直接電流控制的三相橋式PWM整流電路的設(shè)計與分析

摘要:目前，各類電力電子變換器的輸入整流電路輸入功率級一般采用不可控整流或相控整流電路。這類整流電路結(jié)構(gòu)簡單，控制技術(shù)成熟，但交流側(cè)輸入功率因數(shù)低，并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流。據(jù)估計，在發(fā)達國家有60%的電能經(jīng)過變換后才使用，而這個數(shù)字在本世紀初達到95%。目前，諧波污染在我國也已經(jīng)成為一個比較嚴重的公害，亟待解決。PWM整流具有功率因數(shù)接近1、流入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波、對電網(wǎng)的諧波污染小等優(yōu)點。 本文對直接電流控制的PWM整流電路開展研究，主要內(nèi)容如下： (1) 設(shè)計BOOST型三相橋式PWM整流器的主電路。 (2) 設(shè)計基于直接電流控制PWM整流電路的控制系統(tǒng)。 (3) 建立直接電流控制系統(tǒng)Simulink仿真模型，進行仿真分析。仿真結(jié)果證明直接電流控制方案使得PWM整流器功率因數(shù)接近于1，流入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波，對電網(wǎng)的諧波污染小等優(yōu)點。 前言 　在電力系統(tǒng)中，電壓和電流應(yīng)是完好的正弦波。但是在實際的電力系統(tǒng)中，由于非線性負載的影響，實際的電網(wǎng)電壓和電流波形總是存在不同程度的畸變，給電力輸配電系統(tǒng)及附近的其它電氣設(shè)備帶來許多問題，因而就有必要采取措施限制其對電網(wǎng)和其它設(shè)備的影響。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，大量的非線性負載被引入電網(wǎng)，導致了日趨嚴重的諧波污染。電網(wǎng)諧波污染的根本原因在于電力電子裝置的開關(guān)工作方式，引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴重畸變。目前，隨著功率半導體器件研制與生產(chǎn)水平的不斷提高，各種新型電力電子變流裝置不斷涌現(xiàn)，特別是用于交流電機調(diào)速傳動的變頻器性能的逐步完善，為工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能和改善生產(chǎn)工藝提供了十分廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)資料表明，電力電子裝置生產(chǎn)量在未來的十年中將以每年不低于10%的速度遞增，同時，由這類裝置所產(chǎn)生的高次諧波約占總諧波源的70%以上。 　　在我國，當前主要的諧波源主要是一些整流設(shè)備，如化工、冶金行業(yè)的整流設(shè)備和各種調(diào)速、調(diào)壓設(shè)備以及電力機車。傳統(tǒng)的整流方式通常采用二極管整流或相控整流方式，采用二極管整流方式的整流器存在從電網(wǎng)吸取畸變電流，造成電網(wǎng)的諧波污染，而且直流側(cè)能量無法回饋電網(wǎng)等缺點。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流側(cè)功率因數(shù)很低，因換流引起電網(wǎng)電壓波形畸變等缺點。這些整流器從電網(wǎng)汲取電流的非線性特征，給周圍用電設(shè)備和公用電網(wǎng)都會帶來不利影響。 　　為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，其中的一種方法就是對整流器本身進行改進，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器稱為高功率因數(shù)變流器或高功率因數(shù)整流器。高功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術(shù)，一般需要使用自關(guān)斷器件。對電流型整流器，可直接對各個電力半導體器件的通斷進行 PWM調(diào)制，使輸入電流成為接近正弦且與電源電壓同相的PWM波形，從而得到接近1的功率因數(shù)。對電壓型整流器，需要將整流器通過電抗器與電源相連。只要對整流器各開關(guān)器件施以適當?shù)腜WM控制，就可以對整流器網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位進行控制，不僅可實現(xiàn)交流電流接近正弦波，而且可使交流電流的相位與電源電壓同相，即系統(tǒng)的功率因數(shù)總是接近于1。本文主要對與PWM整流器相關(guān)的功率開關(guān)器件、主電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制方式等進行詳細說明，在此基礎(chǔ)上對PWM 整流技術(shù)的發(fā)展方向加以探討。 第一章PWM整流電路概述 1.1功率開關(guān)器件 PWM整流器的基礎(chǔ)是電力電子器件，其與普通整流器和相控整流器的不同之處是其中用到了全控型器件，器件性能的好壞決定了PWM整流器的性能。優(yōu)質(zhì)的電力電子器件必須具有如下特點：(1)能夠控制通斷，確保在必要時可靠導通或截止；（2）能夠承受一定的電壓和電流，阻斷狀態(tài)時能承受一定電壓，導通時勻許通過一定的電流；（3）具有較高的開關(guān)頻率，在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時具有足夠短的導通時間和關(guān)斷時間，并能承受高的di/dt和dv/dt。目前在PWM整流器中得到廣泛應(yīng)用的電力電子器件主要有如下幾種： 1.1.1門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) GTO是最早的大功率自關(guān)斷器件，是目前承受電壓最高和流過電流最大的全控型器件。它能由門極控制導通和關(guān)斷，具有通過電流大、管壓降低、導通損耗小， dv/dt耐量高等優(yōu)點，目前已達6KV/6KA的應(yīng)用水平，在大功率的場合應(yīng)用較多。但是GTO的缺點也很明顯，驅(qū)動電路復(fù)雜并且驅(qū)動功率大，導致關(guān)斷時間長，限制了器件的開關(guān)頻率；關(guān)斷過程中的集膚效應(yīng)容易導致局部過熱，嚴重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復(fù)雜的緩沖電路，這些都限制了 GTO在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)在GTO主要應(yīng)用在中、大功率場合。 1.1.2電力晶體管（GTR） 電力場效應(yīng)管又稱為巨型晶體管，是一種耐高壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管，該器件與GTO一樣都是電流控制型器件，因而所需驅(qū)動功率較大，但其開關(guān)頻率要高于GTO，因而自20世紀80年代以來，主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源等場合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和電力場效應(yīng)管（Power MOSFET）所取代。 1.1.3電力場效應(yīng)管（Power MOSFET） 電力場效應(yīng)管是用柵極電壓來控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此它的第一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。其第二個顯著特點是開關(guān)速度快，工作頻率高。另外Power MOSFET的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。但是Power MOSFET電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的場合。 1.1.4絕緣柵雙極晶體管(IGBT) IGBT是后起之秀，將MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。目前的應(yīng)用水平已經(jīng)達到3.3KV/1.2KA。柵極為電壓驅(qū)動，所需驅(qū)動功率小，開關(guān)損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。其主要缺點是高壓IGBT內(nèi)阻大，通態(tài)壓降大，導致導通損耗大；在應(yīng)用于高（中）壓領(lǐng)域時，通常需要多個串聯(lián)。 1.1.5集成門極換流晶閘管(IGCT)和對稱門極換流晶閘管(SGCT) IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型復(fù)合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的兆瓦級、高（中）壓開關(guān)器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)壓降更小，承受電壓更高，通過電流更大；與GTO相比，通態(tài)壓降和開關(guān)損耗進一步降低，同時使觸發(fā)電流和通態(tài)時所需的門極電流大大減小角，有效地提高了系統(tǒng)的開關(guān)速度。IGCT采用的低電感封裝技術(shù)使得其在感性負載下的開通特性得到顯著改善。與GTO相比， IGCT的體積更小，便于和反向續(xù)流二極管集成在一起，這樣就大大簡化了電壓型PWM整流器的結(jié)構(gòu)，提高了裝置的可靠性。其改進形式之一稱為對稱門極換流晶閘管(SGCT)，兩者的特性相似，不同之處是SGCT可雙向控制電壓，主要應(yīng)用于電流型PWM中。目前，兩者的應(yīng)用水平已經(jīng)達到6KV/6KA。 1.2PWM整流器的主電路拓撲結(jié)構(gòu) PWM整流器根據(jù)主電路中開關(guān)器件的多少可以分為單開關(guān)型和多開關(guān)型；根據(jù)輸入電源相數(shù)可以分為單相PWM整流電路和三相整流電路；根據(jù)輸出要求可以分為電壓源和電流源型。下面介紹幾種常見的三相PWM整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)并簡要分析它們的工作特性。 1.2.1三相單開關(guān)PWM整流電路 三相單開關(guān)PWM整流器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)主要有如下幾種： 1. 單開關(guān)Boost型（升壓型）：其輸出電壓恒定，工作于電流斷續(xù)模式（DCM），這種電路結(jié)構(gòu)簡單，在PWM整流電路中應(yīng)用廣泛。 2. 單開關(guān)Buck型（降壓型）：與升壓型成對偶關(guān)系，其輸出電流恒定，輸出電壓較低，仍然工作于斷續(xù)電流模式（DCM）。 1.2.2三相多開關(guān)PWM整流電路 三相多開關(guān)PWM整流器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)主要有如下幾種： 1. 六開關(guān)Boost型：也可稱為兩電平電壓型整流器或三相橋式可逆PWM整流器。每個橋臂上的可關(guān)斷開關(guān)管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，每只開關(guān)管的導通作用，一般都是使交流側(cè)濾波電感L蓄積磁能，而在開關(guān)管關(guān)斷時，迫使電感產(chǎn)生較高的電壓Ldi/dt，通過另一橋臂的續(xù)流二極管向直流側(cè)釋放磁能。因此，從廣義上講，這種橋式PWM可逆整流器拓撲，仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。六開關(guān)Boost型PWM整流器的特點是結(jié)構(gòu)簡單且宜于實現(xiàn)有源逆變，因而是目前應(yīng)用和研究最為活躍的一種類型，也是多開關(guān)PWM整流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種。 2. 六開關(guān)Buck型：也可稱為兩電平電流型整流器，直流側(cè)電抗器一般要求很大。由于電流型變換器的特點，交流側(cè)輸入LC濾波器通常是必不可少的，以改善電流波形和功率因數(shù)。這種電路拓樸較適合于空間矢量調(diào)制，且有降壓作用。其缺點是由于直流側(cè)大電感內(nèi)阻較大，消耗功率較大導致其效率略低于六開關(guān)Boost型。 3. 三電平PWM整流電路 在大功率PWM變流裝置中，常采用拓樸結(jié)構(gòu)的三點式電路，這種電路也稱為中點鉗位型(Neutral Point Clamped) 電路。與兩點式PWM相比，三點式PWM調(diào)制波的主要優(yōu)點，一是對于同樣的基波與諧波要求而言，開關(guān)頻率低得多，從而可以大幅度降低開關(guān)損耗；二是每個主開關(guān)器件關(guān)斷時所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，因此這種電路特別適合于高電壓大容量的應(yīng)用場合。不過三點式PWM可逆整流器的缺點也是顯而易見的，一方面其主電路拓撲使用功率開關(guān)器件較多，另一方面，控制也比兩點式復(fù)雜，尤其是需要解決中點電位平衡問題。 從上面的分析可以知道，單開關(guān)主電路拓樸結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點在于，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，且電源工作工作可靠性高；缺點在于其應(yīng)用場合受到開關(guān)器件的影響，開關(guān)器件的耐壓水平高低和開關(guān)頻率的高低限制了這種電路的應(yīng)用，其主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源。 與單開關(guān)結(jié)構(gòu)的PWM整流器相比，多開關(guān)PWM整流電路的共同優(yōu)點在于功率因數(shù)高，諧波失真小，可實現(xiàn)能量的雙向流動，調(diào)節(jié)速度快，應(yīng)用范圍寬，主要應(yīng)用于中大功率場合。缺點也很突出，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，而且需要檢測和控制的點較多，提高了控制成本；器件的增多也降低了系統(tǒng)的可靠性。但由于其性能指標要高于單開關(guān)結(jié)構(gòu)的PWM整流器，且可實現(xiàn)能量<