CN108418450B - 一种可调压pwm整流器及其apfc控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调压PWM整流器，包括主电路和控制电路，主电路中包括6个IGBT，且分成三组，每组IGBT均采用反向串联方式连接；控制电路包括DSP数字控制器，DSP数字控制器连接驱动电路，驱动电路连接全控器件。本发明还公开了一种可调压PWM整流器的APFC控制方法，采样得到交流侧的三相电压、三相电流和直流侧电压，计算得到电压和电流在两相旋转坐标系下的值和d轴指令电流；经过计算得解耦输出电流量；经过计算分别得到最终电压指令；将最终电压指令转换到三相静止坐标系中；采用空间矢量脉冲宽度调制产生PWM脉冲信号。本发明具有直流输出电压一定范围内可调、谐波污染小，功率因数高的特点。

Description

一种可调压PWM整流器及其APFC控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种可调压PWM整流器，还涉及一种可调压PWM整流器的APFC控制方法。

背景技术

整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀、电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。

常用的整流器拓扑包括二极管整流、相控整流、PWM整流等拓扑结构。二极管整流电路简单易用，但直流侧电压不可调受网侧电压波动影响较大且交流网侧电流谐波大。相控整流电路通过控制触发角可以调节直流输出侧电压，但相控整流同样在网侧会产生严重的谐波污染。电压型PWM整流电路虽可以保证网侧电流正弦化，降低谐波污染，提高功率因数，但其直流侧电压不能调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调压PWM整流器，解决了现有技术中存在的直流输出侧电压不可调节及功率因数低的问题。

本发明的另一个目的是提供可调压的PWM整流器的APFC控制方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种可调压PWM整流器，包括三相交流电源，三相交流电源上连接有交流侧滤波电路，交流侧滤波电路的输出端每两相电路之间均连接一个滤波电容；交流侧滤波电路输出端的每相电路连接一组全控器件，每组全控器件由两个反向串联的IGBT组成，每组全控器件中远离交流侧滤波电路输出端的一个IGBT的集电极连接二极管整流桥，二极管整流桥输出端连接直流侧滤波电路，直流侧滤波电路上连接负载；负载两侧连接直流侧电压传感器，直流侧电压传感器与直流侧信号调理电路、DSP数字控制器、网侧信号调理电路依次连接；网侧信号调理电路的输入端连接网侧电压传感器和网侧电流传感器，网侧电压传感器并联在三相交流电源的每相电源两侧，网侧电流传感器连接在交流侧滤波电路的输出端；DSP数字控制器输出端连接有驱动电路，驱动电路连接每个IGBT的栅极。

第一种技术方案的特点还在于，

交流侧滤波电路包括三个交流侧滤波电感，每个交流侧滤波电感的一端分别与三相交流电源的一相电路相连，每个交流侧滤波电感的另一端连接一个电阻。

二极管整流桥中包括3组二极管，每组2个二极管。

直流侧滤波电路包括直流侧滤波电感和直流侧滤波电容，交流侧滤波电感一端与二极管整流桥的输出端连接，直流侧滤波电感的另一端连接有直流侧滤波电容。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种可调压PWM整流器的APFC控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用DSP数字控制器采样得到交流侧的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c和直流侧电压信号u_dc；

步骤2、将步骤1得到的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c依次经过3/2、2/2变换转换到两相旋转坐标系下，得到两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q，将给定电压与步骤1中的直流侧电压信号u_dc做差后进行PI控制得到d轴指令电流

步骤3、将步骤2得到的两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q经过计算得到解耦输出电流量I_d、I_q；

步骤4、将步骤2得到的两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q及d轴指令电流

及步骤3得到的解耦输出电流量I_d、I_q，经过运算得到最终电压指令e_d、e_q；

步骤5、将步骤4得到的最终电压指令e_d、e_q转换到三相静止坐标系中，得到三相静止坐标系中的电压值e_a、e_b、e_c；

步骤6、对步骤5得到的三相静止坐标系中的电压值e_a、e_b、e_c采用空间矢量脉冲宽度调制，通过扇区判断、矢量作用时间计算得到PWM脉冲信号。

第二种技术方案的特点还在于，

步骤1具体为：

通过所述网侧电压传感器、网侧电流传感器和网侧信号调理电路将三相电压电流信号转换为0-3V的模拟量，模拟量进入DSP数字控制器，经DSP数字控制器的A/D模块采样得到三相电压电流u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c；通过直流侧电压传感器和直流侧电压信号调理电路将直流电压信号转换为0-3V的模拟量，模拟量进入DSP数字控制器，经DSP数字控制器的A/D模块采样得到u_dc。

步骤2具体为：

将步骤1得到的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c经过3/2、2/2变换转换到两相旋转坐标系下，得到两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q，u_d、u_q、i_d、i_q的表达式如下：

其中，ω为角速度，ω＝2πf。u_a、u_b、u_c分别为三相电压，i_a、i_b、i_c分别为三相电流，u_d、u_q为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电压，i_d、i_q为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电流；

将给定电压与步骤1中的直流侧电压信号u_dc做差后进行PI控制得到d轴指令电流

步骤3具体为：

将经步骤2得到的u_d、u_q、i_d、i_q经过运算后得到解耦输出电流量I_d、I_q，计算式如下：

其中，I_d、I_q分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的解耦输出电流量，

分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电压给定量，K_P1、K_P2为比例系数，K_I1、K_I2为积分系数，ω＝2πf；

步骤4具体为：

将步骤2得到的u_d、u_q、i_d、i_q、d轴指令电流

和步骤3得到的解耦输出电流量I_d、I_q，经过计算得到最终电压指令e_d、e_q，e_d、e_q表达式如下：

其中，e_d、e_q分别为dq两相旋转坐标系下最终电压指令，

分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电流的给定量，

的给定为0，K_P3、K_P4为比例系数，K_I3、K_I4为积分系数，ω＝2πf；

步骤5具体为：

将步骤4得到的e_d、e_q经过反变换得到三相静止坐标系下的电压值e_a、e_b、e_c，表达式如下：

其中，e_a、e_b、e_c分别为经过反变换得到三相静止坐标系下的电压，ω＝2πf。

步骤6具体为：

将三相静止坐标系下的电压值e_a、e_b、e_c作为空间电压矢量调制输入信号，通过扇区判断、矢量作用时间计算产生PWM脉冲信号。

本发明的有益效果是：

(1)本发明一种可调压PWM整流器及其APFC控制方法，使直流输出电压在一定范围内可调节；

(2)本发明一种可调压PWM整流器及其APFC控制方法，使网侧电流正弦化，网侧无谐波污染，网侧功率因数高。

附图说明

图1是本发明一种可调压PWM整流器及其APFC控制方法的整流拓扑及其控制电路图；

图2是本发明一种可调压PWM整流器及其APFC控制方法的流程图；

图3是本发明一种可调压PWM整流器及其APFC控制方法的一个实施例的网侧电压电流波形。

图中，1.三相交流电源，2.交流侧滤波电路，3.交流侧滤波电感，4.电阻，5.直流侧滤波电容，6.全控器件，7.二极管整流桥，8.直流侧滤波电路，9.交流侧滤波电感，10.交流侧滤波电容，11.负载，12.直流侧电压传感器，13.直流信号调理电路，14.DSP数字控制器，15.驱动电路，16.网侧信号调理电路，17.网侧电流传感器，18.网侧电压传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种可调压PWM整流器，包括主电路和控制电路。

如图1所示，一种可调压的PWM整流电器，包括三相交流电源1，三相交流电源1上连接有交流侧滤波电路2，交流侧滤波电路2的输出端每两相电路之间均连接一个滤波电容5；交流侧滤波电路2输出端的每相电路连接一组全控器件6，每组全控器件6由两个反向串联的IGBT组成，每组全控器件6中远离交流侧滤波电路2输出端的一个IGBT的集电极连接二极管整流桥7，二极管整流桥7输出端连接直流侧滤波电路8，直流侧滤波电路8上连接负载11；负载11两侧连接直流侧电压传感器12，直流侧电压传感器12与直流侧信号调理电路13、DSP数字控制器14、网侧信号调理电路16依次连接；网侧信号调理电路16的输入端连接网侧电压传感器18和网侧电流传感器17，网侧电压传感器18并联在三相交流电源1的每相电源两侧，网侧电流传感器17连接在交流侧滤波电路2的输出端；DSP数字控制器14输出端连接有驱动电路15，驱动电路15连接每个IGBT的栅极。

交流侧滤波电路2包括三个交流侧滤波电感3，每个交流侧滤波电感3的一端分别与三相交流电源1的一相电路相连，每个交流侧滤波电感3的另一端连接一个电阻4。

二极管整流桥7中包括3组二极管，每组2个二极管。

直流侧滤波电路8包括直流侧滤波电感9和直流侧滤波电容10，直流侧滤波电感9一端与二极管整流桥7的输出端连接，直流侧滤波电感9的另一端连接有直流侧滤波电容10。

主电路包括三相电源1，三相电源1连接输入侧滤波2，输入侧滤波2包括依次连接的滤波电感3和滤波电感寄生电阻4，输入侧滤波2后端连接输入侧滤波电容5，输入侧滤波电容5后端连接全控器件6，全控器件6包括6个IGBT，共三对，每对均采用反向串联方式连接，Q₁～Q₆每两个一组反向串入在每相电路中，Q₁、Q₂反向串入a相电路中，Q₃、Q₄反向串入b相电路中，Q₅、Q₆反向串入c相电路中。全控器件6后端连接二极管桥式结构7，二极管桥式结构7后端连接直流侧滤波电路8，直流侧滤波电路8后端连接电阻负载11，直流侧滤波电路8包括直流侧滤波电感9和直流侧滤波电容10。

控制电路包括直流侧电压传感器12、直流侧信号调理电路13、DSP数字控制器14、驱动电路15、网侧信号调理电路16、网侧电流传感器17、网侧电压传感器18。

一种可调压PWM整流器的APFC控制方法，其工作流程如图2所示，DSP数字控制器14采样得到交流侧的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c，计算得到电压和电流在两相旋转坐标系下的值u_d、u_q、i_d、i_q；经过计算分别得到解耦输出电流量I_d、I_q；采样得到直流侧电压信号u_dc，进而得到d轴指令电流

经过计算分别得到最终电压指令e_d、e_q；将e_d、e_q转换到三相静止坐标系中，得到e_a、e_b、e_c；采用空间矢量脉冲宽度调制产生PWM脉冲信号，驱动全控器件6实现可调压PWM整流器APFC控制。

本发明一种可调压PWM整流器及其APFC控制方法的工作原理是：

网侧电压传感器18、网侧电流传感器17检测主电路中的三相交流电压、电流信号，通过网侧信号调理电路16转换为0-3V的模拟量；直流侧电压传感器12检测主电路中的电压信号，通过直流侧信号调理电路13转换为0-3V的模拟量，通过网侧信号调理电路16转换为0-3V的模拟量和通过直流侧信号调理电路13转换为0-3V的模拟量进入DSP数字控制器14，通过DSP数字控制器14的A/D采样得到三相电压电流和直流侧电压u_dc，在DSP数字控制器14内部通过控制算法，采用空间矢量脉冲宽度调制产生PWM脉冲信号，驱动IGBT全控器件6工作，实现可调压的PWM整流器APFC控制。

一种可调压PWM整流器的APFC控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用DSP数字控制器采样得到交流侧的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c和直流侧电压信号u_dc；

步骤2、将步骤1得到的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c依次经过3/2、2/2变换转换到两相旋转坐标系下，得到两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q，将给定电压与步骤1中的直流侧电压信号u_dc做差后进行PI控制得到d轴指令电流

步骤3、将步骤2得到的两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q经过计算得到解耦输出电流量I_d、I_q；

步骤4、将步骤3得到的解耦输出电流量I_d、I_q，步骤2得到的两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q及d轴指令电流

经过运算得到最终电压指令e_d、e_q；

步骤5、将步骤4得到的最终电压指令e_d、e_q转换到三相静止坐标系中，得到三相静止坐标系中的电压值e_a、e_b、e_c；

步骤6、对步骤5得到的三相静止坐标系中的电压值e_a、e_b、e_c采用空间矢量脉冲宽度调制，通过扇区判断、矢量作用时间计算得到PWM脉冲信号。

步骤1具体为：

通过所述网侧电压传感器18、网侧电流传感器17和网侧信号调理电路16将三相电压电流信号转换为0-3V的模拟量，模拟量进入DSP数字控制器14，经DSP数字控制器14的A/D模块采样得到三相电压电流u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c；通过直流侧电压传感器12和直流侧电压信号调理电路13将直流电压信号转换为0-3V的模拟量，模拟量进入DSP数字控制器14，经DSP数字控制器14的A/D模块采样得到u_dc。

步骤2具体为：

将步骤1得到的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c经过3/2、2/2变换转换到两相旋转坐标系下，得到两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q，u_d、u_q、i_d、i_q的表达式如下：

其中，ω为角速度，ω＝2πf。u_a、u_b、u_c分别为三相电压，i_a、i_b、i_c分别为三相电流，u_d、u_q为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电压，i_d、i_q为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电流；

将给定电压与步骤1中的直流侧电压信号u_dc做差后进行PI控制得到d轴指令电流

步骤3具体为：

将经步骤2得到的u_d、u_q、i_d、i_q经过运算后得到解耦输出电流量I_d、I_q，计算式如下：

其中，I_d、I_q分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的解耦输出电流量，

分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电压给定量，K_P1、K_P2为比例系数，K_I1、K_I2为积分系数，ω＝2πf；

将步骤2得到的u_d、u_q、i_d、i_q、d轴指令电流

和步骤3得到的解耦输出电流量I_d、I_q，经过计算得到最终电压指令e_d、e_q，e_d、e_q表达式如下：

其中，e_d、e_q分别为dq两相旋转坐标系下最终电压指令，

分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电流的给定量，

的给定为0，K_P3、K_P4为比例系数，K_I3、K_I4为积分系数，ω＝2πf；

步骤5具体为：

将步骤4得到的e_d、e_q经过反变换得到三相静止坐标系下的电压值e_a、e_b、e_c，表达式如下：

其中，e_a、e_b、e_c分别为经过反变换得到三相静止坐标系下的电压，ω＝2πf。

实施例

图3是可调压PWM整流器网侧电压电流波形，由图可见，在该控制策略下，该整流器具有网侧电流正弦化，可调压PWM整流器网侧功率因数接近1。

Claims (3)

1.一种可调压PWM整流器的APFC控制方法，所述可调压PWM整流器包括三相交流电源(1)，所述三相交流电源(1)上连接有交流侧滤波电路(2)，所述交流侧滤波电路(2)的输出端每两相电路之间均连接一个滤波电容(5)；所述交流侧滤波电路(2)输出端的每相电路连接一组全控器件(6)，每组所述全控器件(6)由两个反向串联的IGBT组成，每组所述全控器件(6)中远离所述交流侧滤波电路(2)输出端的一个IGBT的集电极连接二极管整流桥(7)，所述二极管整流桥(7)输出端连接直流侧滤波电路(8)，所述直流侧滤波电路(8)上连接负载(11)；所述负载(11)两侧连接直流侧电压传感器(12)，所述直流侧电压传感器(12)与直流侧信号调理电路(13)、DSP数字控制器(14)、网侧信号调理电路(16)依次连接；所述网侧信号调理电路(16)的输入端连接网侧电压传感器(18)和网侧电流传感器(17)，所述网侧电压传感器(18)并联在三相交流电源(1)的每相电源两侧，所述网侧电流传感器(17)连接在所述交流侧滤波电路(2)的输出端；所述DSP数字控制器(14)输出端连接有驱动电路(15)，所述驱动电路(15)连接每个IGBT的栅极；所述直流侧滤波电路(8)包括直流侧滤波电感(9)和直流侧滤波电容(10)，所述直流侧滤波电感(9)一端与所述二极管整流桥(7)的输出端连接，所述直流侧滤波电感(9)的另一端连接有直流侧滤波电容(10)，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用DSP数字控制器(14)采样得到交流侧的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c和直流侧电压信号u_dc；

步骤2、将步骤1得到的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c依次经过3/2、2/2变换转换到两相旋转坐标系下，得到两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q，将给定电压与步骤1中的直流侧电压信号u_dc做差后进行PI控制得到d轴指令电流

所述步骤2具体为：

将步骤1得到的三相电压信号u_a、u_b、u_c，三相电流信号i_a、i_b、i_c经过3/2、2/2变换转换到两相旋转坐标系下，得到两相旋转坐标系下电压值u_d、u_q和电流值i_d、i_q，u_d、u_q、i_d、i_q的表达式如下：

其中，ω为角速度，ω＝2πf，u_a、u_b、u_c分别为三相电压，i_a、i_b、i_c分别为三相电流，u_d、u_q为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电压，i_d、i_q为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电流；

将给定电压与步骤1中的直流侧电压信号u_dc做差后进行PI控制得到d轴指令电流

步骤3、将经步骤2得到的u_d、u_q、i_d、i_q经过运算后得到解耦输出电流量I_d、I_q，计算式如下：

其中，I_d、I_q分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的解耦输出电流量，

分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电压给定量，K_P1、K_P2为比例系数，K_I1、K_I2为积分系数，ω＝2πf，

步骤4、将步骤2得到的u_d、u_q、i_d、i_q、d轴指令电流

和步骤3得到的解耦输出电流量I_d、I_q，经过计算得到最终电压指令e_d、e_q，e_d、e_q表达式如下：

其中，e_d、e_q分别为dq两相旋转坐标系下最终电压指令，

分别为dq两相旋转坐标系下d轴和q轴的电流的给定量，

的给定为0，K_P3、K_P4为比例系数，K_I3、K_I4为积分系数，ω＝2πf，

步骤5、将步骤4得到的最终电压指令e_d、e_q转换到三相静止坐标系中，得到三相静止坐标系中的电压值e_a、e_b、e_c；

步骤6、对步骤5得到的三相静止坐标系中的电压值e_a、e_b、e_c采用空间矢量脉冲宽度调制，通过扇区判断、矢量作用时间计算得到PWM脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种可调压PWM整流器的APFC控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

通过所述网侧电压传感器(18)、网侧电流传感器(17)和网侧信号调理电路(16)将三相电压电流信号转换为0-3V的模拟量，模拟量进入DSP数字控制器(14)，经DSP数字控制器(14)的A/D模块采样得到三相电压电流u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c；通过直流侧电压传感器(12)和直流侧电压信号调理电路(13)将直流电压信号转换为0-3V的模拟量，模拟量进入DSP数字控制器(14)，经DSP数字控制器(14)的A/D模块采样得到u_dc。

3.根据权利要求1所述的一种可调压PWM整流器的APFC控制方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

将步骤4得到的e_d、e_q经过反变换得到三相静止坐标系下的电压值e_a、e_b、e_c，表达式如下：

其中，e_a、e_b、e_c分别为经过反变换得到三相静止坐标系下的电压，ω＝2πf。

Images