单相PWM整流器主电路参数选择探讨_唐丽丽

1、文章编号:1000-1506(200004-0098-05单相PWM 整流器主电路参数选择探讨唐丽丽,郑琼林(北方交通大学机械与电气工程学院,北京100044摘要:分析并给出了单相P WM 整流器交、直流侧滤波参数的选择方法,并对功率因数为1和功率因数不为1且直流侧电压低于交流侧网压峰值的两种工况进行了仿真.仿真结果表明参数选择是正确的,并且当直流输出电压低于网压峰值时,交流电流仍可控.关键词:PW M 整流器;单位功率因数;仿真中图分类号:T M 461.5文献标识码:AResearch on Main Circuit Parameters Selectionof Single -Phase

2、 PWM RectifierTANG Li -li ,ZH ENG Qiong -lin(C ollege of M echanical and El ectrical Engineering ,Northern Jiaotong University ,Beijing 100044,China A bstract :A selection method fo r AC and DC filter parameters of single phase PWM rec -tifier is analyzed and given .Simulation has been done for unit

3、y and non -unity powerfactor w ith DC voltage higher than AC peak voltage .The results have show n the pa -rameter selecting method is effective and the AC current can also be controlled w hen DCvoltage is hig her than AC peak voltage .Key words :PWM rectifier ;unity pow er facto r ;simulationPWM 变流

4、器既可用作功率因数为1的AC /DC 整流器,为负载提供直流电能;又可用作输出频率可变的DC /AC 逆变器,构成交流调速系统;还可作为无功谐波补偿器,改善系统功率因数.电压型PWM 整流器的功能特点是交流侧电流可实时的跟踪指令信号的变化,且直流侧电压稳定可调.电力机车牵引系统采用长距离单相供电,如果采用单相PWM 变流器作为整流器不仅能提高电能利用率,并且能改善电网供电质量.但一些教材1,2中只是定性的分析PWM 变流器的原理,而实际应用中需要的参数选择方法却很少介绍,一些工程技术人员也是根据经验选择电路参数.针对这种情况,作者参考开关电源参数选择方法3对单相PWM 整流器参数选择进行推导,

5、且所得结论稍加变化即可适用于三相PWM 变流电路.最后本文就单相PWM 整流器的参数选择和两种运行工况进行了仿真研究.收稿日期:2000-03-02作者简介:唐丽丽(1975,女,吉林梨树人,硕士生.email :tllygo sina .com .cm2000年8月第24卷第4期北方交通大学学报JOU RNA L OF NO RT HERN JIA OT ON G U N IV ERSI T Y Aug .2000Vo l .24N o .41主电路原理与系统控制方案单相PWM 整流器电路及相量图如图1所示.由理论分析知,单相PWM 整流器直流侧电流存在二次脉动,所以采用二次串联谐振滤波器进

6、行滤波.由图1(a 知,当交流侧电流与网压同相时,交流侧输入电压基波有效值U i 一定大于网压有效值U s .而由图1(b 知,控制电流i s 滞后于u s 一个角度,PWM 整流器仍处于整流工况,而U i 可能小于U s ,但此种情况下,系统功率因数降低 .(a 原理图(b 相量图图1单相PWM 整流器电路控制系统采用改进周期平均模型控制方案4.该方案克服了常用滞环方法5开关频率不固定的缺陷,且动态响应速度快.其控制过程如下:直流电压输出值U d 与其设定值U *d 的差值,即稳态误差通过PI 调节器后与同步信号相乘得到交流输入电流的参考值i *s ,i *s 与交流输入电流的差值通过比例放

7、大器后得到电感L s 上电压u L ,向量 U L 与 U s 的差即为交流输入侧电压相量 U i ,u i 再与一定频率的三角波比较输出PWM 波控制器件的通断,从而实现闭环控制.2电路主要参数选择2.1交流侧滤波电感的选择由于控制方案对电感参数选择有一定的影响,所以分单极性调制和双极性调制两种情况对电感参数选择进行研究.(1单极性调制方案滤波电感L s 的大小一方面对输入电流的开关纹波有影响,另一方面也影响着实际电流的跟踪速度.此参数的选择直接影响系统的工作性能.直流侧电压选定后,交流侧电感设计对电源电流波形影响较大.忽略交流回路电阻可得变流器的工作方程为d i s d t =u s -u

8、 i L s ,其增量式为i s =T 0u s -u i L s,其中T 0为开关器件的开通或关断时间.实际电流在跟踪参考电流过程中,每个控制周期中电流波动的幅值应满足电流波动的最大峰值的要求,考虑最坏的工作情况是在相电压峰值附近,有i 1=U sm t on1L s ,i 2=(U d -U sm t off1L s (1式中U sm 为相电压峰值,t on1为电流峰值附近器件的开通时间,t o ff1为电流峰值附近器件的关断时间.99第4期唐丽丽等:单相PWM 整流器主电路参数选择探讨又因i 1i sm ,i 2i sm ,故L s U sm t o n1/i sm .其中i sm 为交

9、流电流变化最大值.推导可知:U i 1=U im cos =U sm ,其中U i 1为u i 在电流峰值处幅值.由t off1=U i1T s U d =U sm T s U d ,有t on1=U d -U sm U dT s ,其中T s 为开关周期.由推导可知L s (U d -U sm t off1i sm,将t off1代入上式可得L s U sm (U d -U sm T si sm U d (2可见,在电流峰值附近,由开通或关断时间推导出的电感下限值相同.L s 取值的大小,影响着实际电流的跟踪速度.L s 的取值应使实际电流能跟上所需电流的最大变化率.显然,在所需电流过零附近

10、,电流变化率最大.因而,可得到下面的条件i s U d L s t o n2I sm sin (T s ,式中I sm 为交流电流基波峰值,t on2为器件在电流过零点时开通时间,为电源电流角频率.由此推出L s U d t on2I sm sin (t .而当f s 2kHz 时,可认为sin (T s T s ,从而得L s U d I sm (3(2双极性调制方案对双极性调制方案,交流侧输入电压U i 在器件T 1、T 4导通时为+U d ,在T 2、T 3导通时为-U d .则有i 1=(U sm +U d t 23L s ,i 2=U d +U sm t 14L s,且有i 1i s

11、m ,i 2i sm ,从而有L s (U d +U sm t 23i sm ,L s (U d -U sm t 14i sm (4式中t 23为器件T 2、T 3导通时间,t 14为器件T 1、T 4导通时间.已知电流峰值处有U i2=U sm ,其中U i2为u i 在电流峰值处幅值,则有(t 14-t 23U d =T s U sm ,而t 23=T s -t 14,故t 14=(U d +U sm T s 2U d ,t 23=(U d -U sm T s 2U d将t 23、t 14的值代入式(4得L s (U 2d -U 2sm T s 2i sm U d (5在电流过零附近电流变

12、化率最大,即i 1-i 2U d t 23L s -U d t 14L sI sm sin (T s ,则交流侧电感的上限取值L s U d (T s -2t 14I smsin (T s U d T s I sm sin (t ,而当开关频率f s 2kHz 时,可认为sin (t T s ,则上式化为:L s U d I sm (6100北方交通大学学报第24卷2.2直流侧二次滤波器的选择单相桥式PWM 变流器直流输出电压除直流成分外,还含有二次谐波成分5,6,为使输出电压更平直,系统采用一电感电容串联谐振滤波器滤除二次谐波.则有2=1/L 2C 2,电感L 2上电流i d2=U s I

13、s U dsin (2t =I d2m sin (2t ,其中I d2,ma x 为二次谐波电流最大值.电容C 2上的电压峰值为U C2,m ax =U d +I d2,max 2C 2,则有C 2I d2,max 2(U C2,max -U d (7根据经验取U C2,max =1.1U d ,代入式(7中得C 2700F .取C 2=800F ,则L 2=3.2mH .2.3直流侧支撑电容的选择在脉冲整流器的设计中,直流侧滤波电容的选取也是一个关键性问题.由于直流侧已加二次滤波环节,则直流支撑电容C d 主要由交流电感储能变化决定.由能量守恒定律知,交流侧开关频率次电流脉动能量最大值等于支

14、撑电容上能量脉动最大值,即12L s I sm +12i sm 2-12L s I sm -12i sm 2=12C d U d +12U dm 2-12C d U d -12U dm 2,从而得到C d L s r i I 2sm r v U dm(8式中r i 为电源电流纹波系数,r v 为直流电压纹波系数.3PWM 变流器参数设计举例及仿真结果3.1参数设计举例设交流侧:f =50Hz ,U s =220V ,I s =50A ,r i 100%;直流侧:U d =500V ,r v 1%,f s =20kHz .则对单极性调制,由式(2、式(3得1.17mH L s 22.5mH ;而

15、对双极性调制,由式(5、式(6得1.083mH L s 22.5mH ,所以取:L s =2mH ,适合单极性及双极性调制两种方案.由式(8得C d 200F ,综合考虑后取C d =470F .3.2仿真结果用Saber 对系统在不同工况下的运行情况进行仿真,验证其参数选择的正确性.(1功率因数为1的工况取3.1节中所选参数对系统进行仿真研究,控制PWM 波的产生,使功率因数为1.仿真波形如图2示.可见,此种工况下,直流输出电压较平缓,其上波动是阻性负载情况下电容充放电的结果.且由仿真结果知,二次谐波电流均流过二次滤波器,达到较好的滤波效果.而交流侧输入电流与网压同相,功率因数为1,说明参数

16、选择是正确的.(2功率因数不为1的工况控制直流侧输出电压低于交流侧网压峰值,验证其输入电流仍是可控的.控制直流侧输出电压U d =300V ,交流侧电流I s =100A ,则由上述公式计算得:L s =2mH ,C d =9400F ,功率因数角=36°,滤波器参数为:L 2=0.63mH ,C 2=4000F .仿真波形如图3示.可见,输出电压在100ms 之后便达到设定值,且输出脉动很小.由此可知,输入系统的无功电流也被二次滤波器滤掉,系统功率因数小于1.101第4期唐丽丽等:单相PWM 整流器主电路参数选择探讨 (a 直流电压(b 交流电压与电流图2功率因数为1 时的波形图(a 直流电压(b 交流电压与电流图3功率因数不为1时的波形图4结论由仿真结果可知,本文给出的单相PWM 脉冲整流器的参数选择方案是可行的.利用单相PWM 脉冲整流器,可使得象电力机车等单相负载的输入功率因数为1,此时直流侧输出电压高于交流输入侧电压的峰值.也可利用它控制交流侧电流为正弦波,且相位滞后于网压一个角度,使直流侧输出电压低于交流侧电压,显然,这一工况可降低系统的功率因数.参考文献:1邵丙衡.电力电子技术M .北京:中国铁道出版社