pwm整流电路和逆变

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1、1 1 PWM 整流电路整流电路系统模型及工作原理分析系统模型及工作原理分析 系统模型是分析和设计三相 VSR 的基础， 从不同的角度出发可以建立不同形 式的系统模型， 对应的控制方法也往往不同。 VSR 的拓扑结构常见有： 单相 VSR、 三相 VSR、三电平 VSR 和基于软开关调制的 VSR。单相 VSR 的结构比较简单，故 以单相 VSR 为例说明电压型 PWM 整流器的工作原理。 本章主要研究三相 VSR 的系 统模型和工作原理。 1.1 单相电压型单相电压型 PWM 整流器工作原理整流器工作原理 图 1.1 给出了 PWM 整流电路的相量图，其中 NU . 表示电网电压， sU .

2、 表示 PWM 整流电路输入的交流电压， LU . 为连接电抗器 s L的电压。图中滞后的相角为， . s I与 . s U的相位完全相同，电路工作在整流状态，且功率因数为 1。这就是 PWM 整流电路的基本工作原理 11。 . N U . S U . L U . S I ABU . 图图 1 1.1.1 单相单相 PWMPWM 整流电路的向量图整流电路的向量图 图1.1中的单相VSR主电路由交流回路、 功率开关管桥路以及直流回路组成； 忽略电感和功率开关管桥路的等效损耗电阻。 其中交流回路包括交流电压e以及 网侧电感 re L等；直流回路包括直流电容 C、负载电阻 RL和负载电压 L e等。

3、 T3 1D3 T1 T2 D D2 C V L R re L L e e T4 D4 2 图图 1 1. .1 1 单相单相 VSRVSR 主电路主电路 稳态工作时，单相 VSR 输出直流电压不变，功率开关管按PWM方式开通和 关断，单相 VSR 交流侧输出电压与单相逆变器相同。由于电感的滤波作用，忽略 VSR 交流侧输出电压的谐波，单相 VSR 可以看作是可控的正弦单相电压源。它与 电网的正弦电压共同作用于输入电感 re L上，产生正弦输入电流。稳态条件下， 单相 VSR 交流侧矢量关系如图 1.3 所示。为简化分析，对于单相 VSR 模型电路， 只考虑基波分量而忽略 PWM 谐波分量，并

4、且不计交流侧电阻。这样从图 1.3 中可 以分析：当以电网电压矢量为参考时，通过控制单相 VSR 交流侧输出电压矢量 V 即可实现单相 VSR 的四象限运行。若假设I不变， Lre V =LI固定不变，在这种 情况下，单相 VSR 交流电压矢量 V 端点运动轨迹构成了一个以 L V为半径的圆。 D B AC 0 0 L VV E D B AC 0 0 L V V E I I （a a） （b b） D DI B AC 0 0L V V E B AC 0 0 L V V E I （c c） （d d） 图图 1 1. .3 3 单相单相 VSRVSR 交流侧稳态矢量关系交流侧稳态矢量关系 其中，

5、E为交流电网电压矢量，I为交流侧电流矢量，VL为交流侧电感电压 矢量，V为 VSR 交流侧电压矢量。 进一步分析，可得单相 VSR 四象限运行规律如下： （1）电压矢量 V 端点在圆轨迹弧 AB运动时，单相 VSR 运行于整流状态。 此时， 单相 VSR 需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过单相 VSR 由电网 传输至直流负载。值得注意的是，当单相 VSR 运行在 A 点运行时，电流矢量I 与电动势E滞后 90，此时 PWM 整流器网侧呈现纯电感特性，单相 VSR 则不从电 网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率，如图 1.3（a）所示。而在 B 3 点时，电流矢量I与电动势矢量E平

6、行且同向，此时 PWM 整流器网侧呈现正电阻 特性，实现单位功率因数整流控制，如图 1.3（b）所示。 （1） 当电压矢量V端点在圆轨迹弧 BC运动时， 单相 VSR 运行于整流状态。 此时， 单相 VSR 需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过单相 VSR 由电网 传输至直流负载。当单相 VSR 运行至 C 点时，电流矢量I与电动势E超前 90， 此时 PWM 整流器网侧呈现纯电容特性，单相 VSR 将不从电网吸收有功功率，而只 从电网吸收容性无功功率，如图 1.3（c）所示。 （3）当电压矢量V端点在圆轨迹弧 CD运动时，单相 VSR 运行于有源逆变 状态。 此时单相 VSR 向电网传

7、输有功及感性无功功率，电能将从单相 VSR 直流侧 传输至电网。 当单相VSR 运行至D点时， 电流矢量I与电动势矢量E平行且反向， 此时 PWM 整流器网侧呈现负阻特性，便可实现单位功率因数有源逆变控制，如图 1.3（d）所示。 （4）当电压矢量V端点在圆轨迹弧 DA运动时，单相 VSR 运行于有源逆变 状态。此时，单相 VSR 向电网传输有功及容性无功功率，电能将从单相 VSR 直流 侧传输至电网。 显然，要实现单相 VSR 四象限运行，关键在于交流网侧电流控制。对于单位 功率因数的单相 VSR，必须控制交流网侧电流，使单相 VSR 运行在图 1.3 中的 B 点和 D 点。 1.1 三相

8、三相 VSR 系统模型系统模型 三相 VSR 主电路结构如图 1.4 所示， T1T6为整流器功率开关管，D1D6为续 流二极管，在功率管不导通时，电流可以在二极管中续流。 4 T1T3T5 T6T2T4 D1 D3D5 D4D6D2 dc C dc U a b c d R d E N dc i dc i a e b e c e re L re R a i b i c i + - 0 图图 1 1. .4 4 三相三相 VSRVSR 主电路结构主电路结构 三相 VSR 的整流桥开关信号 Sk做如下的定义： k 1 0 S 上桥臂导通，下桥臂关断 上桥臂关断，下桥臂导通 （k=a，b，c） 为了

9、分析的方便，做如下的假设： （1）电网输入为理想电源即三相电压平衡（ea、eb、ec波形为幅值相等、相 位相差 120的理想正弦波）。 （1）网侧滤波电感 re L是线性的，不考虑饱和，而且各相电感大小和电阻阻 值相等。 （3）功率管为理想开关，没有过渡过程和功率损耗，其通断状态可以由开 关函数描述，而且不考虑死区对系统的影响。 （4）开关频率远大于电网频率，且忽略由开关引起的谐波。 1 1. .1 1.1 .1 基于三相静止坐标系的系统模型基于三相静止坐标系的系统模型 采用基尔霍夫电压定律建立三相 VSR a相回路方程为 a re aaaNNo di LR ieUU dt （1.1） 当 1

10、 T导通而 4 T关断时， a S=1，且 aNdc UU；当 1 T关断而 4 T导通时，开关函 数 a S=0，且 aN 0U，则 aNdca UU S，由式（1.1）可改写成： a rere aadcaNo di LR ieU SU dt （1.2） 同理，可得b、c相方程如下： 5 b rere bbdcbNo di LR ieU SU dt （1.3） c rere ccdccNo di LR ieU SU dt （1.4） 考虑为三相无中线系统中，三相电流之和为零 0 abc iii （1.5） 在大多数情况下，三相电网基本平衡，存在 0 abc eee （1.6） 联立式（1.1

11、）（1.6）得： , , 3 dc Nok k a b c U US （1.7） 又，直流侧电流 dc i与进线电流存在如下关系： dcaabbcc ii Si Si S （1.8） 对直流侧电容正节点处应用基尔霍夫电流定律，得： dc dcdaabbccd dU Ciii Si Si Si dt （1.9） 综合式（1.1）（1.4）、（1.7）和（1.9）得出三相 VSR 在三相静止（a， b，c）坐标系下的一般数学模型： 3 3 3 aac a rere aaadc aac b rere bbbdc aac c rere cccdc dc aabbccd SSSdi LR ieSU dt

12、 SSSdi LR ieSU dt SSSdi LR ieSU dt dU Ci Si Si Si dt （1.10） 这种一般数学模型具有物理意义清晰、直观等特点。但在这种数学模型中， 三相 VSR 交流侧均为时变交流量，因而不利于控制系统设计。 6 1 1. .1 1. .1 1 基于两相旋转坐标系系统模型基于两相旋转坐标系系统模型 在三相静止坐标系下， a e、 b e、 c e以及 a i、 b i、 c i存在耦合。通过坐标变换 可以简化系统模型，将三相静止坐标系abc变换到两相同步旋转d-q坐标系。 其中 d轴与三相电压合成矢量方向重合且以角速度逆时针同步，q轴超前d轴 90。 变

13、 换分 “等量” 坐标变换和 “等功率” 坐标变换， 本文所设计的变换均采用 “等量” 坐标变换。所谓“等量”坐标变换，是指在某一坐标系中的通用矢量与变换后的 另一坐标系中的通用矢量相等的坐标变换。坐标系之间的关系如图1.5所示，图 中E为三相输入电压的合成矢量。 B B C C A A 0 q d e q e E d b e c e a e 图图 1 1. .5 5 坐标系坐标系abcabc和和d d- -q q坐标系之间的关系坐标系之间的关系 遵循等量变换的原则，上述变换关系可以用下面的变换矩阵描述： 2 1 2 1 2 1 )120sin()120sin(sin )120(c)120co

14、s(cos 3 2 23 os C rs （1.11） 由此， 可以得到在旋转两相坐标系中的电压、 电流以及开关函数如下： 7 c b a rsq d e e e C e e e 23 0 （1.11） 32 0 da qsrb c ii iCi ii （1.13） 32 0 da qsrb c SS SCS SS （1.14） 根据式（1.11）和式（1.13），可得到三相 VSR 在旋转两相d-q坐标系下的 系统模型为： 3 2() 2 3 2() 2 d redre dre qddc q reqre qre dqdc dcdcd d dq q d dcdcd d dq q d di LeR iL iS U dt di LeR iL iS U dt dUUE CS iS i dtR dUUE CS iS i dtR （1.15） 1.3 三相三相 VSR 电流控制技术电流控制技术 为了使网侧电流波形能够很好地跟踪电压波形， 网侧电流的控制显得十分重 要。三相VSR电流控制的两个控制目标：稳定直流侧电压；实现网侧在受控功 率因数（如cos1）工作。为了实现第一个目标，控制系统中需控制直流侧电 压，一般都采用电压闭环控制；对于第