三相電壓型單位功率因數整流器的新型間接電流

關鍵詞：三相整流器；功率因數校正；間接電流控制

圖1三相電壓型整流器主電路拓撲

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PWM整流器輸入電流進行開環控制。盡管間接電流控制的動態響應不及直接電流控制，但由于它開關機理清晰，不需要電流傳感器和電流控制回路，故控制簡單，所需成本低，因而在對PWM整流器動態性能要求不太高時，PAC控制仍有一定的應用場合。本文將提出一種新的間接電流控制方案。

2傳統的控制方案[1]

三相電壓型PWM整流器主電路見圖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為負載電阻，C為輸出濾波電容。假定三相電路系統參數完全對稱且開關管均是理想的,不計輸入電阻。

間接電流控制是一種基于系統穩態模型的控制策略。傳統的PAC控制所依賴的靜態數學模型是三相靜止坐標系下的低頻數學模型，參見式（1）[2]：（1）

圖2傳統的PAC控制方案

圖3單相基波相量圖

式中：ω為電網角頻率；

mi（i=a,b,c）為三相調制比；

Im為單位功率因數時輸入電流基波幅值；

L=La=Lb=Lc。

在間接電流控制中是不檢測電流的，故式(1)中的Im應視作控制信號Im＊，在穩態時Vo即為Vref，于是由式(1)即產生了如圖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可知傳統的PAC控制除了檢測直流輸出電壓外，還要檢測三相輸入電源電壓。本文提出一種新的PAC控制方案，該方案只檢測直流輸出電壓(這是實現電壓環控制所必需的)，因而省去了傳統方案中的三相電源電壓的檢測電路和移相電路，從而使控制得到簡化。

分析時假定輸入電感L（輸入電感的電阻很小通常可忽略）、電源角頻率ω、負載電阻R等均為已知。根據三相電壓型PWM整流器主電路各參數和控制參數間的穩態關系[3]可知，在單位功率因數(φ=0°)且已知直流輸出電壓Vo的情況下，調制比m與調制角δ必須滿足下式（調制角的含義參見圖4）：δ=arcsin(2)

即單位功率因數時調制比m與調制角δ只與系統參數ω、L、R等有關。同時，當給定輸入電源電壓與直流輸出電壓時，調制比m與調制角δ又滿足電壓傳輸比的約束關系[3]:

Gv==(3)

式中：Vm為電網相電壓的幅值。

解式（2）和（3）可得：

m=（4）

由式（4）可見，調制比m只與系統參數與電壓傳輸比Gv有關。因此，可以通過電壓環的調節作用獲取所需的調制比mr.(PI調節器的設計是關鍵，而在圖2所示的傳統控制方案中電壓環的作用是產生Im＊)，按照單位功率因數運算法則〔式（2）〕可確定期望的δ，而它的實現又可避開檢測輸入電壓。當電壓調節環使輸出電壓穩定時，則相應的mr.、δ必然既滿足電壓傳輸比的約束，又滿足單位功率因數的約束。當輸入交流電壓發生改變時，必然會使Gv發生波動，通過電壓環的作用改變mr的值使其工作在另一穩定工作點。

設Vpm為三相輸入端基波相電壓的幅值，穩態時單位功率因數時的單相基波相量圖見圖3（下標1、2分別表示兩種不同的穩態）。該控制方案的穩態運行軌跡見圖3中的AB段，最后系統工作于滿足電壓傳輸比的某一點。

該控制方案的原理如圖4所示。從圖4可見，該方案不需檢測輸入電壓，只需提供電源電壓的同步信號即可。PI調節器的輸出經限幅后作為調制比參考信號mr，由mr根據單位功率因數控制算法確定出相應的δ。

3.2新方案的仿真驗證

為驗證上述方案，本文用Saber5.1進行了仿真。假定系統參數為，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)三相調制電壓波形

圖5新型PAC控制方案的仿真波形

R=15Ω，設計的電壓調節器為PI調節器：0.8＋0.4/s,開關頻率為20kHz，輸出電壓為600V。

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

4結語

本文提出的一種新的PAC控制方案，相對傳統方案而言，不需檢測輸入電源電壓，因而控制更簡單，更能降低硬件成本，從而更能體現PAC控制的優點。最后本文通過仿真驗證了該方案的正確性。

參考文獻

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