三相電壓型單位功率因數(shù)整流器的新型間接電流

作者：時間：2011-05-23 來源：網(wǎng)絡(luò)

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摘要：基于三相電壓型PWM整流器主電路參數(shù)和控制參數(shù)間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，提出一種新的間接電流控制方案。該方案不需檢測電源電壓，因而使得硬件和成本都得到減少。最后通過仿真驗證了該方案。

關(guān)鍵詞：三相整流器；功率因數(shù)校正；間接電流控制

圖1三相電壓型整流器主電路拓?fù)?/P>

1引言

三相電壓型PWM整流器的控制方式可分為直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制[1]又稱幅值相位控制(PAC)，它對PWM整流器輸入電流進行開環(huán)控制。盡管間接電流控制的動態(tài)響應(yīng)不及直接電流控制，但由于它開關(guān)機理清晰，不需要電流傳感器和電流控制回路，故控制簡單，所需成本低，因而在對PWM整流器動態(tài)性能要求不太高時，PAC控制仍有一定的應(yīng)用場合。本文將提出一種新的間接電流控制方案。

2傳統(tǒng)的控制方案[1]

三相電壓型PWM整流器主電路見圖1。圖中Vi、Vpi、Li(其中i=a,b,c)分別是三相輸入電源電壓、整流器輸入端電壓、輸入電感，R為負(fù)載電阻，C為輸出濾波電容。假定三相電路系統(tǒng)參數(shù)完全對稱且開關(guān)管均是理想的,不計輸入電阻。

間接電流控制是一種基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型的控制策略。傳統(tǒng)的PAC控制所依賴的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是三相靜止坐標(biāo)系下的低頻數(shù)學(xué)模型，參見式（1）[2]：（1）

圖2傳統(tǒng)的PAC控制方案

圖3單相基波相量圖

式中：ω為電網(wǎng)角頻率；

mi（i=a,b,c）為三相調(diào)制比；

Im為單位功率因數(shù)時輸入電流基波幅值；

L=La=Lb=Lc。

在間接電流控制中是不檢測電流的，故式(1)中的Im應(yīng)視作控制信號Im＊，在穩(wěn)態(tài)時Vo即為Vref，于是由式(1)即產(chǎn)生了如圖2所示典型的控制方案。

3一種新的PAC控制方案

3.1新PAC控制方案的原理由圖2可知傳統(tǒng)的PAC控制除了檢測直流輸出電壓外，還要檢測三相輸入電源電壓。本文提出一種新的PAC控制方案，該方案只檢測直流輸出電壓(這是實現(xiàn)電壓環(huán)控制所必需的)，因而省去了傳統(tǒng)方案中的三相電源電壓的檢測電路和移相電路，從而使控制得到簡化。

分析時假定輸入電感L（輸入電感的電阻很小通?？珊雎裕?、電源角頻率ω、負(fù)載電阻R等均為已知。根據(jù)三相電壓型PWM整流器主電路各參數(shù)和控制參數(shù)間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系[3]可知，在單位功率因數(shù)(φ=0°)且已知直流輸出電壓Vo的情況下，調(diào)制比m與調(diào)制角δ必須滿足下式（調(diào)制角的含義參見圖4）：δ=arcsin(2)

即單位功率因數(shù)時調(diào)制比m與調(diào)制角δ只與系統(tǒng)參數(shù)ω、L、R等有關(guān)。同時，當(dāng)給定輸入電源電壓與直流輸出電壓時，調(diào)制比m與調(diào)制角δ又滿足電壓傳輸比的約束關(guān)系[3]:

Gv==(3)

式中：Vm為電網(wǎng)相電壓的幅值。

解式（2）和（3）可得：

m=（4）

由式（4）可見，調(diào)制比m只與系統(tǒng)參數(shù)與電壓傳輸比Gv有關(guān)。因此，可以通過電壓環(huán)的調(diào)節(jié)作用獲取所需的調(diào)制比mr.(PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計是關(guān)鍵，而在圖2所示的傳統(tǒng)控制方案中電壓環(huán)的作用是產(chǎn)生Im＊)，按照單位功率因數(shù)運算法則〔式（2）〕可確定期望的δ，而它的實現(xiàn)又可避開檢測輸入電壓。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)環(huán)使輸出電壓穩(wěn)定時，則相應(yīng)的mr.、δ必然既滿足電壓傳輸比的約束，又滿足單位功率因數(shù)的約束。當(dāng)輸入交流電壓發(fā)生改變時，必然會使Gv發(fā)生波動，通過電壓環(huán)的作用改變mr的值使其工作在另一穩(wěn)定工作點。

設(shè)Vpm為三相輸入端基波相電壓的幅值，穩(wěn)態(tài)時單位功率因數(shù)時的單相基波相量圖見圖3（下標(biāo)1、2分別表示兩種不同的穩(wěn)態(tài)）。該控制方案的穩(wěn)態(tài)運行軌跡見圖3中的AB段，最后系統(tǒng)工作于滿足電壓傳輸比的某一點。

該控制方案的原理如圖4所示。從圖4可見，該方案不需檢測輸入電壓，只需提供電源電壓的同步信號即可。PI調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)限幅后作為調(diào)制比參考信號mr，由mr根據(jù)單位功率因數(shù)控制算法確定出相應(yīng)的δ。

3.2新方案的仿真驗證

為驗證上述方案，本文用Saber5.1進行了仿真。假定系統(tǒng)參數(shù)為，Vm=311V，L=5mH，C=1000μF，

圖4一種新的PAC控制方案原理圖