1 引言
三相pwm整流器一般多采用電壓型拓撲，經過電壓、電流雙閉環控制可以實現三相輸入的高功率因數校正(hpfc)。它具有結構簡單，能實現能量雙向流動，響應速度快等優點，更重要的是其電壓型拓撲可以采用多種合適的調制策略，比如正弦波脈寬調制(spwm)和空間電壓矢量脈寬調制(svpwm)。其中，svpwm是一種抑制諧波綜合效果最好的pwm方式。
2 工作原理及基于開關函數定義的通用數學模型
三相電壓型pwm整流器的主電路結構如圖1所示。電網通過變壓器給整流器供電，經電感l濾波后，接到三相橋臂交流側；橋臂采用6個功率開關管，每個功率管反向并聯一個續流二極管，用來緩沖pwm過程中的無功能量；直流側接大電容作平波和儲能用。其中udc是直流側電容電壓，cdc、rl為直流側電容、電阻，l，r分別為交流側輸入電感，輸入電阻。當整流器進入穩態工作，輸出直流電壓恒定，整流橋的三相橋臂按正弦脈寬調制規律驅動。開關頻率很高時，由于電感的濾波作用，高次諧波電壓產生的諧波電流非常小，只考慮電流和電壓的基波，整流橋可以看作一個理想的三相交流電壓源。適當調節控制量的大小和相位，就能控制輸入電流的相位，達到改變功率因數的目的，而控制輸入電流的大小則可以控制輸入變換器的能量，也就控制了直流側電壓。由此pwm整流器的控制目標是輸入電流和輸出電壓，而輸入電流的控制是關鍵。通過對輸入電流的控制使輸入電流波形為正弦波且與輸入電壓同相位。
圖1 三相pwm整流器的主電路結構
為得到pwm整流器的數學模型，做基本假設如下：
(1) 三相電網電壓為對稱的三相交流電，分別為
(1)
式中usa，usb，usc分別為三相電網電壓；um為最大電壓值。
(2) 交流側的電感三相對稱，并在工作范圍內不飽和；
(3) 所有功率開關器件均為理想開關器件；
(4) 功率開關器件的工作頻率遠大于電網頻率。
定義開關函數sa、sb、sc如下：
由圖1可以得到pwm整流器的數學模型為：
(2)
式中，uno=-udc(sa+sb+sc)/3。ia，ib，ic分別為a，b，c三相電流。
3 矢量控制策略研究
式(2)中pwm整流器的數學模型物理意義清晰、直觀，但在其交流側均為時變交流量，不利于控制系統設計。三相異步電動機的定、轉子電流量為互相耦合的交流量，但通過旋轉坐標變換，可以變換成易于控制的旋轉直流量。由此可以把坐標變換應用到pwm整流器中，實現交流側的解耦控制。為此，將三相靜止坐標系a，b，c轉換成和電網基波頻率同步旋轉的d、q坐標系，得到pwm整流器在兩相同步旋轉d、q坐標系的數學模型：
(3)
從式(3)可以看出輸入電流的d軸分量和q軸分量之間存在耦合，給控制系統的設計造成一定的困難。為此，采用前饋解耦控制，當電流調節器采用pi調節時，ucd，ucq的控制方程為；
(4)
把式(4)代入式(3)，推出下式
(5)
式(5)表明，id和iq的控制是獨立的，其主要原因是引入了電流狀態反饋(ωlid和ωliq)和電網電壓(usd和usq)作為前饋補償，使得pwm整流器的電流內環實現了解耦控制，同時動態性能進一步提高。整流器的電流解耦控制原理圖如圖2所示。圖中，電流有功分量指令id*通過給定指令電壓與實際直流側電壓比較后經pi調節器得到的。id*、iq*與交流側實際電流比較后經pi調節得到指令電壓ucd*、ucq*，再經電網電壓、電感電壓交叉分量的前饋補償后，將所得電壓指令送入svpwm合成器，作為控制pwm開關的指令電壓。然后通過svpwm調制算法，可生成相應6路脈沖控制三相橋功率開關的通斷。為了實現電位功率因數控制，要使電流矢量i和電壓矢量e同相，即無功電流分量iq*=0。
圖2 pwm整流器電流內環解耦控制結構
4 仿真研究
根據以上分析的pwm整流器模型和電流內環解耦控制，用matlab/simubbbb構建了整個雙閉環控制系統的仿真模型，對pwm整流器矢量解耦控制策略進行了仿真研究，并研究了負載變化和電壓變化兩種情況下的電流控制性能。
仿真參數為l=5mh，r=0.5ω，cdc=470μf，輸出電壓udc=220v，rl=50ω,直流側反電勢e=0，單位功率因數運行。負載變化情況為：在 0.1s時使負載突變為rl =-100ω(負號表示輸出電流反向，使整流器運行于逆變狀態)。圖3為負載變化的仿真結果。圖3(a)是a相電壓與電流的波形，可見在0.1s之前，電壓電流同相，pwm整流器工作在整流狀態，實現了理論分析的單位功率因數控制。0.1s以后電壓電流反相，此時pwm整流器工作在逆變狀態實現了理論分析的單位因數控制，電能由直流側流向交流側，實現能量的回饋。圖3(b)是直流側輸出電壓波形，在0.1s受到負載突變影響，輸出電壓經過0.15s的暫態過程后，穩定到了給定指令電壓220v。這證明了svpwm調制方法是可行的，它能將整流器的輸出穩定在給定的電壓。
(a)一相輸入電壓、電流波形
(b)直流側輸出電壓波形
圖3 負載變化的仿真結果
(a)一相輸入電壓、電流波形
(b)直流側輸出電壓波形
圖4 直流側輸出電壓變化的仿真結果
仿真參數同上，負載rl =50ω保持不變，電壓在0.2s時從220v變到250v。圖4為直流側輸出電壓變化的仿真結果?？煽吹皆趧討B過程中輸出電壓快速跟蹤指令電壓，穩態時誤差為0。
5 結束語
本文建立了pwm整流器的開關函數模型，并在整流器d、q數學模型的基礎上研究了矢量解耦控制策略。仿真結果表明，pwm整流器能獲得單位功率因數的正弦輸入電流，穩定的直流側輸出電壓和快速的動態響應，能夠實現能量的雙向流動。
作者簡介
王君瑞(1978-) 女 研究生，現在北方民族大學電氣信息工程學院任教。
參考文獻
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