变频器中PWM整流器的设计及仿真

…．．堕壁熏　…　．　苎　………………………………………………　变频器中ＰＷＭ整流器的设计及仿真　邱涛，陈林康　（广东工业大学，广东广州５１００９０）　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＷＭ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｉｎ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ＱＩＵ　Ｔａｏ，ＣＨＥＮ　Ｌｉｎ—ｋａｎｇ　（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１００９０，Ｃｈｉｎａ）　摘要：与传统交一直一交变频调速系统相比，将不可　控的交一直部分用ＰＷＭ整流器来取代，介绍了ＰＷＭ整流　器的原理、特点、ＰＩ调节器的设计，最后给出仿真结果，验证　了ＰＷＭ整流器取代传统变频器中不可控整流的可行性。　关键词：ＰＷＭ；整流；功率因数　中图分类号：ＴＭ３４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４－７０１８（２００６）ｏ５一ｏ０１７一ｏ３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎ—　ｕｏｎａｌ　ＶＦ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ａ　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ—ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ　ｉｓ　ｉｎ—　ｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｂａｌｅ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ．ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＰＩ　ａｄｊｕｓｔｅｒ　ｏｆ　ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ　ｒａｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ　ｉｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＷＭ；ｃｏｍｍｕｔａｔｅ；ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　１引　言　目前，交一直一交变频调速系统多采用整流部　分为不可控的二极管，逆变部分为可控器件的调速　系统。这种控制方式技术成熟，设计相对简单，并且　随着可控器件性能的不断发展，开关频率也有了很　大的提高，输出波形非常接近正弦波。然而这种控　制方式的弊端也日趋显露，即产生的电磁干扰以及　谐波污染已成为关注的电力公害问题，设计中对变　频器节能和环保的要求也越来越高。　传统交一直一交变频调速不仅具有上述缺点，　而且也无法实现能量的双向流动。一般情况下，电　动机即可以工作在电动状态，也工作在发电状态。　当电动机制动时，再生电能回馈到直流侧，导致直流　侧电压上升，某些情况下，回馈电能比较小，可以被　直流侧吸收。然而，一旦再生电能过大，将导致直流　侧过压，致使驱动失败。当Ｐ　／Ｐ…＞０．１时必须考　虑再生电能的影响　。其中Ｐ　为电机最高速时的　再生电能功率，Ｐ　。　为电机额定功率。这个特点传　统的变频器是无法实现的。而采用ＰＷＭ整流的变　频器不仅可以实现输入电流接近正弦波，其相位与　收稿日期：２００５—０７—２５　改稿日期：２００５—０９—１９　电源相电压相位相同，电网侧输入功率因数近似为　１，消除谐波污染，更重要的是可以实现能量的双向　流动，这在位势负载，如电梯等设备上的使用更能体　现其优越性。　传统的交一直一交变频器中，逆变部分即电机　控制部分均是采用功率开关元件来控制的，电机的　控制方式也已成熟和固定，因此文中只介绍ＰＷＭ　整流器。　２　ＰＷＭ整流器的特点及原理　ＰＷＭ整流器的控制方法多种多样，但最基本的　分类方法就是将ＰＷＭ整流器分类成电压型和电流　型两大类，主要是因为电压型、电流型ＰＷＭ整流　器，无论在主电路结构、ＰＷＭ信号产生及控制上各　有特点，并且两者间还存在电路上的对偶性。本文　设计的对象采用电压型ＰＷＭ整流器。　图１为电压型ＰＷＭ控制的整流部分，Ｌ为交流　侧滤波电感，电阻Ｒ为滤波电感Ｌ的等效电阻和功　率开关管损耗等效电阻的合并，图中的ｓ　（ｋ＝ａ，ｂ，　ｃ）均为功率开关管，Ｒ　为负载，　为直流电动势。　Ｉ　频　为了避免出Ｉｔｔ　ｌ　三相电现短路故障，压型整流器拓扑图１中上下两个功率　结构图　蚕　开关管的导通是互补的，即上桥臂开关管导通时，其　对应的下桥臂功率开关管是关断的，写出其对应的　鎏　逻辑开关函数为：　弱　ｓ　＝｛【　上０　圭　喜羹桥臂关断，　：　下桥臂喜　ｃ导通　　＝。，’６，一ｃ　　（１）　真　根据逻辑开关函数，得出功率开关管共有８种　开关模式’Ｓ　、Ｓｃ对应为。０００、０ｏ　０１　０、０１　ｍ０、■　维普资讯 http://www.cqvip.com

设计　新　…苫　．／　．噶　庇螽　．　……………………………………………………………………一　………………　－　…一：…－－　议持电棚　２００６年第５期　１０１、１１０、１１１。其中０００和１１１使交流侧三相线电　压为零，因此称为“零模式”，将这８种开关模式应　用于ＰＷＭ信号的产生，就是通常采用的ＳＶＰＷＭ控　制。ＳＶＰＷＭ具有电压利用率高、动态响应快等特点。　给出采用开关函数描述的ＰＷＭ整流器一般数　学模型　：　ＺＸ＝Ａ　＋ＢＥ　３．１电流内环设计　从电网侧采样来的三相对称的电流经过坐标变　换可将坐标系（ａ，ｂ，ｃ）中的基波正弦变量变换成坐　标系（ｄ，ｑ）中的直流变量。因此电流内环采用ＰＩ调　节器可以取得无静差调节。结构图中的　为无功　电流设定指令，设计中需要近似为１的功率因数，可　（２）　将其设定为０。直流电压调节器输出形成有功电流　一　０　０一（　１　ｓｋ）］　０　Ｒ　０一　一　１一￣：ａ，ｂ，ｃＡ＝　Ｓｋ）ｆ　０　０一Ｒ一（ｓ　一　１…　Ｓｋ）Ｊ　５。　一去　Ｊ　ｆ３）　０　Ｚ＝　０　三　０　０　（４）　０　０　１　０　０　１　Ｂ＝　０　０　（５）　０　０　Ｅ＝［ｅ口，ｅ６，ｅ　，　ｒ　（６）　通过式（２）～（６）可以求出各个对应的量。采　用开关函数描述的ＰＷＭ整流器一般数学模型是对　开关过程的精确描述，因此非常适合于波形仿真。　３　ＰＷＭ整流器设计　在各种不同的控制方式中，以电压反馈作外环　加上以电流反馈作内环的双闭环串级控制结构最为　普遍　］。事实上，实用化的ＰＷＭ整流装置绝大多　数采用这种控制方法。其中电压外环用于控制整流　器的输出电压，而电流内环则实现整流器网侧单位　功率因数正弦波电流控制。控制结构框图如图２所　示。　整流桥　一　图２高功率因数整流器控制结构　指令　。Ｏ　０　　Ｏ　Ｏ　Ｏ　ｌ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　ｃ　Ｏ　Ｏ　０●一如图１所示，三相坐标系（ｄ，ｑ）中，其由模型可　　描述为　【　Ｌ　Ｒ　Ｌ＿ｏＬ　Ｉ　ｉｉ￣＋【　㈩　昔（ｖｎｉｄ＋　ｑ）＝　ｄ　ｄ。　（８）　式中：　、ｅ。一电网电动势矢量的ｄ，ｑ分量；　、　一交流侧电压矢量的ｄ．ｑ分量；　ｉ　ｉ。一交流侧电流矢量的ｄ、ｑ分量；　Ｐ一微分算子。　采用前馈解耦控制策略　］，电流调节器采样ＰＩ　调节器时　、　的控制方程如下：　－Ｐ＋警）（ｆ　）＋ｔｏＬｉｑ　（９）　ＩＰ＋警）（ｆ　）　－Ｉ－ｅｑ（１０）　式中：　ｉ　Ｋ。为电流内环比例调节器增益和积分调　节增益。　由于两电流内环的对称性，以　。控制为例讨论　电流调节器的设计，　。电流环结构如图３所示。　图３　ｉ。电流内环　图中：　ＰＷ　为整流桥ＰＷＭ等效增益，　为整　流桥延时常数，取开关周期一半即０．５　（　为功率　开关管开关周期）。　考虑电流内环需获得较快的电流跟随性时，按　典型Ｉ型系统进行设计电流调节器，按图３得出的　电流内环开环传递函数为　Ｋｐｗ　Ｋｉ　（．ｓ＋　）　Ｇ啦（．ｓ）＝——　＿—Ｌ　ＳＬ（Ｓ＋－“７－）（　ｗＭＳ＋１）　按照典型Ｉ型系统设计原则只需零极点抵消即有　ＫｉｌＲ＝　，抵消后传递函数为Ｗｏ　（Ｓ）＝　瓦　，由典型Ｉ型系统参数整定关系　］，　维普资讯 http://www.cqvip.com

…．堕壁熏　．　．蔓曼　……………………………………　…ｊ　当取系统阻尼比　：０．７０７时，有　业等　：０．５。　１　０００　Ｆ。开关频率为５　ｋＨｚ。仿真求解器算法采　综上所述得出ｉ。电流环设计参数为　Ｐ　Ｑ；直流侧：负载为５０　Ｑ、输出直流电压３５０　Ｖ、电容　用ｏｄｅ２３ｔｂ。　彘１　＝　（１１）　到波形变化，取长度为０．２　ｓ。仿真结果如图５、６所　示。其中图５ａ为整流时的输入电压和输入电流，可　以看出，输入电压与输入电流（取至。相电压和电　仿真时间从零开始即系统启动时，为了更好看　Ｒ　Ｊ　由图３，代人式（１１）得出电流环简化闭环传递函数　ｊ　（５）　。　３．２电压外环设计　电压外环的设计主要是稳定直流侧电压，仍然　采样ＰＩ调节器调节，其模型为　，图４为　电压外环设计的传递函数框图。其中　；　（５）为电　流内环传递函数。Ｋ为一时变环节的近似取值为　０．７５　图４电压外环　电压外环的主要控制作用是稳定直流电压，所　以设计着重考虑电压环的抗扰性能，因此选择典型　Ⅱ型系统设计电压调节器。系统的开环传递函数为　（丁　Ｓ＋１）　（５）＝　享　，由二阶系统得出中频宽　ｈ＝　＂ｉ　ｖ，根据典型Ⅱ型系统参数整定关系　，得　１　ｓ　：　。工程上＾一般取５，这时的动态跟　随性能最好。代人式中得　＝　７．　＝５　综上所述，只要计算出适当的交流侧电感和直　流侧电容（具体的设计可以参考文献［２］），设定好　系统的开关频率就可以设计出实用的高功率因数整　流器　４仿真结果　仿真软件采用ＭＡＴＬＡＢ中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，具有直　接搭建模块、不需要编程、仿真速度快等特点，在控　制系统和电机的仿真中应用广泛。为方便起见，将　各参数分为交流侧和直流侧两部分。交流侧：输入　电压２２０　Ｖ、５０　Ｈｚ，电感为７．５　ｍＨ，滤波电感Ｌ的等　效电阻和功率开关管损耗等效电阻的合并值取１０　流）波形均为正弦波，相位基本相同，即功率因数近　似为１。图５ｂ为直流侧输出电压，系统响应非常迅　速，电压在经过约０．０３　ｓ的波动后，进入稳定状态。　图６为处于再生制动逆变状态下的输入电流电压波　形　２００　ｌ００　砉　０　’ｌ００　—２００　０　０．０４　０．０８　０．１０　０．１２　０．１６　ｔ／ｓ　（ａ）整流时输入ｕ。、ｉ。波形　ｔ／ｓ　（ｂ）输出直流电压　图５　２ｏ０　ｌ００　言　０　－１００　．２００　０　０．０４　０．０８　０．１０　０．１２　０．１６　ｔ／ｓ　图６再生制动逆变时输入　。、ｉ。波形　坝　銮　；器　５结语　革　对于传统交一直一交变频器来说，采用高功率；宝　；　因数ＰＷＭ整流器具有电流谐波畸变小，输入电流　冀　正弦波，功率因数近似为１，能实现能量双向流动，　嚣　对于减少电力系统谐波污染和节约电能有着重要作　谩　用。ＰＷＭ整流器不仅仅可以用来取代传统变频器　及１，１　的不可控交一直部分，还能应用于高压直流输电、新　型ＵＰＳ、太阳能及风能的并网发电等等。可以预言，　ＰＷＭ整流将是新型变频器不可缺少的一部分。　（Ｔ￣４６页）一　维普资讯 http://www.cqvip.com

－＿￡；／　２　Ｅｆ　者　地　……………………………………………………………………一．　…　一　一：…………一：：　一一＝：…一一　微持电棚　２ＯＯ６年第５期　倍；４　电机，Ｒ线目为２．３７　Ｑ，Ｒ等效为３．６６　Ｑ，是Ｒ线目的１．５倍。　（３）电机由空载到额定负载一段，电枢等效电阻有一定变　化，但很小，这也是能够利用式（１）求无刷机电枢等效电阻　尺　的理论基础。如１　电机由２．８４　Ｑ到２．８７　Ｑ，２　电机由０．　８１　Ｑ到０．８４　Ｑ，３　电机由１．２９　Ｑ到１．３３　Ｑ，４　电机由３．５５　Ｑ到３．７８　Ｑ。变化最大的４　电机，变化率也只有６．５％。　（２）既然换向电阻大本质是线圈电感造成的，那么，我们　只要知道一台电机的电感和线圈电阻，便可算出它的电气时　间常数。由此便可从另一方面估算出电机额定转速附近的　电枢等效电阻。例如，笔者对两种电机进行测试，一种电机　线圈电阻Ｒ　＿＝１．３５　Ｑ，线圈电感１．３５　ｍＨ，通电求出的　尺　效为２．４３　Ｑ，其电气时间常数Ｔ＝１　ｍｓ，而尺等效是尺线＿的　１．８倍。另一种电机线圈电阻为０．５５　Ｑ，线圈电感为０．８３　３计算举例　如表中３　电机：（１）将２、３点数据Ｕ＝４８　Ｖ，，　＝１　Ａ，ｎ　：ｍＨ，Ｒ等效为１．３５　Ｑ，电气时间常数Ｔ＝１．５　ｍｓ，而尺等效是　尺　目的２．５倍。从上述两种电机看出，电枢等效电感增大的　倍数，近似等于电气时间常数乘２倍，如第一种电机，电气时　间常数为１　ｍｓ，那么它额定转速附近的电枢等效电阻尺等效应　近似等于１．３５　Ｑ×（１　Ｘ２）一２．７　Ｑ，实测为２．４３　Ｑ，两者近　８　０９６　ｒ／ｍｉｎ；Ｕ：４８　Ｖ，，７：２　Ａ，　＝７８６６　ｒ・ｍｉｎ　代入式　（１），则Ｒ　＝１．３３　Ｖ。（２）将４、５点数据Ｕ：４８　Ｑ，，ｌ：３　Ａ，　ｎｌ：７　６４９　ｒ／ｍｉｎ，Ｕ＝４８　Ｖ，，２＝４　Ａ，ｎ２＝７　４２５　ｒ／ｍｉｎ代入式　（１），则Ｒ　＝１．２９　Ｑ。（３）将两尺。平均，作为电机的平均等　效电阻Ｒ　＝１．３１　Ｑ。（４）利用第２点数据Ｕ＝４８　Ｖ，，＝１　Ａ，ｒ／：８０９６　ｒ／ｍｉｎ和Ｒ等鼓＝１．３１　Ｑ，计算该点的反电势系数　似相等。如第二种电机，电气时间常数为１．５脚，那么，它额　定转速附近的电枢等效电阻应近似等于０．５５　Ｘ（１．５　Ｘ　２）＝　１．６５　Ｑ，实测为Ｉ．３５　ｎ，两者相差也不大。虽然如此，因为统　Ｋｅ＝０．００５７７　Ｖ／ｒ・ｍｉｎ～。（５）利用反电势系数　各点相等　原理和Ｒ　＝１．３１　ｎ，计算各点理论转速ｎ计　如第５点，该点　负载电流，＝４　Ａ，则　计　：７４１８　ｒ／ｍｉｎ，实测ｎＨ＝７４２５　ｒ／　计的电机太少，也不能就此下结论。但它至少说明，电气时　间常数大小是影响换向电阻的主要因素。　（３）电枢等效电阻虽然会受转速影响，但没有电气时间　常数对等效电阻影响大。因此，电机在空载转速　额定负载　ｍｉｎ，误差为０．１％。其它各点和其它各电机ｎ计　均用此法得　出。可见，只有尺等效测试准确，由此计算出的　ｉ　算才准确，否　则谬误很大。　转速条件下，电枢等效电阻变化很小，特性硬的电机几乎近　似相等，表中的四种电机，全部符合这一结论。有了这一特　点，所以无刷电动机才同有刷电动机一样，具有良好的线性　机械特性。　４问题讨论　（１）从表中可以看出，无刷直流电动机的电枢等效电　阻，通常此线圈电阻大数倍，如１　电机，大７倍，最小的４　电　机，也是Ｉ．５倍，分析原因不仅仅是开关电阻造成的。因一　般开关管的开关电阻只有０．０５　Ｑ左右，三相两两通电，开关　５结语　利用式（１）可以虚拟测试无刷直流电动机的电枢等效电　阻，简单、方便、准确，解决了无刷电动机电枢等效电阻无法　电阻也只有０．０５　Ｑ的两倍，不会造成Ｒ等效是尺线＿的数倍。　有些文献认为，这是无刷电动机换向电阻造成的。因无刷电　动机换向等效于三槽式有刷电动机换向，换向电阻对电枢等　效电阻影响很大，且随转速的增高而增大。从表中的月等　值　可以看出，这种结论是正确的。但就其本质原因，还是线圈　电感大小造成的。电感大，线圈通电的电气时间常数大，换　向电阻也就大。在电感一定的情况下，转速越高，换向电阻　也越大。　直接测试的问题。为电机测试和设计计算提供了方便。该　公式只适用于三相六状态无刷电动机，其它电机未作实验。　另外，电机电源应是线性直流稳压电源，不适用于脉宽调制　稳压电源。　（上接第１９页）　参考文献　［１］　Ｒｏｃｋｗｅｌｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ａｐｐ１．ｎｏｔｅ．Ｂｒａｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｗｉｔｈ　ａｃ　ｄｒｉｖｅｓ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｅｌｉａｎｃｅ．ｃｏｍ／ｐｒｄｓｅｒｖ／　ｏｓｔａｎｄｒｉｖ／ａｐｐｎｏｔｅｓ，１９９９　［６］　Ｙｅ　Ｚｈｉｈｏｎｇ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｔｈｒｅｅ—Ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅａｅｍ［Ｄ］．Ｖｉｒｇｉｎｉａ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ａｎｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉ—　ｔｙ，２０００　［７］　ＲＯＬＦ　ＯＴＩ＇ＥＲＳＴＥＮ．Ｖｅｃｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａ　Ｄｏｕｂｌｅ—Ｓｉｄｅｄ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｄｒｉｖｅ『Ｄ］．ＣＨＡＬＭＥＲＳ　ＵＮＩ—　ＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，２０００　［２］张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，２００３　［８］　薛定宇，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ的系统仿真技术与　应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２　［３］　熊健，张凯，陈坚．ＰＷＭ整流器的控制工程化设计方法［Ｊ］．电　工电能新技术，２００２，２１（２）：４４－４８　［４］　Ｙｅ　Ｙ，Ｋａｚｅｒａｎｉ　Ｍ，Ｑｕｉｎｔａｎａ　Ｖ　Ｈ．Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　ｃ０ｎｖｅｒｔｅｒｓ［ｃ］．ＩＥＥＥ　３２ｔｈ　Ａｎｎｕ—　ａｌ，２００１：１０２～１０７　作者简介：邱涛（１９７８一），男，硕士研究生，研究方向为电力电　子与电气传动。　［５］胡寿松．自动控制原理［Ｍ］（第三版）．北京：国防工业出版　一　社．２０００