三相电压型PWM整流器及控制

(b)单相全桥
+
c
（C）三相半桥 图3常用单相和三相VSR变流器结构
3、PWM整流器的用途 、 整流器的用途
交流传动 有源电力滤波及无功补偿
谐波 负载
+
C
Rwk.baidu.com
L
+ C
d
统一潮流控制器
+
串联变流器
并联变流器
超导磁能存储
超导 线圈
太阳能、风能等可再生能源的并网发电
+
太阳电 池阵列
风力机 风力发 电机 G
Ud
同步信号
ia,b,c 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。
三相VSR
~
L
ia,b,c 负载 a,b,c d,q Id I*d Iq PI PI 解耦 算法 6 I*q=0
PWM
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。
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。
U*d I*m
PI
×
i*a,b,c
+
其它功能（新型UPS、高压直流输电）
4、 PWM整流器的工作原理 、 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。
L i v e + vdc idc RL eL
-
图4 PWM整流器模型电路
D E O’ V A I B O VL C
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。
6 PWM整流器主电路参数选择 整流器主电路参数选择
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。
iL u*dc
* τ u s + 1 id Ku τus
-
a Ti s + 1
- - 1 idc
udc
CS
三角波 u*d + id uR
+ + ud R
L
PI
ud -
R
(k=0,1,2) XL
U sin(ωt+2kπ/3) A,B,C
-
+
负载
cos(ωt+2kπ/3) (k=0,1,2)
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。
1. PWM整流器的优点 整流器的优点 普通交－直－交变频调速系统
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 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。
u*pq u*pd d,q a,b,c u*pa u*pb u*pc Ud U*d
PI
-
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
δ
Ea
d ia = R ia + L + u p a 坐标变换 dt
u pd = E d − L
O’ A V E
D
O VL B I
C
a) 纯电感特性运行
D I O’ E A V O VL C
b) 正电阻特性运行
D VL O
I V O’ A E
C
B
B
c) 纯电容特性运行 图5 PWM整流器交流侧稳态矢量关系
d) 负电阻特性运行
5、PWM整流器的控制 、 整流器的控制
PWM整流器的控制实际上是对交流侧电流的控制。 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
50
-100 0
0.05
0.1
0.15
0.2
t /s
0.25
0.3
0
-50
-100 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
t/s
6 PWM整流器主电路参数选择 整流器主电路参数选择
PWM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 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
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。
6 |Up|≤udc
7．PWM整流器控制系统的实现 ． 整流器控制系统的实现
系统硬件电路
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 及控制电路
控制系统的软件设计
三相电压型PWM 整流器及控制 三相电压型
王晓晨
合肥工业大学电气学院
PWM整流器的优点 整流器的优点 PWM整流器的拓扑结构 整流器的拓扑结构 PWM整流器的应用领域 整流器的应用领域 PWM整流器的工作原理 PWM整流器的工作原理 PWM整流器的控制 整流器的控制 PWM整流器主电路参数选择 整流器主电路参数选择 PWM整流器控制系统的实现 整流器控制系统的实现
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。
2、PWM整流器的拓扑结构 、 整流器的拓扑结构
电压源型(VSR) 按主电路结构 电流源型(ISR) 两电平型整流器 从输出电平角度 单相半桥 单相全桥 三相半桥 三相全桥 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。
三电平型整流器
应用于大功率场合
(a)单相半桥
T1 Ua Ub Ra Rb La Upa a Lb Lc Uc Rc T4 T6 T2 Upb Cf b Upc Udc Rf T3 T5
1 LS + R
Ed
* ud
θ
* id
u* pd
ud
ωL
ωL
tgϕ *
* iq
u* pq
系统的控制结构
450
ud / V
400 350 300
100
200 150 100
id,q / A
250
50
id
0
50 0 0
100
iq
id*
0.05
0.1
0.15
0.2
t/s
0.25
0.3
-50
ia / A
did − Rid + ωLi q dt
d ib E b = R ib + L + u pb dt di E c = R ic + L c + u p c dt
u pq = Eq − ω Lid − Riq − L
diq dt
* id
Ed − ω Liq − u pd
1 LS + R
* iq
Eq − ω Lid − u pq
AUR
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 对三相VSR，当交流侧线电压uab>0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