高性能單位功率因數(shù)三電平整流器

1、第43卷第2期2009年2月電力電子技術(shù)Power ElectronicsVol.43No.2February ，2009 定稿日期：2008-09-16作者簡介：李浩（1973-），男，河北昌黎人，博士，助教，研究方向為電力電子與電力傳動。1引言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以脈寬調(diào)制（PWM ）為基礎(chǔ)的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關(guān)電源以及各類特種變流器等在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中取得了廣泛應用。但目前這些變流裝置很大一部分需要整流環(huán)節(jié)以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功功率，造成嚴重的電網(wǎng)“污染”1。自T Kataa

2、oto 等人提出PWM 控制用于改善整流器輸入波形以來，PWM 整流器2以其優(yōu)越的性能逐漸成為研究熱點。目前對PWM 整流器的研究主要集中在拓撲結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應迅速的電壓型整流器上。電流控制策略有直接電流控制和間接電流控制兩大類，比較典型的控制策略有3基于電流跟蹤控制的Bang -Bang 控制算法和電流預測控制算法。在PWM 整流器解耦算法方面，現(xiàn)在研究的熱點是電網(wǎng)電壓定向算法和無交流電壓傳感器的虛擬磁鏈定向算法?？紤]到各方面指標，以二極管箝位式三電平PWM 整流器為主電路拓撲，采用電網(wǎng)電壓定向算法和直接電流控制。文中采用了新穎的三電平空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM ）算法，它可在簡化運算量

3、的同時很好地進行了中點電位控制，在實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的同時使電流波形呈正弦，并成功實現(xiàn)了PWM 整流器的四象限運行。2三電平PWM 整流器數(shù)學模型二極管箝位式三電平PWM 整流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)為三相半橋電壓源型（VSR ）PWM 整流器。設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，根據(jù)電路拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，電網(wǎng)電壓定向后，旋轉(zhuǎn)坐標系下的方程為：L s d i =-R s i s d +L s i s q -u C 1s 1d +u C 2s 2d +e dL s d i d t=-R s i s q -L s i s d -u C 1s 1q +u C 2s 2q ! #" #$（1）C d

4、 d u C 1=s 1d i s d +s 1q i s q -i o C d d u C 2=-s 2d i s d +s 2q i s q %&-i o ! #" #$（2）3三電平SVPWM 的簡化控制算法三電平變流器的電壓空間矢量圖比兩電平的電壓空間矢量圖復雜得多。以往的三電平電壓空間矢量控制大都采用將一個扇區(qū)分成4個小三角形，再對各個小三角形分別求解出各個有效矢量的作用時間。這種計算方式繁瑣且不易應用到三電平以上的高性能單位功率因數(shù)三電平整流器李浩，葉宗彬，韓耀飛，吳軒欽（中國礦業(yè)大學，江蘇徐州221008）摘要：建立了三電平整流器數(shù)學模型，采取電壓定向的直接電流

5、控制，并使用新型的電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVP -WM ）算法減少計算量，簡化了中點電位控制策略。最后建立了基于TMS320F2812型DSP 的三電平整流器平臺，實驗結(jié)果驗證了算法的有效性。關(guān)鍵詞：整流器；功率因數(shù)/空間矢量脈寬調(diào)制；中點電位平衡中圖分類號：TM461文獻標識碼：A文章編號：1000-100X （2009）02-0004-02Unit Power Factor Three -level Rectifier with High PerformanceLI Hao ，YE Zong -bin ，Han Yao -fei ，WU Xuan -qin（China University

6、 of Mining and Technology ，Xuzhou 221008，China ）Abstract ：The mathematical model of three -level rectifier is introduced.Besides ，the voltage -oriented control including di -rect current control is used ，a novel simplified space -vector pulse width modulation is applied to reduces calculation and to

7、 simplifies the neutral -point potential control strategy.A three -level rectifier platform based on DSP TMS320F2812is built up for this research.The validity of the control strategies is demonstrated by the experimental results. Keywords ：rectifier ；power factor /space -vector pulse width modulatio

8、n ；neutral -point potential balance圖1三電平PWM整流器主電路圖拓撲控制上。這里對三電平變流器采用新穎的SVPWM 生成算法。三電平電壓空間矢量圖可視為由6個兩電平電壓空間矢量構(gòu)成的小六邊形相互疊合而成，如圖2所示。判斷參考電壓矢量U ref 所在的位置只需判定其所處的小六邊形，用S 表示U ref 的小六邊形。判定U ref 所在的小六邊形之后，經(jīng)過坐標平移即可將三電平電壓矢量平面簡化為兩電平電壓矢量平面。圖3示出S =1時的 U ref 修正示意圖 。4 中點電位平衡的控制由于二極管箝位式三電平變流器自身拓撲的問題，當直流側(cè)兩電容參數(shù)有偏差時，中點電位將

9、出現(xiàn)偏離，即使兩電容參數(shù)完全一致，在進行控制時，不同的開關(guān)狀態(tài)也將對中點電位有不同的影響。在判斷U ref 位置時，如果它位于兩個小六邊形的重疊區(qū)域，此時S 取值不唯一，如圖4所示。此時可將U ref 由三電平平面化簡至S =1或者S =2中的任何一個兩電平平面。簡化至S =1的平面時，中點電位將下降；如果選擇化簡至S =2平面時，中點電位將上升。同理，對其他S 值的兩電平平面進行分析可知，U ref 位于兩電平平面重疊區(qū)域只需要根據(jù)中點電位的波動情況相應地改變S 值即可有效地抑制波動。在實際應用時應結(jié)合變流器運行狀態(tài)對中點電位進行控制4。5三電平整流器控制算法及硬件實現(xiàn)采用電壓定向、前饋解耦

10、、電壓和電流雙閉環(huán)控制1，控制框圖如圖5所示。實驗采用TMS320F2812型DSP 及相關(guān)外圍電路作為控制器，以BSM200GB170DLC 型IGBT 為功率器件搭建了三電平PWM 整流器硬件平臺。實驗電網(wǎng)電壓U =220V ，直流側(cè)分壓電容C =4700F ，交流側(cè)電感L =1.8mH ，直流側(cè)負載為一直流電機。實驗中，整流器始終單位功率因數(shù)運行。圖6示出硬件實現(xiàn)的實驗波形，由于圖6c ，d 采用D/A輸出進行觀察，使用的D/A為單極性輸出方式，此處采用疊加一直流偏移量以實現(xiàn)實際量正負值的同時輸出，零點實際被人為上移了2.5V 。實際值如圖中標注所示。6結(jié)論對三電平PWM 整流變器的工作

11、原理進行了分析，并給出數(shù)學模型。采用電壓定向、前饋解耦控制算法，結(jié)合簡化的三電平SVPWM 算法，用樣機進行了硬件實驗驗證，結(jié)論如下：由于二極管箝位式三電平PWM 整流器自身拓撲結(jié)構(gòu)的關(guān)系，存在直流側(cè)中點電位波動的問題，這會導致輸出電壓諧波含量上升，各開關(guān)器件受壓不均，電容壽（下轉(zhuǎn)第23頁）圖4重疊區(qū)域S 值的二擇性高性能單位功率因數(shù)三電平整流器（上接第5頁）命減短，對整個裝置造成極大損害。采用一種簡化的三電平SVPWM 算法，簡化了運算量及程序編寫，方便地實現(xiàn)了中點電位控制，直流電壓被控制在540V 的情況下，中點電位的波動仍被控制在15V 之內(nèi)。建立了二極管箝位式三電平PWM 整流器的數(shù)學

12、模型，并采取了有效的解耦控制方法，在實現(xiàn)單位功率因數(shù)的同時網(wǎng)側(cè)電流也為正弦，具有良好的電流動態(tài)響應性能，直流母線電壓也具有良好的抗負載擾動性能。參考文獻1張崇巍，張興.PWM 整流器及其控制M.北京；機械工業(yè)出版社.2003.2王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)（第四版）M.北京；機械工業(yè)出版社，2000. 3張興.PWM 可逆變流器空間電壓矢量控制技術(shù)的研究J.中國電機工程學報，2001，22（10）：102-105. 4詹長江，韓郁. 基于電壓空間矢量PWM 脈寬調(diào)制方式的新型三電平高頻整流器研究J.電工技術(shù)學報，1999，13（2）：60-64.贊=f 贊f +r 贊r 贊r =乙P n 乙贊

13、d t乙乙乙乙乙（12）式中：P n 為電機的極對數(shù)；贊f 和贊r 為高頻注入法和狀態(tài)觀測器對應的估計速度；f 和r 分別為兩種方法對應的加權(quán)系數(shù)。約束條件為f +r =1，以保證轉(zhuǎn)子位置和速度信號的跟蹤精度保持不變。5實驗結(jié)果分析實驗參數(shù)為：額定頻率50Hz ；額定電流3.3A ；額定功率400W ；額定轉(zhuǎn)速1400r/min；定子電阻1.52；q 軸電感14.2mH ；d 軸電感3.9mH ；極對數(shù)為2；轉(zhuǎn)動慣量2.4×10-4kg ·m 2。主控制器采用TMS320F240型DSP 芯片，逆變橋為智能功率模塊PM75RSE120，電壓源逆變器SVPWM 饋電，由軟件實

14、現(xiàn)，調(diào)制頻率為10kHz ，注入的高頻電壓信號頻率最大為997Hz ，幅度為基波的1/10。圖4示出設(shè)置不同切換區(qū)時的轉(zhuǎn)子位置估測誤差e ，e =r -贊r 。由圖可見，通過設(shè)置不同的切換區(qū)，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)將速度切換區(qū)域定為100200r/min之間較為合適，整個系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)性能都取得了理想的結(jié)果。圖5示出空載下電機以給定速度運行時轉(zhuǎn)子位置實測值r 和估算值贊r 轉(zhuǎn)化為弧度制后的結(jié)果?？梢娰漴 。與r 基本吻合。6結(jié)論針對IPM 同步電機無傳感器技術(shù)中轉(zhuǎn)子位置估計的局限性，提出全速范圍的無傳感器控制技術(shù)，詳細分析了近零速區(qū)至高速區(qū)運行過程中轉(zhuǎn)子位置信息的提取過程，采取外差處理的方式構(gòu)建了全

15、速范圍轉(zhuǎn)子位置檢測跟蹤器。解決了低速運行區(qū)無傳感器技術(shù)受電機參數(shù)影響的問題和載波注入法在高速運行區(qū)不能及時跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)過程的問題。在由低速區(qū)進入高速區(qū)的速度切換過程中，采用了加權(quán)算法的切換方式，保證了整個運行過程的穩(wěn)定性。所提出的系統(tǒng)具有較高的魯棒性，實測結(jié)果驗證了該方案的有效性。參考文獻1Hyunbae K ，Harke M C ，Lorenz R D.Sensorless Control of Interior Permanent -magnet Machine Drives with Zero phase -lag Position EstimationJ.IEEETrans. on

16、IndustryAppli -cations ，2003，39（6）：1726-1733.2Jean Quirion ，Jason Gu.Sensorless Fusion of Speed for Per -manent Magnet Synchronous MotorsA.Proceedingsof the2004IEEE Conference on Robotics ，Automation and Mechatronics SingaporeC.2004：554-559. 3Takashi Aihara ，Akio Toba.Sensorless Toque Control ofSalient -Pole Synchronous Motor at Zero -speed OperationJ.IEEE Trans. on Power Electronics.1999，14（1）：202-20