三相三開關(guān)降壓型PWM整流器的研究

段戀鴻 張代潤(rùn) 黃 鈺

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

三相三開關(guān)降壓型PWM整流器的研究

段戀鴻 張代潤(rùn) 黃 鈺

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

本文提出了一種基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的新型三相三開關(guān)降壓型整流器。通過(guò)在傳統(tǒng)三相橋式不可控整流電路各橋臂添加可控開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)橋臂的主動(dòng)控制，根據(jù)開關(guān)管功率損耗和交流側(cè)諧波電流的分析，得到了一種最小功率損耗的調(diào)制方式。該電路拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控開關(guān)管數(shù)目少、控制方便等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)從交流到直流的整流降壓功能，同時(shí)具有網(wǎng)側(cè)電流畸變率低、直流輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性，證明此種電路拓?fù)涞牧己锰匦?，具有很好的?yīng)用前景。

電力電子；整流器；脈沖寬度調(diào)制；三開關(guān)；降壓型

隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及各行業(yè)對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備（如通信電源、變頻調(diào)速器、電弧焊電源等）都不是直接使用公共電網(wǎng)提供的交流電[1]，而是對(duì)其通過(guò)各種形式進(jìn)行變換得到各自所需要的電能，這其中就包含將交流電變換成直流電的整流電路。當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或者對(duì)直流側(cè)電壓脈動(dòng)要求較小時(shí)，宜采用三相整流電路。

圖1 三相橋式不可控整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在三相整流電路中，三相橋式不可控整流電路如圖1所示，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)可控開關(guān)元件、成本較低、無(wú)需控制等優(yōu)點(diǎn)，曾應(yīng)用于對(duì)電能質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，但存在不可控整流的輸出直流電壓脈動(dòng)較大、交流側(cè)諧波畸變率大的缺點(diǎn)，已經(jīng)不適用于對(duì)電能質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格的今天。而三相橋式全控整流電路因其具有直流輸出電壓脈動(dòng)很小、輸出電壓可控、交流側(cè)諧波畸變率小等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的三相橋式全控電路[2]。它包括電壓型和電流型兩種全控電路。電壓型全控整流電路通過(guò)電容儲(chǔ)能，可實(shí)現(xiàn)升壓功能；而電流型全控整流電路通過(guò)電感儲(chǔ)能，可實(shí)現(xiàn)降壓功能。但因其直流側(cè)儲(chǔ)能電感大、交流側(cè)電流畸變振蕩和三值邏輯的復(fù)雜問(wèn)題，導(dǎo)致控制復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中遇到很多困難[3]。

以上無(wú)論是何種整流電路，不是輸出電壓波動(dòng)較大、交流側(cè)電流諧波大等電能質(zhì)量問(wèn)題，就是所用電力電子器件多、控制復(fù)雜等問(wèn)題。我們希望有這樣一種的整流電路：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用可控開關(guān)數(shù)目少，控制方便，具有網(wǎng)側(cè)正弦電流，單位功率因數(shù)，可降壓，輸出電壓脈動(dòng)小[4]。為了得到設(shè)想的整流電路，本文研究了一種基于脈寬調(diào)制技術(shù)的三相三開關(guān)降壓型整流器，它可以很好解決這些問(wèn)題。

1 新型三相三開關(guān)PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文通過(guò)在傳統(tǒng)三相橋式不可控整流電路各橋臂添加可控開關(guān)管，另外增加兩個(gè)快速恢復(fù)二極管構(gòu)成一個(gè)可控單元，由3個(gè)可控單元組合可構(gòu)成三相三開關(guān)整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)包含3個(gè)可控開關(guān)，并且具有Buck型結(jié)構(gòu)，可通過(guò)控制3個(gè)開關(guān)管即可實(shí)現(xiàn)降壓、抑制諧波以及提高功率因數(shù)的目的[5]。

圖2 三相三開關(guān)降壓型整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 新型三相三開關(guān)PWM整流器工作原理

根據(jù)三相線電壓的瞬時(shí)值關(guān)系可將一個(gè)工頻周期分為12個(gè)區(qū)間，如圖3所示。在每一個(gè)區(qū)間，電流流經(jīng)電壓瞬時(shí)值最大和最小的兩相，電壓瞬時(shí)值居中的相所對(duì)應(yīng)的開關(guān)處于直通狀態(tài)，另外兩個(gè)開關(guān)通過(guò)高頻斬波信號(hào)處于高速通斷狀態(tài)[6]。圖 3陰影部分是本文研究的一個(gè)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)相電壓

圖3 電網(wǎng)電壓被劃分為12個(gè)區(qū)

為了描述開關(guān)管Si，i=R,S,T的開關(guān)狀態(tài)，令s=0為開關(guān)管斷開，s=1為開關(guān)管導(dǎo)通。降壓型開關(guān)狀態(tài)可以用來(lái)代表，在陰影部分的各開關(guān)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 三相三開關(guān)整流電路開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)

當(dāng)si=1，i=R,S,T時(shí)，橋臂i對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)二極管整流電路的一個(gè)橋臂，因此可以很容易得到不同開關(guān)狀態(tài)下的電流路徑。例如，當(dāng)sR=0、sS=1、sT=1時(shí)，這時(shí)在S相得到一個(gè)正極電流+I，在 T相得到負(fù)極電流-I。如果所有的開關(guān)管Si，i=R,S,T都導(dǎo)通，即j=(1 1 1)，此時(shí)的系統(tǒng)就等效為三相橋式不可控電路。由于所以得到由于輸入相電流特性相同，所以開關(guān)狀態(tài)j=(1 0 1)或j=(1 1 1)都可以獲得。同理，可以分析其他幾種開關(guān)狀態(tài)和輸出電流的關(guān)系。

3 開關(guān)狀態(tài)順序的確定及開關(guān)損耗的計(jì)算

3.1 確定開關(guān)狀態(tài)順序

通常來(lái)講，一個(gè)好的開關(guān)順序應(yīng)該盡量使功率開關(guān)在切換過(guò)程中的功率損耗最小，如果不考慮這個(gè)因素，那么就有很多種有效開關(guān)順序，見表1。

表1 有效開關(guān)順序

在表 1中，開關(guān)狀態(tài)既可以是對(duì)稱的（見表 1序列1.x和2.x），也可以不對(duì)稱（見表1序列3.1）。另外，續(xù)流狀態(tài)既可以被放在中間（如序列 2.x），也可以被放在末尾（如序列1.x）。在π/3的區(qū)間內(nèi)，有一個(gè)功率開關(guān)管是被鉗位的（序列1.1，1.2，2.1，3.1）或者讓開關(guān)狀態(tài)j=(0 0 0)作為續(xù)流狀態(tài)（序列1.3，2.2）。如果只考慮開關(guān)切換的數(shù)目，以上開關(guān)狀態(tài)順序之間就沒(méi)有什么不同，但就開關(guān)損耗而言，它們之間則有很大差別。

3.2 計(jì)算開關(guān)損耗

為了簡(jiǎn)便，假設(shè)：①開關(guān)能量損耗w與開關(guān)電壓u(t)成比例關(guān)系，比例系數(shù)為k；②開關(guān)電流I為常數(shù)。因此，可以計(jì)算功率開關(guān)Si從導(dǎo)通到關(guān)斷過(guò)程中的能量損耗，即

同樣，可以得到功率開關(guān)從關(guān)斷到導(dǎo)通過(guò)程中的能量損耗，即

那么，就可以計(jì)算出在工頻周期TN期間所有功率開關(guān)的能量損耗的平均值，即

舉例表1的序列1.1，從開關(guān)狀態(tài)j=(1 1 1)到開關(guān)狀態(tài)j=(1 1 0)，功率開關(guān)ST在電壓為uCF,ST時(shí)關(guān)斷，在下一個(gè)切換過(guò)程j=(1 1 0)到j(luò)=(1 0 0)時(shí)，功率開Ss關(guān)在電壓為uCF,RS時(shí)關(guān)斷；在下一個(gè)半周期，功率開關(guān)ST和Ss以剛才的電壓導(dǎo)通，只不過(guò)順序不同。假設(shè)比例系數(shù)，則可以得到以上開關(guān)狀態(tài)順序的能量損耗為

根據(jù)式（5），可以得到在一個(gè)工頻周期內(nèi)所有開關(guān)管功率損耗的平均值，即

同樣，根據(jù)表1中其他開關(guān)狀態(tài)順序的功率損耗，可以類似的求出各開關(guān)序列的功率損耗平均值，見表2。

表2 各開關(guān)序列的功率損耗平均值

從表2可以看出，1.x的開關(guān)系列開關(guān)損耗最小，即將帶有續(xù)流狀態(tài)放在首端或者末尾的開關(guān)順序比其他開關(guān)系列具有更好的優(yōu)勢(shì)。

4 控制策略

本文系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方式，將電壓外環(huán)將采樣的直流輸出電壓與給定值uref進(jìn)行比較，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，然后將它們的差值經(jīng)PI調(diào)制過(guò)后作為電流內(nèi)環(huán)的給定值與采樣的輸出電流dci作比較，再經(jīng)過(guò)PI調(diào)制與相位邏輯單元和三角載波共同作用得到PWM波形，最后通過(guò)邏輯單元分配給3個(gè)開關(guān)，通過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制可以使交流側(cè)電流正弦化[7]。由于上述兩個(gè)環(huán)都是對(duì)直流量進(jìn)行控制，省去了傳統(tǒng)三相電壓型、電流型整流器為控制直流量而進(jìn)行的 dq變換環(huán)節(jié)，因此該控制方式簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，易于實(shí)現(xiàn)。三相三開關(guān)整流電路控制框圖如圖5所示。

圖5 三相三開關(guān)整流電路控制框圖

5 仿真及仿真波形分析

為了驗(yàn)證本文方案的可行性，使用Matlab仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，所用參數(shù)見表3。

表3 三相三開關(guān)PWM整流器系統(tǒng)仿真參數(shù)

通過(guò)仿真可以看出，圖6所示的網(wǎng)側(cè)R相輸入電流呈現(xiàn)正弦化，諧波畸變率小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%；圖7所示的直流側(cè)輸出電流脈動(dòng)小，具有很快的響應(yīng)速度，在0.003s即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；圖8所示的系統(tǒng)的功率因數(shù)可達(dá)到0.994。

圖6 網(wǎng)側(cè)R相輸入電壓電流波形圖

圖7 直流側(cè)輸出電流波形圖

圖8 網(wǎng)側(cè)功率因素

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)三相橋式不可控整流電路各橋臂添加可控開關(guān)，以及對(duì)開關(guān)管功率損耗和交流側(cè)諧波電流的分析，得到了一種最小功率損耗的調(diào)制方式，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)以及仿真結(jié)果的分析，驗(yàn)證了本文方案的可行性，得出結(jié)論：三相三開關(guān)整流器比電流型整流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到交流側(cè)電流正弦化、高功率因數(shù)和快速響應(yīng)的目的。因此，該整流器在大功率降壓型應(yīng)用場(chǎng)合具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和很好的應(yīng)用前景。

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Research of a Three-phase Three-Switch Buck-Type PWM Rectifier

Duan Lianhong Zhang Dairun Huang Yu
(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu 610065)

A novel three-phase three-switch buck-type rectifier based on pulse width modulation technology.The rectifier has realized the active control of each bridge arm by adding controllable switch in each bridge arm of the traditional three-phase bridge uncontrolled rectifier circuit,according to the switch tube power loss and the analysis of the ac side’s harmonic current,a modulation method based on minimum power loss is presented.The circuit topology has the advantages of simple structure,less number of controllable switch tube,and easy control,which can realize the function from ac to dc buck rectification,the circuit topology also has a lot of satisfactory characteristics such as small aberration rate of ac side’s current and stable dc output voltage etc.Finally,the correctness of the theoretical analysis is verified by simulation,and it is obvious that the circuit topology with satisfactory characteristics will be wide use in the foreseeable future.

power electronics；rectifier；pulse width modulation(PWM)；three-switch；buck- type

段戀鴻（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制技術(shù)。