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基于三相PFC整流器在输入电压不对称时的问题分析

2021-10-12 20:09   来源:未知   作者:admin

  整流器在电网电压不对称时输入电流跟踪输入电压不良的问题,提出了一种有效的改进措施,通过计算相电压不对称系数,对占空比计算公式进行修正,以消除不对称电压对输入电流波形跟踪不良的影响,使每相电流均和各自的电压同相,从而实现单位功率因数和低电流畸变。在任意时刻,该整流器只需要两个开关管工作在高频状态,从而使开关管的总体损耗程度进一步降低。最后通过硬件实验验证了该控制策略的正确性。

  近十几年来, 随着电力电子技术的发展,许多大容量电机调速系统、家用电器等设备的电力供应都需要对交流电网进行各种AC/DCAC/DC/AC的变换。而使用传统的二极管或晶闸管为功率开关管的非线性变流装置进行的电源变换将会在电网中产生各种电流谐波,严重干扰了其他电气设备的正常工作,增加了功耗,同时使电网功率因数大大降低减少了电网的有效传送容量。为此,国际电工委员会的IEC1000-3-3 和IEC519 对整流设备的电流谐波和电磁干扰品质进行了严格。规定为了达到这些要求,各国学者对功率因数校正PowerFactor Correction,PFC技术进行了深入研究,并取得了一系列成果。现在,PFC技术已经成为电力电子学科的重要研究方向之一。目前,单相PFC 技术在电路拓扑和控制策略等方面已日趋成熟,但是三相PFC整流器由于各相电流互相耦合,需要较为复杂的控制算法才能实现,而且它的输出功率大,对电网的污染更加严重,因此三相功率因数校正技术的研究和实现具有重要意义已成为近年来的研究热点。

  三相 PFC 整流器的控制主要有半解耦和全解耦两大类,主流的控制算法有基于 d-q 解耦的空间矢量调制,迟滞比较算法和单周期控制等。空间矢量调制要求对输入电压进行d-q 解耦控制算法复杂,需采用数字信号处理器DSP 才能实现。而迟滞比较算法的开关频率不恒定,对输入和输出的干扰比较大,需要比较大的电感和电容作为滤波元件。

  基于单周期控制的三相PFC 整流器进行了比较深入的研究,该控制器是一种不需要乘法器的新颖控制器,只需对输入电流进行简单的积分和加减运算,并和参考电压直接进行比较即能实现恒调制频率的开关元件控制波形。该控制器同时具有调制和控制的双重功能,无论在稳态或暂态情况下,在控制周期内受控的输入电流平均值均能恰好正比于控制参考信号,具有动态响应快、开关频率稳定、鲁棒性强、易于实现等优点。因而成为三相PFC 整流器的主流控制算法。但是在三相输入电压对称的情况下进行研究而在三相电压不对称的情况下,输入电流虽然仍能保持低的电流畸变,但输入电流将与输入电压产生相移,未能达到单位功率因数的控制目标。本文在分析该控制器产生相移原因的基础上,提出改进的控制策略,使该控制器在三相输入电压不对称的情况下,各相输入电流仍能和输入电压保持同相,实现单位功率因数和低电流谐波。

  图 1 给出了双并联升压型三相整流器的主电路原理图。另外,图2 还给出了输入电压b 相幅值减少20% ,c 相相位滞后30 时三相电压的波形,并按虚线划分为六个区间。须注意的是,输入电压不对称的情况不同,其分区点也可能不同,分区点由各相非零序电压瞬时最大幅度区分点所确定。依据六阶段PWM 控制技术原理,三相整流器可以通过在线性周期的每一区间内控制两个开关的通断来实现单位功率因数。

  图2 b相幅值减小20% ,c相滞后30 时三相电压的波形图

  在开始详细分析前,假设输入电压为正弦波,三相电路参数对称,功率元器件的正向阻抗和其他寄生参数忽略不计。以图1 的主电路输入如图2 所示的电压为例,在区间I 内,开关Sb 一直处于导通状态,只对开关Sa 和Sc 进行控制,此时三相整流器可以解耦为如图3 所示的双并联升压型拓扑结构。

  图中 Vp 、Vn 为不同区间所对应的电压,Lp、 Ln 和Lt 为不同区间所对应的电感,Tp、 Tn 为不同区间所对应的主控开关,dp 、dn 为主控开关的占空比。由于PWM 开关频率远高于电网频率,因此,在一个开关周期内,各电感的电压平均值为零,运用回路电流法和节点电压法对各种开关状态进行分,析可得出:

  可以证明,式1 在任意区间的两种开关顺序都成立,并且只要电路工作在连续导通的模式,该等式即能准确反映出稳态电路的输入电压、输出电压和占空比三者之间的固定关系,与所采用的控制方案无关。因此式1 即为该整流器的状态方程。

  依据式4 构建三相PFC 整流器,并根据三相电压对称和实现单位功率因数的目标而令va = Reia ,vb = Reib和vc = Reic,然后根据va+vb+vc=0和ia+ib+ic=0 的约束条件得知只要控制其中两相电流跟踪对应相的电压,就可以使另外一相电流也跟踪该相电压。由此推算出实现单位功率因数的占空比计算公式:

  当输入电压不对称时,va+vb+vc=0 不一定成立,如果仍然按照式5 作为单周期控制的占空比函数,此时各相电流为:

  即 van0, vbn0 和vcn0 分别为各相电压不含零序电压的部分。由式(6) 和式(7 )可知,各相电流仍能保持低电流畸变。但若(va+vb+vc)/30, 输入电流和输入电压会存在一个相位差,从而导致系统不能实现单位功率因数。为使系统仍能实现单位功率因数的目标,必须改进系统的控制策略。

  三相输入电压不对称时,假设各相电流跟踪各自的相电压此,时可令从输入端看进去各相对中线的等效电阻为Ra ,Rb 和Rc 。因系统采用三相三线制在任意时刻均有:118图库论坛