第4章--PWM整流器控制技术

教案编写：肖强晖廖无限授课教师：肖强晖现代电力电子技术ModernPowerElectronics第4章PWM整流器控制技术•§4.1引言•§4.2PWM整流器主电路•§4.3PWM整流器的控制技术•§4.4BoostPFC控制技术简介•§4.5PWM整流器的主要性能指标•§4.6PWM整流器用于不间断电源（UPS）重点和难点•1、PWM控制技术定义和基本原理。•2、PWM跟踪控制技术类型和特点。•3、PWM整流和逆变电路基本组成及其控制方法。§4.1引言随着电力电子装置的应用日益广泛，公用电网或电源系统中的谐波污染也日益严重。其中，整流装置所占的比例最大。传统不可控整流电路有三个致命的缺陷：电网侧输入电流谐波含量较大；能量流向只能从交流侧传递到直流侧；输出直流电压不可控。晶闸管构成的可控整流电路得到了广泛的应用，依然存在以下几个问题：①交流侧输入电流畸变严重；②深度相控下交流侧的功率因数很低；③由于电网等效内阻抗的存在所引起的电网电压波形畸变；④直流侧输出电压纹波大；⑤由相控整流电源构成的直流调速系统动态响应慢。传统整流装置的问题——谐波污染1984年：SD126-84：电力系统谐波管理暂行规定；1993年：国家标准（GB/T14549-93：电能质量、公用电网谐波）国内外限制谐波的标准：国际标准：IEEE519-1992和IEC555-2电网谐波问题解决方案：（1）传统方法：采用无源LC滤波器来抑制谐波。缺点：①对谐波补偿的效果受电力系统阻抗的影响大；②对于电网频率偏移和谐波状况经常变化的情况补偿效果不好；③连接的其它非线性负载产生的谐波会流入LC滤波器，过负荷；④电网阻抗和LC滤波器在某些频率下可能产生串并联谐振；⑤整流装置的低次谐波成份较多，LC滤波器的容量大、体积大。因此，对新型的PWM高频整流器进行分析具有十分重要而迫切的意义。电网谐波问题解决方案：（2）现代解决问题的两条途径①采用新型的PWM高频整流器取代传统的整流装置。②采用新型的有源电力滤波器和静止无功发生器（ASVG）。PWM高频整流器分类：①中小功率PWM高频整流器。应用在通信电源、计算机电源、充电电源等开关电源系统中。典型集成控制芯片UC3854；②中大功率PWM高频整流器。应用在电力牵引交流传动系统等。§4.2PWM整流器主电路PWM高频整流器的主电路拓扑结构基本原则：在保证系统的性能指标的前提下，尽量简化结构，减少开关器件的数量，降低总成本，确保系统的可靠运行。根据输出特性可以划分为电压型和电流型两种；按电源相数可划分为单相半桥、单相全桥和三相全桥电路三种；按桥臂端口输出电压电平数可划分为二电平和三电平PWM高频整流器。目前得到广泛关注的是三相二电平电压型PWM高频整流器。本节分析在实际应用中采用的三相PWM高频整流器主电路结构。三相全桥电压型PWM高频整流器的主电路交流侧滤波电感Ls全桥电路包括：全桥电路、缓冲吸收回路、直流侧滤波电容、均压电阻、以及电网侧电压、电流检测电路和直流侧电压检测电路各器件参数选择方法保护措施在实际中，一般均设置有如下保护：①电网电压的过压保护，采用带回差的保护；②电网电压的欠压保护（回差保护）；③交流输入电流的过流保护，采用锁死保护（关闭）整流器；④交流输入电流的过载保护（锁死保护）；⑤直流侧电压的欠压保护（回差保护），并且与PWM整流器的软起动保护联锁去控制软起动电路；⑥直流侧电压的过压保护（锁死保护）；⑦IGBT模块的过温保护（回差保护）。§4.3PWM整流器的控制技术电压型PWM整流控制方式：移相SPWM控制、空间矢量PWM控制（SVPWM）、滞环电流控制、斜坡比较控制、间接电流控制、预测电流控制等。向全数字化控制技术和智能化控制方向发展PWM高频整流器控制技术具有以下几方面的要求：①减小交流侧输入电流的谐波畸变率，交流侧输入电流的总畸变率低于5%；②提高交流输入侧的功率因数达到0.98以上；③提高系统的动态响应速度，减小系统的动态响应时间；④降低系统的开关损耗，提高整个系统的效率；⑤减小直流侧纹波系数，减少直流侧滤波器尺寸，减轻重量；⑥提高直流侧电压的利用率。下面就简要地阐述和分析PWM高频整流器的主要控制方式。1.滞环电流控制方式（HysteresisCurrentControl）三相PWM整流器中每一相的电流控制器使得输入侧实际电流与给定电流的误差约束在滞环带中。这种控制方式电路实现简单而且动态性能优良，具有强鲁棒性。（3）滞环电流控制的特点①具有交流侧电流正弦化、功率因数接近于1、直流侧电压纹波小等优点；②系统动态响应速度快，对负载扰动具有强鲁棒性；③电流误差可以约束在2倍Δh（滞环宽度）之内；④系统不仅可以工作在PWM高频整流方式下，而且可以运行在再生方式下；⑤无论交流侧还是直流侧，谐波含量小，频谱具有连续性；⑥开关频率随系统运行情况的变化而变化，在电流过零点处开关频率最高；⑦滞环宽度对电流畸变率的影响较大，一般有hfsav1⑧每相桥臂上下开关器件互锁死区的加入增大了系统对电流控制的失控率，使得交流输入电流波形变差，谐波成份增大，但它对电流畸变率的影响不如滞环宽度变化造成的明显；⑨交流侧滤波电感值的变化不仅影响开关频率，而且影响电流的畸变率⑩直流侧支撑电容器值的增大虽然减小了直流侧电压纹波，但是同时也大大降低了系统的动态响应速度。（3）滞环电流控制的特点（4）滞环电流控制的缺陷①由于每相电流控制器没有直接的联系，必然存在非优化的开关过程，在低调制度时会造成开关频率很高；②由于相间实际存在的相互影响，误差经常超出滞环带；③开关频率不固定，它受电路参数、负载情况及滞环宽度等因素的制约；④谐波电流频谱随机分布，这给交流侧滤波器的设计带来了困难。针对前两个问题，可以通过（d，q）坐标系下的滞环电流控制或空间矢量PWM控制予以解决；针对后两个问题，可以通过斜坡比较控制和空间矢量PWM控制加以解决。2.斜坡比较控制方式（RampComparisionControl）这种控制方式仍然存在两个缺点：①尽管使用PI调节器，稳态电流误差依然存在，由于反馈电流中含有丰富的谐波，故PI环节的比例系数不能取值太大；②电流本身的畸变会通过反馈通道得到放大，从而对开关序列造成负面影响。3.电压空间矢量PWM（SVPWM）基本控制原理:在一个开关周期Ts中，用相邻的两个有效电压开关矢量的平均值等效三相电压合成矢量的给定值，同时对称地插入零矢量作用时间。由于这种控制方式的直流侧电压的利用率高（可达到1.0，比滞环电流控制提高了15%），开关频率固定，便于全数字化处理，因而非常适用于DSP数字控制系统中。•（1）开关频率•开关频率的增大一方面增加了系统的开关损耗，另一方面开关周期的减小势必需要提高DSP的运算速度。显然，仅仅依靠提高开关频率来减小电流的畸变率不是一条好的途径。•（2）电压空间矢量PWM控制的特点•①具有容易实现系统交流侧线电流正弦化、输入功率因数为1、直流侧输出电压纹波小以及直流侧电压的利用率高等优点；•②和滞环电流控制相比，在同样的交流侧线电流总畸变率要求下，电压空间矢量PWM控制的开关频率大大减小；•③能够有效地优化开关序列，降低系统的开关损耗，提高系统的效率；•④由于开关频率固定，交流侧滤波电感容易设计；•⑤采用DSP数字控制方案后实现极为容易。§4.4BoostPFC控制技术简介BoostPFC电路按输出特性可以分为电压型和电流型两种；按电源相数可划分为单相PFC和三相PFC两种；按控制方式可划分为直接电流控制方式和电压间接控制方式。典型控制器件：Unitrode公司PFC集成控制芯片UC3854/2854/1854。目前应用最多的平均电流控制的BoostPFC单相（电压型）整流电路。具备输入功率因数达到0.99，电路结构简单紧凑、交流输入电压范围宽、动态性能良好等等优点。保持输出电压储存电能典型BoostChopper结构1.实际应用主电路结构主电路包括直流侧平波电感LA（又称Boost电感）、单相不可控整流电路、IGBT回路、缓冲吸收回路、高频整流二极管、直流侧滤波电容、均压电阻、以及电网侧电压、电流检测电路和直流侧电压检测电路等部分。各类器件选择保护措施在BoostPFC单相整流器中还必须设置一些必要的保护措施：①电网电压的过压保护，采用带回差的保护；②电网电压的欠压保护（回差保护）；③交流输入电流的过流保护，采用锁死保护（关闭）整流器；④交流输入电流的过载保护（锁死保护）；⑤直流侧电压的欠压保护（回差保护），并且与PWM整流器的软起动保护联锁去控制软起动电路；⑥直流侧电压的过压保护（锁死保护）；⑦IGBT模块的过温保护（回差保护）。2.控制结构目前，UC3854A/B集成控制芯片可以达到的最佳控制效果为：①电网输入电流的谐波畸变率控制在5%以下；②电网输入功率因数控制在0.95以上，最好可达到0.99。3.BoostPFC控制技术的特点①具有电路结构简单紧凑、交流输入电压范围宽、动态性能良好等等优点；②对单相电网输入电流的补偿效果好，但是严重依赖于电网电压的波形质量，也就是说对电网电压波形的适应性差；③直流平波电感的设计应该以控制其温升为目标，以提高其使用寿命；④QA（IGBT器件）回路中应适当地串入一个限流电阻或饱和电感（图4-5中的RQ或LQ），以降低IGBT器件的损坏率；⑤高频整流二极管DA采用快恢复二极管，以缩短反向恢复时间，减小器件的损耗；⑥直流侧滤波用电解电容器的容量太大，在实际产品中有的竟然采用30p.u.的取值，比三相PWM整流器的直流侧电解电容器取值（≤4.0p.u.）大得太多；⑦能量只能单方向流动，即只能从电网流向负载。§4.5PWM整流器的主要性能指标1.直流侧电压的利用率uk2.纹波系数RF（Ripplefactor）3.输入功率因数PF（Powerfactor）4.对三相不平衡电网电压的适应能力①三相线电流幅值差≤±1%～±3%（带100%的直流负载）；②三相线电流相位移差≤±1º～±2º（带100%的直流负载）。5.电网电压允许的频率变化范围典型值为50Hz±5%，而PWM整流器在有些UPS产品的应用中，如美国Liebert公司生产的GXT系列在线式UPS产品（0.7～5kVA），其允许的电网频率变化范围可达到45～65Hz。6.输入电流谐波畸变率(TotalHarmonicDistortion)•①输入电流谐波有效值为•其中，为输入电流的基波分量，不仅与PWM整流器的PWM控制方式有关，而且还与负载的阻抗有关。•②电流谐波畸变率•其中，、分别为基波电流和n次谐波电流的有效值。§4.6PWM整流器用于UPS近年来，BoostPFC单相整流技术被运用到中型功率（10～60kVA）和小型功率（≤15kVA）不间断电源（UPS）产品中。采用这种整流技术后，可以将UPS的输入功率因数提高到0.98，同时控制其输入电流畸变率低于3～5%。下面以美国Liebert公司生产的GXT系列在线式UPS产品（0.7～5kVA）为例，具体说明采用BoostPFC单相整流技术后UPS产品的输入特性。①输入功率因数提高到0.95～0.98以上，满载可达0.98；②可基本消除UPS对电网的谐波干扰；③允许的输入电压范围为120V～276V（有效值）④具有很宽的电网频率同步跟踪范围（45～65Hz）。思考与练习四•4.1试说明PWM高频整流器能够解决什么技术问题？•4.2试分析三相PWM整流器的实际应用主电路。它有哪几个部分组成？各自起到什么作用？•4.3试分析三相PWM整流器有哪几种控制方式？各有什么特点？•4.4试分析BoostPFC单相整流器的主电路具有什么样的特点？它有哪几种电流控制方案？在采用集成控制芯片UC3854A/B的实际应用中采用的又是哪种控制方式？