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三相电流型PWM整流器交直侧参数对单位功率因数运行能力的影响研究

www.p-e-china.com 2017/2/6 10:57:31 来源:互联网 电力电子论坛|免费发布产品

  三相电流型 PWM 整流器是一种能实现单位功率因数且能量双向流动的绿色电能变换器,但在宽负载范围变化情况下实现单位功率因数的能力却有限。本文针对实现功率因数的能力,首先基于时域方法,分析了三相电流型 PWM 整流器实现单位功率因数的条件,得出实现单位功率因数时网侧滤波器与直流侧电流和调制比之间的关系。为拓宽单位功率因数工作范围提供了依据。仿真结果验证了文中分析的正确性。

  1.引言

  大功率高速电机广泛应用于工业场合, 如风机、泵和压缩机等。传统的高速场合通常是由低转速电机为基础, 通过机械传动装置来实现高转速输出。目前,随着开关器件容量和频率的提高、以及高速电机的发展,已可直接驱动电机达到高速需求。 省去机械传动装置的电机驱动系统,具有体积小、重量轻、效率高、成本低和高可靠性等优点[1]。

  电机驱动系统有电压源型和电流源型两种基本类型[7]。与电压源型传动系统相比,大功率电流源型传动系统具有结构简单、 很好的电机电枢电流波形、 四象限运行能力和可靠的故障保护能力等特点[5]。三相电流型 PWM 整流器(CSR)作为大功率电流源型传动系统中的网侧变换器, 它必须满足电网对用电设备的要求, 主要是网侧电流畸变率和输入功率因数[4]。

  对于网侧电流畸变率问题,主要是由 PWM 调制方式、开关频率以及网侧滤波器 LC 的设计决定;而对于输入功率因数则主要是由 CSR内在实现单位功率因数的能力和控制方法决定的。其中 LC 滤波器对网侧电流谐波和功率因数有直接影响。文献[2]对网侧滤波器 LC 设计进行详细的研究, 得出滤波器应对与开关频率相关的谐波有很大衰减, 且应保证在电网基频处不存在谐振现象。 而文献[3]更进一步, 不仅分析电网本身谐波和直流侧电流纹波对 LC 滤波器设计的影响,还详细地给出LC 滤波器的设计流程。对于实现单位功率因数的能力,文献[2]在 dq 坐标系下对其进行了分析,得出其对网侧滤波器中电容值的限定。通常对于 CSR 的研究是建立在输出电流恒定或变化范围小的基础上, 而对于对直流侧电流宽范围变动情况下的研究相对较少[9],[10]。

  本文从时域角度深入讨论了三相电流型PWM 整流器实现单位功率因数的工作原理,并且分析研究了网侧滤波器参数与电路输出特性之间的联系, 并给出了相应的关系和设计要求。对于在实现单位功率因数的条件下,讨论了直流侧电流取值和调制比范围的要求, 为提高直流侧电流变化范围提供参考依据。 仿真结果验证了分析的正确性。

  2. 三相电流型 PWM 整流器单位功率因数运行能力的分析

  2.1 三相电流型 PWM 整流器的电路等效[6]

  三相电流型 PWM 整流器电路如图 1 所示。 该电路由网侧滤波器LC、 开关网络 (T1~T6)和直流侧储能电抗 Ldc组成。其中 Ea,Eb,Ec为三相输入电源电压;isa,isb,isc为网侧电流;ipa,ipb,ipc为整流器交流侧输入电流;ica,icb,icc为三相交流滤波电容上的电流;Ra,Rb,Rc为电感的等值电阻与电源内阻之和;R 为电阻负载。其中 LC 滤波器的两个基本作用:其是辅助整流器中的功率器件进行换相; 其二是 滤除进线电流谐波。 它的设计不仅决定输入电流的谐波含量,还决定了输入功率因数的大小。

  

 

  对图 1 进行分析, 可以将开关网络进行等效,等效到交流侧为受控电流源,而等效到直流侧为受控电压源,如下图 2 所示。

  

 

  为了便于对三相电流型 PWM 整流器进行分析,作出如下假设[2]:

  (1) 三相电网电动势平衡且其波形为纯正弦;

  (2) 三相交流滤波电感相等 La=Lb=Lc=L;

  (3) 交流、 直流侧滤波电感均为线性的,且不考虑饱和;

  (4) 忽略开关网络中的开关损耗折合到负载电阻 R 上。根据以上假设可以得出三相电流型 PWM整流器的电网中性点n和滤波器C网络的中性点 N 为等电势点。即可得出三相电流型 PWM整流器中一相的等效电路图如图 3 所示(以 a相为例) 。

  

 

  

 

  

 

  

 

  

 

  

 

  3.实现单位功率因数的条件

  根据上述对直流侧电流值 Idc和调制比 m与网侧滤波器 LC 参数之间关系的分析,通过对最小有功分量以及最小无功分量的限定, 可得出当 Isa2的落点处于 RA 区域( ABC )时,则可以表明此时设计的参数以及直流侧的取值能使 CSR 运行于单位功率因数,即表明此时 CSR 交直流侧的参数取值是合理。 因此 RA区域可称为“单位功率因数区域” 。其区域如图 8 所示。

  

 

  对于一定的 wn而言,尽可能大的 C 取值将有助于抑制三相电流型PWM整流器交流侧的电压谐波; 另外当 C 取值增大时, 滤波器阻尼比 ξ 也增加,这将有助于抑制三相电流型PWM 整流器网侧电流的振荡[2]。 但是从式 (4)和图 8 中可以看出,电容 C 取值越小,则 α越小, 因此直流侧电流值和调制比要求的范围越宽。 所以对于电容值的选取依据是在满足谐波要求的情况下,选择取较小的电容值,以期在宽的直流电流变化范围内都能实现单位功率因数。

  4.仿真结果分析

  为了验证所讨论内容的正确性,Matlab/simulink 下对负载大小和调制比变化进行了系统仿真实验。 其中开关网络由理想开关和二极管组成,主电路参数如下:电源相电压有效值为 220V;电网频率 f=50Hz;交流侧电感 L=0.7mH;电容 C=10uF;直流侧电流Ldc=27mH;开关频率 fs=10kHz;负载电阻为4Ω,控制方式采样间接电流控制策略。建立仿真模型,得出其仿真波形。 当输出电流给定为 50A,调制比为 0.35 时的输入电流与电压仿真波形如图 9 所示, 当输出电流给定为 10A,调制比为 0.027 时的波形如图 10所示。

  

 

  LC 参数确定后,不同的输出电流给定对实现单位功率因数有很大影响。图 10 可以看出,输出电流和调制比都很小时, 输入电压与输入电源之间明显存在相位差。 验证上述分析的正确性。本文还对不同的滤波器参数进行了仿真,当电容分别为 10uF 和 100uF 时,其仿真数据结果如表 1 所示。

  

 

  对上表中数据进行分析,得出如下图 11所示的曲线图,可以明显看出电容值取得越大,在实现单位功率因数条件下,对调制比与直流侧电流值乘积(m*Idc)的范围越窄。可见交流侧参数的选取对实现单位功率因数的能力有很大影响。 仿真结果验证了理论分析的正确性。

  

 

  5.结论

  对于网侧 LC 滤波器的设计,不仅要考虑对与开关频率相关的高次谐波有很大衰减以及在基频处不存在谐振现象, 而且还要保证三相电源型PWM整流器的有较宽的单位功率因数区域。为获得较大的单位功率因数区域,需要综合考虑负载类型及大小、PWM 波的调制比以及功率大小与 LC 滤波器的之间的关系,通过优化设计 LC 滤波器的参数和调制比的变化范围, 以获得在较宽的输出电流或功率等级范围内仍能能力实现单位功率因数。

  参考文献

  [1] Zheng Wang, Bin Wu, Dewei Xu, and ZargariN.R.ACurrent-Source-Converter-BasedHigh-Power High-Speed PMSM Drive with420Hz Switching Frequency[J]. IEEE Trans.Ind.Elect. 2012, 59(7): 2970-2981.

  [2] 张兴,张崇巍. PWM 整流器及其控制[M]. 北京:机械工业出版社,2012.

  [3] Hua Zhou, Yun Wei Li, Navid R.Zargari,Zhongyuan Cheng, and Jinwei He. InputResonance Investigation and LC Filter design forPWM Current Source Rectifiers[J]. in IEEEECCE, 2010: 2079-2086.

  [4] Bin Wu. High-Power Converters and ACDrives[M]. Hoboken, New Jersey: IEEE Press,2006.

  [5] 王兆安,张明勋. 电力电子设备设计和应用手册(第 3 版). 北京:机械工业出版社,2009.

  [6] 李玉玲. 电流型 PWM 整流器及其控制策略的研究[D]. 杭州:浙江大学,2006.

  [7] 张皓,续明进,杨梅. 高压大功率交流变频调速技术[M]. 北京:机械工业出版社,2007.

  [8] 潘双来,邢丽冬,龚余才. 电路理论基础(第 2版). 北京:清华大学出版社,2007.

  [9] Ehsan Al-nabi, Bin Wu, Navid R. Zargari andVijay Sood. Input Power Factor Compensationfor High-Power CSC Fed PMSM Drive Usingd-Axis Stator Current Control[J]. IEEE Trans.Ind.Elect. 2012, 59(2): 752-761.

  [10] Jingya Dai, Pande M., Zargari N.R. Input powerfactor compensation for PWM-CSC basedhigh-power synchronous motor drives[J]. inIEEE ECCE, 2011: 3608-3613.

 

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