电力电子变流技术中的三相电压型PWM可控整流器研究

崔 红，高有清

（1.辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳 110122；2.沈阳光大环保科技股份有限公司，辽宁 沈阳 110026）

0 引言

在工业领域的许多场合，需要变流器进行电能变换，如高速电机的功率变换系统。但传统的电能变换方式会对电网造成较大的谐波污染。将PWM技术应用到整流器中，能够达到减小谐波的目的。随着新型电力电子器件的开发，先进控制算法的应用，使PWM整流器的性能逐步提升。

1 三相电压型PWM可控整流器的电路结构

PWM可控整流器通常分为两类：电流型和电压型。与电流型PWM可控整流器相比，电压型PWM可控整流器具有结构简单、控制方便的特点。三相电压型PWM可控整流器电路结构如图1所示。

图1中，ua，ub，uc表示三相电网电压，ia，ib，ic表示三相输入电流，La，Lb，Lc表示交流侧滤波电感，RLa，RLb，RLc表示滤波电感的等效内阻，Cdc表示直流侧的滤波电容，VT1～VT6表示可控整流器的6个功率开关器件，R0表示负载电阻，EL表示直流电动势，id为母线侧电流，0表示电网的中性点，N表示下桥臂的节点。三相电压型PWM可控整流器拓扑结构具有输入交流侧谐波小、输出直流侧电压稳定的特点，适合在大功率的场合应用。

图1 三相电压型PWM可控整流器的电路结构

2 三相电压型PWM可控整流器的原理分析

根据三相电压型PWM可控整流器的电路结构，通过对功率开关器件VT1～VT6进行PWM控制，由于电感的存在，交流侧电流不能突变，能够使电流波形接近于正弦化[1]。而且，能够跟踪交流侧电压波形的变化，使功率因数接近于1。开关频率越高，电流波形越接近于正弦。通常用空间矢量描述整流桥的开关状态。每一相桥臂有两种开关模式，上桥臂导通、下桥臂关断用1表示，下桥臂导通、上桥臂关断用0表示。三相PWM整流器共有（000-111）8种工作状态，其中包括6种非零状态矢量（001-110）和2种零状态矢量（000）和（111）。

3 三相电压型PWM可控整流器的数学模型

为便于建立三相ABC静止坐标系下的数学模型，做以下假设：（1）电网电压三相平稳对称；（2）功率开关器件是理想开关，无开关损耗；（3）网侧电感是线性滤波电感；（4）直流侧负载由电阻和反电势串联等效。

开关函数分别定义为Sa，Sb，Sc，上、下桥臂的逻辑关系相反。上、下桥臂通断状态分别用1和0表示，上桥臂通为1，下桥臂通为0。

从式（6）可知，在三相ABC静止坐标系下，三相电流ia，ib，ic相互耦合，需要对ia，ib，ic进行解耦。为了有利于控制系统设计，可以将三相ABC静止坐标系通过坐标变换转换成同步旋转dq坐标系。

4 三相电压型PWM可控整流器控制器的设计

对于高速电机的功率变换系统，为了减小电流谐波对高速电机产生的影响，设计合理的PWM可控整流器控制器非常重要。

三相电压型PWM可控整流器控制器通常采用双闭环控制策略。电压外环可控制三相整流器的母线电压，电流内环可按照外环的电流指令控制电流，实现高功率因数的电流控制。电压电流双闭环控制结构如图2所示。

图2 电压电流双闭环控制结构

5 系统仿真

基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了三相电压型PWM可控整流器系统的仿真模型[2]。仿真参数为：输入电压（线电压）为380V，输入电压频率f=200 Hz，输出直流电压U= 600 V，直流母线电容C=2 200 μF，滤波电感L=5 mH，串联 5 Ω电阻，采样频率为10 kHz，直流电源电压为300 V。三相电压型PWM可控整流器直流侧输出电压波形如图3所示。网侧相电压和相电流波形如图4所示。

图3 整流时直流母线电压波形

图4 相电压和相电流波形

由仿真结果可知，整流器直流侧的母线电压在经过小幅度的超调后稳定在设定值，网侧相电流和相电压的相位基本相同，网侧功率因数接近于1。表明三相PWM可控整流器的谐波抑制能力很强。

6 结语

对于高速电机功率变换系统，研究了三相电压型PWM可控整流器的电路结构、工作原理、数学模型以及三相电压型PWM可控整流器控制器的设计，对三相电压型PWM可控整流器系统进行了仿真研究[3]。仿真结果说明，整流器输出侧的直流电压稳定，网侧相电流的相位能够较好地跟随相电压的相位，采用三相电压型PWM可控整流器具有很强的谐波抑制能力，能够提高系统的控制精度。