三相電壓型PWM變換器

1、第2章三相電壓型PWM變換器本章首先簡要概述了三相電壓型 PWM變換器的原理，分析了 PWM變換器 具備四象限運行能力的原因，并介紹了電壓型PWM變換器幾種常見的拓撲結構。然后給出了電壓型PWM變換器分別在三相靜止ABC坐標系、兩相靜止 坐標系和兩相旋轉d q坐標系下的數(shù)學模型。2.1 PWM變換器的根本原理整流器的開展經(jīng)歷了二極管不控整流、晶閘管相控整流器到可關斷功率開關 管的PWM整流器。二極管不控與晶閘管相控整流器均會在網(wǎng)側電流中產生諧 波，且功率因數(shù)不高，其中，二極管不控整流的直流側母線電壓不可控。PWM整流器以其優(yōu)良的性能成為開展的趨勢。PWM整流器不但實現(xiàn)網(wǎng)側電流正弦化， 單位功率

2、因數(shù)控制，電能的雙向傳輸以及快速的動態(tài)控制響應。PWM整流器不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)的 AC-DC整流功能，還由于其具備四象限運 行能力，使得其可工作在逆變狀態(tài)，實現(xiàn)電能從直流側向電網(wǎng)側傳輸。由于PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)受控電流源特性，因此其網(wǎng)側功率因數(shù)可控。當控制其網(wǎng)側電 流網(wǎng)測電壓同相時，PWM整流器運行于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)；當控制器網(wǎng)側 電流與網(wǎng)側電壓反相時，PWM整流器運行于單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)。雙 PWM 交-直-交變頻器正是采用了 PWM整流和PWM逆變的兩種特性。當電機運行于 亞同步速發(fā)電時，能量從電網(wǎng)通過變頻器流入電機，網(wǎng)側變換器處于整流狀態(tài)而 電機側變換器處于逆變狀態(tài)；當電機運行于超同步

3、速時，能量從電機通過變頻器 回饋到電網(wǎng)，此時網(wǎng)側變換器處于逆變狀態(tài)而電機側變換器處于整流狀態(tài)。兩變換器的工作狀態(tài)的轉換完全由功率流向決定、自動完成。PWM變換器電路可看作由交流回路、功率開關管橋路以及直流回路組成,如圖2.1。其中，交流回路由電網(wǎng)電動勢 e和交流側電感L組成；功率開關管橋 路依據(jù)電壓型或電流型PWM變換器有所不同；直流回路由負載電阻 Rl和負載 電動勢eL組成。當不考慮功率開關管的橋路損耗時，交流側輸入或回饋的功率 和直流側消耗或產生的功率相平衡，有：i?V=idc?Vdc(2.1)其中：V、i為交流側電壓、電流；Vdc、idc為直流側電壓、電流；由式2.1可知，通過控制交流側

4、的電壓、電流可實現(xiàn)對直流側的控制；反過來， 通過直流側的控制可實現(xiàn)交流側的控制。圖2.1 PWM變換器模型電路2.1.1 PWM變換器的四象限運行為便于理解PWM變換器的四象限運行能力，從變換器穩(wěn)態(tài)條件下的交流側 矢量關系來闡述，如圖2.2。當網(wǎng)側電流矢量I幅值不變時，由|Vl|=況|1|可知， 電感電壓矢量Vl的幅值也不變，電網(wǎng)電壓矢量也可看作不變，那么可以得到交流 側電壓矢量V的軌跡為一個以電感電壓矢量 Vl的幅值為半徑的圓。PWM整流器可運行圓上的任一點而呈現(xiàn)不同的特性。其中有4個運行點最為特殊，它們分 別是純電感特性運行點， 正阻特性運行點、 純電容特性運行點以及負阻特性運行 點。當運

5、行于純電感特性點，網(wǎng)側電壓矢量 E 超前于網(wǎng)側電流矢量 I 90 度；當 運行于正阻特性點， 網(wǎng)側電壓矢量 E 與網(wǎng)側電流矢量 I 同相位；當運行于純電容 特性點，網(wǎng)側電壓矢量 E 滯后于網(wǎng)側電流矢量 I 90 度；當運行于負阻特性點， 網(wǎng)側電壓矢量 E 與網(wǎng)側電流矢量 I 相位相反。當 PWM 變換器處于第一象限運行時，網(wǎng)側電壓矢量 E 滯后網(wǎng)側電流矢量 I 的角度介于 90 度和 180 度之間，此時 PWM 變換器處于有源逆變狀態(tài)，有功功 率和容性無功功率從直流側向電網(wǎng)傳輸， 能量回饋到電網(wǎng)上； 當 PWM 變換器處 于第二象限運行時，網(wǎng)側電壓矢量 E 超前網(wǎng)側電流矢量 I 的角度介于

6、90 度和 1 80 度之間，此時 PWM 變換器仍處于有源逆變狀態(tài)，有功功率和感性無功功率 從直流側向電網(wǎng)傳輸，能量回饋到電網(wǎng)上；當PWM變換器處于第三象限運行時， 網(wǎng)側電壓矢量E超前網(wǎng)側電流矢量I的角度介于0度和90度之間，此時PWM 變換器工作在整流狀態(tài)，有功功率和感性無功功率從直流側向電網(wǎng)傳輸， PWM 變換器從電網(wǎng)吸收能量； 當 PWM 變換器處于第四象限運行時， 網(wǎng)側電壓矢量 E 滯后網(wǎng)側電流矢量 I 的角度介于 0 度和 90 度之間，此時 PWM 變換器工作在整 流狀態(tài)，有功功率和容性無功功率從直流側向電網(wǎng)傳輸， PWM 變換器從電網(wǎng)吸 收能量；從以上分析可得看出， 通過控制電

7、網(wǎng)側電流可以實現(xiàn) PWM 變換器的四 象限運行。圖2.2 PWM變換器交流側穩(wěn)態(tài)矢量圖電壓型PWM變換器的根本電路拓撲結構PWM變換器技術開展到今天，已經(jīng)設計出了多種 PWM變換器。最根本的 分類方法是根據(jù)直流儲能形式的不同分為電壓型和電流型兩類。電流型PWM整流器因為需要大直流儲能電感和交流側 LC濾波環(huán)節(jié)所致使的電流畸變、振蕩的 問題，其開展受到一定的限制。但是隨著超導技術的開展和超導儲能技術的應用， 超導線圈可作為直流儲能電感，電流型PWM整流器也開始得到了開展，尤其是 在超導儲能變流環(huán)節(jié)，電流型PWM整流器無需另加直流電感，并且具有良好的 電流保護性能，使得它比電壓型 PWM整流器具有

8、更大的優(yōu)勢。而電壓型 PWM 變換器因其結構簡單，損耗小，控制方便成為研究的熱點。其最顯著的拓撲特征 就是直流側采用電容進行直流儲能，使得變換器直流側呈現(xiàn)低阻抗的電壓源特 性。直流端接充電電池電壓型PWM整流器的拓撲結構主要有單相半橋、全橋；三相半橋、全橋和三電平三類。每種拓撲結構均有各自的優(yōu)缺點。接下來簡要表達這幾類拓撲結構 的工作原理。圖2.3為單相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓撲結構。二者網(wǎng)側 的機構一樣，由單相電網(wǎng)和輸入電感組成，電感可以濾波網(wǎng)側電流的諧波。 兩者 的主要區(qū)別在于功率開關管橋路和直流側電容：半橋變換器采用單橋臂2個功率開關管反并二極管和兩個串聯(lián)電容，全橋變換器采用雙橋臂

9、4個功率開關管反并和單個電容。二者在相同的交流側電路參數(shù)條件下， 單相半橋變換器比 全橋變換器控制相對復雜，因為半橋變換器直流儲能電容由兩個電容串聯(lián)組成， 必須保證電容中點點位根本不變，因此需要引入電容均壓控制，而且要取得同樣 網(wǎng)側電流控制特性，半橋電路直流電壓為全橋電路的兩倍， 這就要求半橋電路的 功率開關管耐壓等級也比全橋電路高。 但是，半橋電路相對全橋電路少用兩個功 率開關管，從本錢上較全橋電路有所減少。b)圖2.3 a , b分別為單相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓撲結構圖2.4為三相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓撲結構。三相半橋電路網(wǎng)側 由三相三線制電網(wǎng)無中線和三相輸入電感組成，功率

10、開關管橋路由三橋臂6 個功率開關管反并二極管組成。三相全橋電路網(wǎng)側由三相四線制電網(wǎng)有中線 與三相變壓器組成，其功率開關管橋路由六橋臂12個功率開關管反并二極管 組成。三相全橋電路實質為三個相互獨立的單相全橋電路并聯(lián)而成，相比于三相半橋電路，其在三相電網(wǎng)不平衡時的控制性能不會受到很大影響。但是，三相半橋電路采用的功率開關管為三相全橋電路的一半，這大大降低了系統(tǒng)的本錢，所以，三相半橋電路也是最常用的三相電壓型 PWM變換器拓撲結構。a)總*俁俁俁P 已_ fcRL£1£ JM;b)圖2.4 a) , b)分別為三相電壓型PWM變換器半橋、全橋拓撲結構圖2.5為三相三電平電壓型P

11、WM變換器拓撲結構。上述單相、三相半橋、 全橋電壓型PWM變換器均屬于二電平拓撲結構。因為對于交流側來說，開關管 的通斷只會表現(xiàn)為正、負直流母線電壓。當開關頻率不高時，這種拓撲結構會導 致交流側電壓的諧波含量增大。而且，在高壓應用場合，需要功率開關管的耐壓 等級很高，而目前高壓級的功率管也意味著高本錢。 三相三電平拓撲結構在一定 程度上解決了上述問題。該拓撲結構功率管橋路在原三相半橋電路的根底上串聯(lián) 6個開關管，并采用二極管鉗位，從而使交流側輸出電壓呈現(xiàn)三電平狀態(tài)。該結 構在改善網(wǎng)側電流波形的同時有效地降低了網(wǎng)側電壓、電流的諧波。更重要的能夠使用于高壓應用場合，因為直流母線電壓降落在兩個串聯(lián)的

12、開關管上。但是， 所需要的功率開關管也較三相半橋電路增加一倍圖2.5三相三電平電壓型PWM變換器拓撲結構2.2三相電壓型PWM變換器的數(shù)學模型為進一步分析三相電壓型PWM變換器，本文采用了三相靜止 ABC坐標系、 兩相靜止坐標系和兩相旋轉d q坐標系下數(shù)學模型。三相電壓型 PWM變換器的拓撲結構如圖2.6，由三相電網(wǎng)、網(wǎng)側三相輸入電感、三相全控功率開關、 直流側儲能電容和負載。為方便分析，作如下假設：1. 電網(wǎng)為三相對稱平衡、波形正弦；2. 網(wǎng)側三相輸入電感大小及電阻值相等，工作特性為線性，不考慮飽和等因素；3. 功率開關管均為理想元件，即不考慮通斷損耗和過渡過程；4. 開關頻率遠大于電網(wǎng)頻率

13、，且忽略開關的死區(qū)時間;-Ieeebee-一 -IvbCRl斗VC芒圖2.6三相電壓型PWM變換器電路圖三相靜止ABC坐標系下的數(shù)學模型定義三相電網(wǎng)電壓為Ea、b、c，三相輸入電流ia、b、c，網(wǎng)側三相輸入電感 為Ls，電感電阻為Rls，直流測電容值為C ,直流母線電壓為Udc，直流側電流 為idc，三相電網(wǎng)中點N與直流母線電壓參考點M之間電壓差為UMN，負載為負 載RLoad ；同時定義功率開關管的開關函數(shù)Sk為:Sk(2.2)1上橋臂導通，下橋臂關斷0上橋臂關斷，下橋臂導通k a,b,c針對圖2.6所示的三相電壓型PWM變換器電路，由電壓平衡方程有:UaNUbNUcNdiaEaiaRLsa

14、dtdibEbibRLsLsbdtdicEc icRLs Ls 匚7 dt(2.3)其中 Ua、b、cN Ua、b、cMUMN ；由開關函數(shù)Sk定義有，當Sa、b、c時，上橋臂導通而下橋臂關斷，有U(a、b、c)M U dc ；當 sa、b、c0時，上橋臂關斷而下橋臂導通，有U g、b、cM 0 ；于是 Ua、b、cM Udc?sa、b、 c ；將方 程組2.3三式相加有:Udc(saSbsc)3UMN (EaEbEc)RL(iaibic)Lsd (舄b 皆)因為系統(tǒng)為三相對稱平衡系統(tǒng)，有Ea Eb Ec 0 , ia ib L 0 ；代入式(2.4) 有:U MN(sasbsc)i i3Ud

15、c(2.5)將式(2.5)代入式(2.3)，且將三相輸入電流作為狀態(tài)變量有：L dia s dtEaiaRLsUdcsa(sasb3sc)UUdcL dib s dtEbi bRLsU dcsb(sasb3sc)UUdc(2.6)dic Ls c s dtEcicRLsU dcsb(sasb3sc)UUdc在圖2.6中，由于同一橋臂的兩個開關管為180度互補導通，所以在任何瞬間三個橋臂總有三個功率開關導通，總共8種組合，直流側電流idc可表示為每種組合下流過電流的總和：idc iasasb sc ib sasbsc (ia ib)sasb sc (ia ic)sa sbsc(i b ic)sa

16、sbsc(ia ib ic)sasbsc(27)iasa ibsb icsc而直流側應用基爾霍夫電流定律有：CdU£iaSa ibSb icSc -Udc(2.8)dtRLoad綜合式(2.6)、(2.8)，即得到以三相輸入電流和直流母線電壓為狀態(tài)變量的三相電壓型PWM整流器在三相靜止ABC坐標系下的數(shù)學模型:I dia s dtEaLs業(yè)s dtEciaRLs U dcsai bRLs U dcsbicRLs U dcsb(sa sb3dc& 牝 sc)Udc3Udc(2.9)dtiasaibsbicscUdcRLoad由式(2.9)可以看出,PWM變換器的三相輸入電流ia

17、、b、c均由三相開關函數(shù)Sa、b、C共同控制，因此，三相電壓型 PWM變換器是一個相互耦合的非線 性時變系統(tǒng)。222兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型利用Clark變換，可將三相靜止坐標系下的狀態(tài)方程變換到兩相靜止坐標下將三相靜止坐標系下的狀態(tài)方程2.9寫成矩陣形式有:i dias"dTI dibs _dtL dicLss dtCdUdcdtRLssbscsa3 (sasbsc)i a10 0 03ib0100(sa sbSc)i c00103U dc0000(Sa sbsc)SbscEaEb Ec 0RLoad(2.10)Clark變換矩陣描述為:C3s 2s2031212.3212丄2 3212(2.11)其逆變換矩陣描述為:C2s 3s C3： 2s112120仝2仝2(2.12)聯(lián)合式2.10 、(2.11 )、(2.12)可得兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型:LsdidtLsdidtCdUdcdtrLs0si100E0Rlssi010E3 s3 s1Udc000022RLoad(2.13)223兩相同步旋轉d q坐標系下的數(shù)學模型利用Park變換，可將兩相靜止坐標系下的狀態(tài)方程變換到兩相旋轉坐標下Park變換矩陣描述為:C2s 2rcos()2sin()31cos(sin(1cos( )32sin( )31(2.14)Lsdidd