三相電壓型單位功率因數(shù)整流器的新型間接電流控制方案

摘要：基于三相電壓型PWM整流器主電路參數(shù)和控制參數(shù)間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，提出一種新的間接電流控制方案。該方案不需檢測(cè)電源電壓，因而使得硬件和成本都得到減少。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方案。
 

關(guān)鍵詞：三相整流器；功率因數(shù)校正；間接電流控制

圖1三相電壓型整流器主電路拓?fù)?/p>

1引言

三相電壓型PWM整流器的控制方式可分為直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制[1]又稱幅值相位控制(PAC)，它對(duì)PWM整流器輸入電流進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。盡管間接電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不及直接電流控制，但由于它開(kāi)關(guān)機(jī)理清晰，不需要電流傳感器和電流控制回路，故控制簡(jiǎn)單，所需成本低，因而在對(duì)PWM整流器動(dòng)態(tài)性能要求不太高時(shí)，PAC控制仍有一定的應(yīng)用場(chǎng)合。本文將提出一種新的間接電流控制方案。

2傳統(tǒng)的控制方案[1]

三相電壓型PWM整流器主電路見(jiàn)圖1。圖中Vi、Vpi、Li(其中i=a,b,c)分別是三相輸入電源電壓、整流器輸入端電壓、輸入電感，R為負(fù)載電阻，C為輸出濾波電容。假定三相電路系統(tǒng)參數(shù)完全對(duì)稱且開(kāi)關(guān)管均是理想的,不計(jì)輸入電阻。

間接電流控制是一種基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型的控制策略。傳統(tǒng)的PAC控制所依賴的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是三相靜止坐標(biāo)系下的低頻數(shù)學(xué)模型，參見(jiàn)式（1）[2]：（1）

圖2傳統(tǒng)的PAC控制方案

圖3單相基波相量圖

式中：ω為電網(wǎng)角頻率；

mi（i=a,b,c）為三相調(diào)制比；

Im為單位功率因數(shù)時(shí)輸入電流基波幅值；

L=La=Lb=Lc。

在間接電流控制中是不檢測(cè)電流的，故式(1)中的Im應(yīng)視作控制信號(hào)Im＊，在穩(wěn)態(tài)時(shí)Vo即為Vref，于是由式(1)即產(chǎn)生了如圖2所示典型的控制方案。

3一種新的PAC控制方案

3.1新PAC控制方案的原理 由圖2可知傳統(tǒng)的PAC控制除了檢測(cè)直流輸出電壓外，還要檢測(cè)三相輸入電源電壓。本文提出一種新的PAC控制方案，該方案只檢測(cè)直流輸出電壓(這是實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)控制所必需的)，因而省去了傳統(tǒng)方案中的三相電源電壓的檢測(cè)電路和移相電路，從而使控制得到簡(jiǎn)化。

分析時(shí)假定輸入電感L（輸入電感的電阻很小通?？珊雎裕㈦娫唇穷l率ω、負(fù)載電阻R等均為已知。根據(jù)三相電壓型PWM整流器主電路各參數(shù)和控制參數(shù)間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系[3]可知，在單位功率因數(shù)(φ=0°)且已知直流輸出電壓Vo的情況下，調(diào)制比m與調(diào)制角δ必須滿足下式（調(diào)制角的含義參見(jiàn)圖4）：δ=arcsin(2)

即單位功率因數(shù)時(shí)調(diào)制比m與調(diào)制角δ只與系統(tǒng)參數(shù)ω、L、R等有關(guān)。同時(shí)，當(dāng)給定輸入電源電壓與直流輸出電壓時(shí)，調(diào)制比m與調(diào)制角δ又滿足電壓傳輸比的約束關(guān)系[3]:

Gv==(3)

式中：Vm為電網(wǎng)相電壓的幅值。

解式（2）和（3）可得：

m=（4）

由式（4）可見(jiàn)，調(diào)制比m只與系統(tǒng)參數(shù)與電壓傳輸比Gv有關(guān)。因此，可以通過(guò)電壓環(huán)的調(diào)節(jié)作用獲取所需的調(diào)制比mr.(PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，而在圖2所示的傳統(tǒng)控制方案中電壓環(huán)的作用是產(chǎn)生Im＊)，按照單位功率因數(shù)運(yùn)算法則〔式（2）〕可確定期望的δ，而它的實(shí)現(xiàn)又可避開(kāi)檢測(cè)輸入電壓。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)環(huán)使輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，則相應(yīng)的mr.、δ必然既滿足電壓傳輸比的約束，又滿足單位功率因數(shù)的約束。當(dāng)輸入交流電壓發(fā)生改變時(shí)，必然會(huì)使Gv發(fā)生波動(dòng)，通過(guò)電壓環(huán)的作用改變mr的值使其工作在另一穩(wěn)定工作點(diǎn)。

設(shè)Vpm為三相輸入端基波相電壓的幅值，穩(wěn)態(tài)時(shí)單位功率因數(shù)時(shí)的單相基波相量圖見(jiàn)圖3（下標(biāo)1、2分別表示兩種不同的穩(wěn)態(tài)）。該控制方案的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行軌跡見(jiàn)圖3中的AB段，最后系統(tǒng)工作于滿足電壓傳輸比的某一點(diǎn)。

該控制方案的原理如圖4所示。從圖4可見(jiàn)，該方案不需檢測(cè)輸入電壓，只需提供電源電壓的同步信號(hào)即可。PI調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)限幅后作為調(diào)制比參考信號(hào)mr，由mr根據(jù)單位功率因數(shù)控制算法確定出相應(yīng)的δ。

3.2新方案的仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述方案，本文用Saber5.1進(jìn)行了仿真。假定系統(tǒng)參數(shù)為，Vm=311V，L=5mH，C=1000μF，

圖4一種新的PAC控制方案原理圖

(a)Vo的波形

(b)Va、ia的波形

(c)三相調(diào)制電壓波形

圖5新型PAC控制方案的仿真波形

R=15Ω，設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器：0.8＋0.4/s,開(kāi)關(guān)頻率為20kHz，輸出電壓為600V。

仿真波形見(jiàn)圖5，由仿真可知m=0.79,δ=20°,由此可見(jiàn)，理論分析與仿真結(jié)果基本一致。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出的一種新的PAC控制方案，相對(duì)傳統(tǒng)方案而言，不需檢測(cè)輸入電源電壓，因而控制更簡(jiǎn)單，更能降低硬件成本，從而更能體現(xiàn)PAC控制的優(yōu)點(diǎn)。最后本文通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方案的正確性。