CN107968580A - 一种单向混合型三相三电平整流器 - Google Patents

一种单向混合型三相三电平整流器 Download PDF

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Abstract

一种单向混合型三相三电平整流器，由三相整流桥、滤波器、升压Boost电路、电压传感器、电流传感器、DSP控制器、用于闭环控制的信号调理电路组成。该整流器由5个模块组成，其中模块1由滤波电感组成；模块2和模块3分别为三相二极管整流桥和三相IGBT整流桥；模块4为IGBT升压Boost电路；模块5为滤波电容。该整流器的主要特点是采用二极管桥式整流电路结合PWM整流电路相结合，控制、输出电压稳定，具有优秀的功率跟踪能力，鲁棒性强，有效降低谐波分量。

Description

一种单向混合型三相三电平整流器
技术领域
本发明属于电压型整流领域，尤其涉及一种单向混合型三相三电平整流器。
背景技术
整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。电子器件多数由直流驱动，所以采用整流器以获得可控或不控的直流电压,常规的整流环节广泛采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路。
二极管不控整流的低频谐波分量大、直流电压脉动明显、输出电压不可控，仅由电网电压决定。晶闸管相控整流器功率因数较低、易造成电磁干扰、输入电流畸变严重。
近年来，在无需双向电能转换但对功率因数矫正(PFC)有要求的应用条件下，PWM三电平整流器得到了广泛应用。减少其开关器件，减少了整流器成本的同时仍然可以将其应用于一定大功率场合和获得近似正弦的输入电流。但是如何进一步提高PWM三电平整流器的交流电流谐波、效率、功率密度、可靠性等性能成为一大难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单向混合型三相三电平整流器，以达到降低低频谐波、交流电流谐波，提高效率、功率密度、可靠性等性能。
本发明采取的技术方案为：
一种单向混合型三相三电平整流器，包括：
模块1包括滤波电感，
模块2三相二极管整流桥；
模块3为三相IGBT整流桥；
模块4为IGBT升压Boost电路；
模块5为滤波电容。
模块1的输入端分别连接到电网的各相进线，模块1的输出端分别连接到模块2各相桥臂中点、模块3的各相桥臂中点；
所述模块2由6个二极管组成，模块2输入端与三相交流电源同相接入端连接，模块2输出端通过模块4与负载RL连接，模块5并联在负载RL两端。
本发明一种单向混合型三相三电平整流器，有益效果如下：
1、DSP控制器型号为TMS320F28335，该器件的精度高，成本低，功耗小，快速傅立叶转换(FFT)等复杂计算算法性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D 转换更精确快速。
2、用于闭环控制的信号调理电路由滑模控制器(SMC)和PI控制器组成。所述闭环控制电路由包含电流传感器、电压传感器、滑模控制器、PI控制器的信号调理电路组成，采用电流、电压双环控制策略：电流内环通过采用PI控制策略，实现对有功和无功电流的解耦控制，达到电流跟踪目标；电压外环采用滑模变结构控制策略，使直流输出电压具有较强的抗干扰性、自适应性、以及良好的动态品质、较强的鲁棒性，并且可以实现较好的稳态特性。
3、本发明采用空间矢量调制(SVPWM)来对三相PWM整流器部分进行调制，使得提高三相PWM整流器的直流电压利用率变得快捷方便，而且由于该调制方式的数字化实现很容易，为后面的控制程序编写提供了很大的便利。
4、本发明与现有技术相比,具有以下的优点：控制、输出电压稳定，具有优秀的功率跟踪能力，鲁棒性强，有效降低谐波分量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是单向混合型三相三电平整流器的电路拓扑图。
图2(a)是模块3三相IGBT整流桥的工作模式一示意图。
图2(b)是模块3三相IGBT整流桥的工作模式二示意图。
图2(c)是模块3三相IGBT整流桥的工作模式三示意图。
图3是采用开关函数描述的三相PWM整流器简化等效电路图。
图4是单向混合型三相三电平整流器控制系统的原理框图。
图5为三相桥式不控整流电路输入侧电流波形。
图6为三相三电平整流电路输入侧电流波形。
图7为单向混合型三相三电平整流器输入侧的电流和电压波形。
图8为单向混合型三相三电平整流器输出侧电压波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明提出的一种单向混合型三相三电平整流器，作进一步说明。
如图1所示，本发明的单向混合型三相三电平整流器由5个模块组成，其中模块1由滤波电感组成；模块2和模块3分别为三相二极管整流桥和三相IGBT整流桥；模块4为 IGBT升压Boost电路；模块5为滤波电容。
模块1的输入端分别连接到电网的各相进线，输出端分别连接到模块2和模块3的各相桥臂中点。
输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。
模块2二极管三相整流桥利用六个二极管，两两对接。其特点是在任何时刻都只有一组两只二极管导通，使电流由电位最高的相出发，经Dap、Dbp、Dcp的某一个，流经负载。再由Dan、Dbn、Dcn中的某一个流回电位最低的相，而其它二极管此时都截止。
如图1所示，本发明的单向混合型三相三电平整流器，ea(t)、eb(t)、ec(t)为三相对称相电压，ia1、ib1、ic1为二极管整流桥三相输入电流，ia2、ib2、ic2为PWM整流器的三相输入电流。idc为直流侧负载电流，idc1为二极管整流电路输出电流，idc2为PWM整流电路输出电流。vdc为直流电压，C1、C2为直流侧电容。RL为负载电阻。二极管整流桥输入侧的电感Ld1和PWM整流器输入侧的电感La1、La2、La3均为交流侧滤波电感。Ld2为升压Boost 电路中的升压电感。
三相电源电压为220V/50Hz的电源，负载两端输出期望电压650V。IGBT开关频率10kHz，三相二极管桥式整流器Ld1＝1mH，升压电感Ld2＝5mH，三相IGBT整流器 La1＝La2＝La3＝2mH，电容C1＝C2＝3300μF。
本发明采用电压外环、电流内环，其中电压采用滑模变结构控制，电流内环采用PI控制。
滑模变结构控制本质上是一种非线性控制，其非线性特性表现为控制的不连续性，特点是系统结构并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态不断变化，迫使系统按照指定的滑动模态运动。采用滑模变结构控制，可以使PWM整流器不依赖于电网电压、开关器件以及负载参数，对参数变化及干扰具有不变性，即强鲁棒性。
PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
工作时,将单向混合型三相三电平整流器与控制系统相连,控制系统如图3所示,包括电流传感器、电压传感器、滑模控制器、PI控制器、DSP控制器，单向混合型三相三电平整流器的输入端与电流传感器的输入端连接，使用电压传感器对输出端电压进行检测。
如图2(a)～图2(c)所示，模块3的a、b、c三个桥臂有(a)(b)(c)三种换相状态，负载RL两端的电压分别为对于a桥臂，工作在(a)模式时，IGBTSX1和二极管Dx1导通，电容C1储能，其到中性点n的电压为工作在(b)模式时，IGBTSX1和SX2导通，负载两端到中性点n的电压均为0；当电压波形为负半周时，模块2工作在(c)模式，IGBTSX2和二极管Dx2导通，电容C2储能，其到中性点n的电压为同理可得出b、c两个桥臂都有三种状态，其开关函数的值可以取为(1,0，-1)，用开关函数表示的等效电路如图3 所示。
如图4所示，该控制系统的工作原理是，将电网各相进线的输入端使用电流传感器进行相电流ia、ib、ic检测，并将三相交流量变换为旋转的两相直流量。此时控制系统的阶数将会降低，便于实现无静差的控制策略，使电流快速收敛于期望电流值iqref。为了进一步提高系统的动态性能，增加电压外环滑模控制，采用电压传感器检测直流侧电压vdc，使其快速收敛于期望直流侧电压值vdref，维持直流输出电压恒定。对dq轴解耦控制，得到开关函数Sd和Sq，进而通过SVPWM驱动整流器。
如图4所示，idc为直流侧负载电流，idc1为二极管整流电路输出电流，idc2为PWM整流电路输出电流。将两组电路的功率分配转换为直流电流idc1和idc2的分配控制，可以达到功率分配的目的。取分配系数α，采样idc2并乘以分配系数即是应该分配给PWM整流器的电流，再通过对PWM整流器实际输出电流idc2的采样可以将αidc2与其作差，实现反馈控制，对直流量无静差的跟踪，保证了PWM整流电路完成的变换功率在整个输出功率中所占的比例，使得直流侧功率按照给定比例进行分配。
图5所示为三相桥式不控整流电路输入侧稳定电流波形，按照具体实施过程中所列控制参数进行仿真验证，从波形中可看出，此时三相桥式不控整流电路输出电流波形存在畸变，工作状态类似于有源滤波器工作状态。
图6为三相三电平整流电路输入侧电流波形，通过将图5与图6波形比对可发现，将图5与图6的电流波形叠加在一起为图7波形。
图7为混合三相三电平整流器输入侧的接入电网电流波形，从中可以看出总电流正弦化程度较好，且总电流与电压同相位，满足整流器输出要求，在实际电路设计时由于减少电容的个数，可大幅度减小混合整流器体积。
图8为混合整流器的直流侧电压输出波形，从图8中可看出混合整流器能够稳定输出直流电压，稳定到650V，从初始时刻到达稳定时间约为一个工频周期。

Claims (6)

1.一种单向混合型三相三电平整流器，包括：
模块1：滤波电感，
模块2：三相二极管整流桥；
模块3为三相IGBT整流桥；
模块4为IGBT升压Boost电路；
模块5为滤波电容；
其特征在于：
模块1的输入端分别连接到电网的各相进线，模块1的输出端分别连接到模块2各相桥臂中点、模块3的各相桥臂中点；
所述模块2由6个二极管组成，模块2输入端与三相交流电源同相接入端连接，模块2输出端通过模块4与负载RL连接，模块5并联在负载RL两端。
2.如权利要求1所述一种单向混合型三相三电平整流器的控制方法，其特征在于：电压外环采用滑模变结构控制，电流内环采用PI控制。
3.如权利要求1所述一种单向混合型三相三电平整流器的控制方法，其特征在于：用空间矢量调制SVPWM来对三相PWM整流器部分进行调制。
4.根据权利要求2所述一种单向混合型三相三电平整流器控制方法，其特征在于：将电网各相进线的输入端使用电流传感器进行相电流ia、ib、ic检测，并将三相交流量变换为旋转的两相直流量，使电流快速收敛于期望电流值iqref，采用电压传感器检测直流侧电压vdc，使其快速收敛于期望直流侧电压值vdref，维持直流输出电压恒定；对dq轴解耦控制，得到开关函数Sd和Sq，进而通过SVPWM驱动整流器。
5.根据权利要求4所述一种单向混合型三相三电平整流器控制方法，其特征在于：将两组电路的功率分配转换为直流电流idc1和idc2的分配控制，取分配系数α，采样idc2并乘以分配系数即是应该分配给PWM整流器的电流，再通过对PWM整流器实际输出电流idc2的采样可以将αidc2与其作差，实现反馈控制。
6.如权利要求1所述一种单向混合型三相三电平整流器的三相IGBT整流桥换相方法，其特征在于：
对于a桥臂，工作在(a)模式时，IGBTSX1和二极管Dx1导通，电容C1储能，其到中性点n的电压为
工作在(b)模式时，IGBTSX1和SX2导通，负载两端到中性点n的电压均为0；
当电压波形为负半周时，模块2工作在(c)模式，IGBTSX2和二极管Dx2导通，电容C2储能，其到中性点n的电压为
同理可得出b、c两个桥臂都有三种状态，其开关函数的值取为(1,0，-1)。
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