机制动的再生能量无法回馈给电网，四象限运行时需加制动回路。二，网侧电流波形严重畸变，造成电网功率因数较低，由于整流采用二极管整流，因此，最高功率因数大约为0.9左右。a)不带制动回路的情况b）带制动回路的情况图1普通交-直-交变频器结构图传统的相控整流器虽然应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用，但仍然存在很多问题:晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。深控时网侧功率因数降低。闭环控制时动态响应相对较慢。二极管整流器改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流；它的不足还在于其直流电压的不可控性。CfARU~INUAC电源AC负载双PWM交－直－交变频调速系统对于功率因数很低的整流器，有两种改进方法：最直接的方法是采用无功补偿和消除谐波的滤波器，然而这是一种事后补救的办法。更为积极有效的方法是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数整流器。PWM整流器就是一种高功率因数的整流器。图2双PWM结构交直交变频器PWM整流器用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。把逆变电路中的PWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。它的优势在于：对交流电源侧，通过适当控制，可以使电网电流波形接近于正弦，且和输入电压同相位，电网功率因数接近于1，实现单位功率因数，最大程度地提高电网的经济效益，减少电网对周围环境的电磁污染；对直流侧，在电网电压或负载发生变化时，能够维持直流中间电压的稳定，给电源侧逆变器提供良好的工作条件；可以实现牵引与再生制动工况间快速平滑地转换，实现电能双向传输；动态控制响应较快。2、PWM整流器的拓扑结构按主电路结构电压源型(VSR)电流源型(ISR)直流脉动小，输入电流连续且简单易行，成为当今主要研究对象。从输出电平角度三电平型整流器两电平型整流器单相半桥单相全桥三相半桥三相全桥应用于大功率场合LT2C1C2+-负载usLT2C1C2+-负载usT1T3T4LaLbLcCfT1T3T5T4T6T2+-UdcabcUpaUpbUpcUbUaUcRfRcRaRb图3常用单相和三相VSR变流器结构(a)单相半桥(b)单相全桥（C）三相半桥3、PWM整流器的用途交流传动有源电力滤波及无功补偿CRLCd谐波负载++统一潮流控制器+串联变流器并联变流器超导线圈超导磁能存储太阳能、风能等可再生能源的并网发电+太阳电池阵列+G风力机风力发电机其它功能（新型UPS、高压直流输电）4、PWM整流器的工作原理单位功率因数的含义：整流状态时，网侧电压、电流同相。逆变状态时，网侧电压、电流反相。PWM整流器网侧电流及功率因数可控。vdc+RLeLeLidciv-图4PWM整流器模型电路DBEAIO’CVVLODBEAIO’CVVLODBEAIO’CVVLODBEAIO’CVVLOa)纯电感特性运行b)正电阻特性运行c)纯电容特性运行d)负电阻特性运行图5PWM整流器交流侧稳态矢量关系PWM整流器的控制实际上是对交流侧电流的控制。5、PWM整流器的控制三相VSR的控制技术按有没有引入电流反馈可以划分为间接电流控制（幅相控制）和直接电流控制间接电流控制PIu*d-RXL负载RLiduR-++-+-ud+UA,B,C三角波sin(ωt+2kπ/3)(k=0,1,2)cos(ωt+2kπ/3)(k=0,1,2)ud它在控制系统中没有引入电流闭环，而是根据电路阻抗特性，用数学的方法代替电流闭环作用。尽管它动态响应稍慢，还存在瞬态直流电流偏移，但具有简单的控制结构和良好的开关特性，便于微机实现，而且可靠性高。另外还可省去两个高精度电流传感器。适用于对动态响应要求不高场合，具有良好的工程实用价值。LaeaupauLaφξEaUPaULIθ单相等效电路直接电流控制电流滞环控制固定开关频率控制电流矢量控制状态反馈控制无差拍控制极点配置法二次型最优控制Lyapunov方法非线性状态反馈控制……共同特点:有电流闭环，都具有不错的动、静态性能。不过这些方案都需要两个宽带的交流电流传感器，有的方案甚至还需要负载电流传感器。滞环电流控制是基于瞬时电流反馈的一种常用的非线性控制方式，将实测的三相电流与参考信号比较，然后根据比较器的输出决定开关的状态。优点:电流跟踪精度高，响应快。缺点:开关频率不恒定。开关频率的变化会给驱动保护电路以及主电路的设计带来困难，对系统性能也有影响。PIU*d-同步信号ia,b,ci*a,b,cI*mUd-滞环比较器三相VSR电流矢量控制电流矢量控制可以直接控制系统的有功功率和无功功率，它的核心思想是对三相VSR网侧电流的有功、无功分量进行独立控制。a,b,cd,qPIPIa,b,cd,qPWMPI负载U*dUd-u*pdu*pq6u*pau*pbu*pcI*q=0I*dIqIdL~三相VSRia,b,c解耦算法这种控制方法电流控制精度较高，不仅在稳态时能够精确地跟踪电流指令，实现无静差，并且动态性能也较好。但其控制算法比较复杂。电流矢量控制aaapadiERiLudtqdddpdLiRidtdiLEuqpqqdqdiuELiRiLdtdqEd(E)aiφupupqθ0ωupd坐标变换bbbpbdiERiLudtcccpcdiERiLudtPIPI*qidqpdELiuidiq--++*di1LSR1LSRqdpqELiu系统的控制结构ACDRACQRLL*di*qi+dE+--矢量运算SPWM调制AUR同步*dudu*pqu*pduupa*upb*upc*+-id、iq检测~UdUd检测Ed检测-idiqia,b,c*tgL--++00.050.10.150.20.250.3050100150200250300350400450t/sud/V00.050.10.150.20.250.3-100-50050100t/sia/A00.050.10.150.20.250.3-100-50050100t/sid,q/Aidid*iqPWM整流器的性能好坏不仅与其控制策略有关，还与其自身电路的参数有很重要的关系。交流侧电感的选择6PWM整流器主电路参数选择电感上压降尽可能小,一般不大于电源额定电压的30%交流侧电流总畸变率THD尽可能小，一般要求低于5%在一个开关周期内交流侧电流的最大超调量尽可能小，一般要求小于交流侧额定电流峰值的10%满足瞬态电流跟踪要求直流侧电容的选择直流侧电容的大小既关系到整流器的成本，更关系到在各种扰动下直流母线电压的稳定性，进而关系到PWM整流器的抗负载扰动性能。6PWM整流器主电路参数选择u*dc--1iaTsssKuuu1CS1idc-udcAURiLid*可按典型2型系统设计PI调节器，同时根据udc的最大动态降落允许值决定C的下限值。直流电压的选择CfVD1V4Lsuab+-对三相VSR，当交流侧线电压uab0时，其电路结构可等效为要保证整流器输入端线电压不含有与PWM开关频率无关的低次谐波，直流电压udc必须不小于交流侧线电压基波uab的最大峰值。设交流侧相电压的有效值为Up，则有6|Up|≤udc7．PWM整流器控制系统的实现系统硬件电路DSP控制器电网同步信号检测电路直流电压检测驱动电路～～～负载ACN电源相电压检测电路电源相电压检测电路主电路三相交流电源三相交流电抗器三相桥逆变器直流侧电容控制电路•电网电压同步信号检测电路•电源相电压检测电路•直流电压检测电路•交流侧电流检测电路驱动电路DSP及控制电路精品课件！精品课件！控制系统的软件设计开始调用上电函数主程序AD结束标志变量为1调用各模块初始化函数YN上电标志变量置位插值函数theta_linear_interpolation电流3/2、2s/2r变换调用电流PI调节器函数电压2r/2s/3s函数调用PWM发波函数设置PWM重载确认位Theta=theta+degree_incAD结束标志变量置0YN直流电压PI调节器函数，获得Id_ref,Iq_ref获得交流侧电压dq分量开始清除PWM重载中断标志启动AD转换返回PWM重载中断子程序开始清除中断标志读取数据，处理返回AD结束中断子程序置AD结束标志变量为1开始清除中断标志锁相程序，获得theta,degree_inc返回外部中断服务子程序