三相PWM整流器非升降压拓扑结构下调压范围的拓宽*

向 东 曾启帆 于 飞

(海军工程大学电气工程系 武汉 430033)



三相PWM整流器非升降压拓扑结构下调压范围的拓宽*

向 东 曾启帆 于 飞

(海军工程大学电气工程系 武汉 430033)

传统的三相两电平PWM整流器主电路拓扑是一种升压结构,致使输出电压最小稳压值较高,制约了整流器的应用。论文通过对交流侧稳态相量关系、功率守恒等进行分析,探讨了影响输出电压大小的因素。给出了整流器在不改变拓扑结构的情况下,通过改变交流侧的功率因数达到降低输出电压的最小稳压值的方法及其效果分析。仿真和实验证明了分析的正确性和可靠性。

PWM整流器; 调压范围拓宽; 功率因数

Class Number TP391

1 引言

三相PWM整流器多采用图1所示的电路拓扑结构,这种结构采用三相两电平电压型整流电路,交流侧采用简单的电感L滤波器[1～4]。此结构模型转换到两相旋转dq坐标系,在单位功率因数情况下,可近似成一个Boost型直流升压电路[5]。为了拓宽三相PWM整流器的输出电压范围,有的学者通过改进电路拓扑结构,添加若干电容电感元件,将其升压结构改成了升降压结构[6]。有的学者则在整流器的后端增加一个buck电路以实现输出电压范围的拓宽[7]。这些方法增加了电路元器件,提高了成本,也导致了控制算法更加复杂。本文从稳态相量关系以及功率守恒等方面进行分析,探讨在不改变拓扑结构即非升降压拓扑结构的情况下,通过降低功率因数来实现整流器直流侧电压输出范围的拓宽方法。试图为成本较低,有宽电压输出范围的应用需求的整流器设计提供参考。

2 影响整流器直流侧电压值的因素

为了探究在不改变拓扑结构的情况下,直流侧电压输出范围的拓宽,需对影响直流侧电压值的因素进行分析。所以,首先要推导直流侧电压值与其影响因素的关系式。

根据功率守恒定律,忽略交流侧电阻的损耗,有:

(1)

图1 三相PWM整流器的常见拓扑结构

设交流侧某相电压U与直流侧电压Udc有以下关系:

U=dmUdc

(2)

dm是IGBT驱动信号开关函数的基波幅值,其大小可通过改变驱动信号即PWM波的占空比加以控制。

图2 交流侧稳态相量关系图

当整流器稳态运行时,其交流侧的各个量之间有如图2的关系,因为是三相PWM整流器,E、U、I可看作其A相的电网电压、交流侧电压、交流侧电流[8]。由其相量关系可知,U的大小及其与电源电压E的夹角θ被看作是可控的,适当控制这两个值,就可以控制交流侧电流I的大小和相位,从而控制整流器输入功率的大小,最终达到控制直流侧输出电压、功率因数角φ的目的。对图2各相量进行分解,有:

(3)

结合式(1)～式(3),整理可得:

(4)

根据上式可求得:

(5)

(6)

据式(6),可列出任意功率因数角下,Udc与dm的关系图。取E为220V,RL为100Ω,以功率因数角为x轴,dm为y轴,Udc为z轴,它们间的关系图如图3所示。

图3 直流侧电压与功率因数角和dm的关系

分析关系图的数据,以dm为变量,限定其在0.1～0.577之间,取每个功率因数角下的直流侧电压的最小值,即可得到在不同下整流系统直流侧电压的最小稳压值。如图4。

图4 直流侧电压的最小稳压值

令φ=0.9,作Udc与dm的关系图如图5所示。

由图5可知,在固定角度φ=0.9时,dm越大,Udc越小,所以要实现Udc范围的拓宽,在这个角度下应使dm尽量接近最大值0.577。

3 仿真分析

图5 φ=0.9时Udc与dm的关系图

图6 功率因数可调的双闭环控制仿真模型

图时的直流侧电压

图时的交流侧测量值

图时的直流侧电压

图时的交流侧测量值

图时的直流侧电压

图时的交流侧测量值

图时的直流侧电压

图时的交流侧测量值

4 实验验证

试验样机的主电路中IGBT采用TOSHIBA公司的MG180V2YS40,试验的电流波形由LT208-S7传感器采集,电压波形由LV28-P传感器采集。试验的控制器硬件采用NI公司的CompactRIO控制器,其控制程序由Labview语言编写在CompactRIO内置的FPGA中。试验的参数如表1所示。

1) 试验采用电压电流双闭环控制,按上节所述参数,系统进入稳态时,得到试验结果如图15所示。

表1 基本试验参数

从上图可以看出,稳态运行时直流侧电压保持稳定,A相交流侧电流正弦化且功率因数接近1,基本达到了PWM整流的控制目的。

图16 φ*=0.9时的直流侧调压控制的试验波形

当E=50V,φ*=0.9时,直流侧电压最低可调压到70V。按第2节分析,此时的直流侧最小稳压值应为79V。由于实际稳定的φ值比0.9稍大,所以调压值也比理论值偏低。

5 结语

在非升降压电路拓扑结构下,系统通过改变功率因数,可实现直流侧调压范围的小幅度拓宽。考虑船舶电力系统等独立系统,整流器功率因数在特殊情况下可令功率因数稍微降低,此种情况下上述方法有一定的参考价值。

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参考文献著录规则

一.总要求

为了帮助向本刊投稿的作者按规范著录参考文献,现将常见类型文献的著录格式作如下要求。

本刊要求双语参考文献,所有的中文参考文献均需附英文译文,示例如下:

示例1:

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参考文献中的责任者采用姓前名后的著录形式。欧美著者的名可缩写,姓大写,姓和缩写的名之间不可用“.”隔开,而是用空格。如用中译名,可以只著录其姓。如原文中作者为“P．S．昂温”则在本刊要求中应写成“昂温 P S”,Albert Einstein Seny应写成EINSTEIN A S。

参考文献的责任者之间用“,”分隔。不超过3个时,全部照录。超过3个时,只著录前3个责任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜体。

示例2:马克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.图书和期刊的著录格式

◆ 普通图书(原著): [序号]著者．书名[M]．版本(第1版不著录)．出版地:出版者,出版年:引文页码． [3]余敏．出版集团研究[M]．北京:中国书籍出版社,2001:179-193． [4]中国社会科学院语言研究所词典编辑室．现代汉语词典[M]．修订本．北京:商务印书馆,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通图书(译著): [序号]著者．书名[M]．译者,译．版本．出版地:出版者,出版年:引文页码． [6]AGRAWAL G P． 非线性光纤光学[M]．胡国绛,黄超,译．天津:天津大学出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科学与工艺学原理[M]．李庆龙,译．2版．北京:中国食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文页码． [8]蒋超,张沛,张永军,等．基于SRLG不相关的共享通路保护算法[J]．光通信技术,2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(无卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份(期):引文页码． [10]周可,冯丹,王芳,等．网络磁盘阵列流水调度研究[J]．计算机学报,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.电子文献的著录格式

◆ 电子文献: [序号]主要责任者．题名:其他题名信息[文献类型标志/文献载体标志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．获取和访问路径． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]萧钰．出版业信息化迈入快车道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.学位论文与论文集的著录格式

◆ 学位论文: [序号]著者．题名[D]．出版地:出版者,出版年:引文页码． [13]孙玉文．汉语变调构词研究[D]．北京:北京大学文学院,2000．

◆ 论文集: [序号]著者．题名[C]//著者．专题名:其他题名．出版地:出版者,出版年:引文页码． [14]白书龙．植物开花研究[C]//李承森．植物科学进展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Wide Range Voltage Regulating for Three-phase PWM Rectifier with Non Up-down Topology

XIANG Dong ZENG Qifan YU Fei

(Department of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The traditional main circuit topology of three-phase two-level PWM rectifier is a boost structure, which results in high output voltage minimum value and restricts its applications. In this paper, the influence factors of the output voltage value is discussed based on the analysis of steady state phasor relationship of the AC side, power conservation relationship, etc. The method of reducing the output voltage minimum value without changing the topology is given. This method achieved by changing the AC side power factor. Simulation and experiments prove the correctness and reliability of the analysis.

PWM rectifier, the broadening of adjustable voltage range, power factor

2015年3月4日,

2015年4月27日

向东,男,硕士,副教授,研究方向:电力电子与电力传动。曾启帆,男,博士研究生,研究方向:电力电子与电力传动。于飞,男,博士,副教授,研究方向:电力电子与电力传动。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.047