三相電流型 PWM 整流器是一種能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)且能量雙向流動的綠色電能變換器，但在寬負(fù)載范圍變化情況下實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的能力卻有限。本文針對實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的能力，首先基于時域方法，分析了三相電流型 PWM 整流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的條件，得出實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)時網(wǎng)側(cè)濾波器與直流側(cè)電流和調(diào)制比之間的關(guān)系。為拓寬單位功率因數(shù)工作范圍提供了依據(jù)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了文中分析的正確性。
1.引言
大功率高速電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)場合， 如風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)等。傳統(tǒng)的高速場合通常是由低轉(zhuǎn)速電機(jī)為基礎(chǔ)， 通過機(jī)械傳動裝置來實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速輸出。目前，隨著開關(guān)器件容量和頻率的提高、以及高速電機(jī)的發(fā)展，已可直接驅(qū)動電機(jī)達(dá)到高速需求。 省去機(jī)械傳動裝置的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、效率高、成本低和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[1]。
電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)有電壓源型和電流源型兩種基本類型[7]。與電壓源型傳動系統(tǒng)相比，大功率電流源型傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、 很好的電機(jī)電樞電流波形、 四象限運(yùn)行能力和可靠的故障保護(hù)能力等特點(diǎn)[5]。三相電流型 PWM 整流器(CSR)作為大功率電流源型傳動系統(tǒng)中的網(wǎng)側(cè)變換器， 它必須滿足電網(wǎng)對用電設(shè)備的要求， 主要是網(wǎng)側(cè)電流畸變率和輸入功率因數(shù)[4]。
對于網(wǎng)側(cè)電流畸變率問題，主要是由 PWM 調(diào)制方式、開關(guān)頻率以及網(wǎng)側(cè)濾波器 LC 的設(shè)計(jì)決定;而對于輸入功率因數(shù)則主要是由 CSR內(nèi)在實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的能力和控制方法決定的。其中 LC 濾波器對網(wǎng)側(cè)電流諧波和功率因數(shù)有直接影響。文獻(xiàn)[2]對網(wǎng)側(cè)濾波器 LC 設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的研究， 得出濾波器應(yīng)對與開關(guān)頻率相關(guān)的諧波有很大衰減， 且應(yīng)保證在電網(wǎng)基頻處不存在諧振現(xiàn)象。 而文獻(xiàn)[3]更進(jìn)一步， 不僅分析電網(wǎng)本身諧波和直流側(cè)電流紋波對 LC 濾波器設(shè)計(jì)的影響，還詳細(xì)地給出LC 濾波器的設(shè)計(jì)流程。對于實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的能力，文獻(xiàn)[2]在 dq 坐標(biāo)系下對其進(jìn)行了分析，得出其對網(wǎng)側(cè)濾波器中電容值的限定。通常對于 CSR 的研究是建立在輸出電流恒定或變化范圍小的基礎(chǔ)上， 而對于對直流側(cè)電流寬范圍變動情況下的研究相對較少[9],[10]。
本文從時域角度深入討論了三相電流型PWM 整流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的工作原理，并且分析研究了網(wǎng)側(cè)濾波器參數(shù)與電路輸出特性之間的聯(lián)系， 并給出了相應(yīng)的關(guān)系和設(shè)計(jì)要求。對于在實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的條件下，討論了直流側(cè)電流取值和調(diào)制比范圍的要求， 為提高直流側(cè)電流變化范圍提供參考依據(jù)。 仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析的正確性。
2. 三相電流型 PWM 整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行能力的分析
2.1 三相電流型 PWM 整流器的電路等效[6]
三相電流型 PWM 整流器電路如圖 1 所示。 該電路由網(wǎng)側(cè)濾波器LC、 開關(guān)網(wǎng)絡(luò) (T1~T6)和直流側(cè)儲能電抗 Ldc組成。其中 Ea，Eb，Ec為三相輸入電源電壓;isa，isb，isc為網(wǎng)側(cè)電流;ipa，ipb，ipc為整流器交流側(cè)輸入電流;ica，icb，icc為三相交流濾波電容上的電流;Ra，Rb，Rc為電感的等值電阻與電源內(nèi)阻之和;R 為電阻負(fù)載。其中 LC 濾波器的兩個基本作用：其是輔助整流器中的功率器件進(jìn)行換相; 其二是 濾除進(jìn)線電流諧波。 它的設(shè)計(jì)不僅決定輸入電流的諧波含量，還決定了輸入功率因數(shù)的大小。
對圖 1 進(jìn)行分析， 可以將開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效，等效到交流側(cè)為受控電流源，而等效到直流側(cè)為受控電壓源，如下圖 2 所示。
為了便于對三相電流型 PWM 整流器進(jìn)行分析，作出如下假設(shè)[2]：
(1) 三相電網(wǎng)電動勢平衡且其波形為純正弦;
(2) 三相交流濾波電感相等 La=Lb=Lc=L;
(3) 交流、 直流側(cè)濾波電感均為線性的，且不考慮飽和;
(4) 忽略開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)損耗折合到負(fù)載電阻 R 上。根據(jù)以上假設(shè)可以得出三相電流型 PWM整流器的電網(wǎng)中性點(diǎn)n和濾波器C網(wǎng)絡(luò)的中性點(diǎn) N 為等電勢點(diǎn)。即可得出三相電流型 PWM整流器中一相的等效電路圖如圖 3 所示(以 a相為例) 。
3.實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的條件
根據(jù)上述對直流側(cè)電流值 Idc和調(diào)制比 m與網(wǎng)側(cè)濾波器 LC 參數(shù)之間關(guān)系的分析，通過對最小有功分量以及最小無功分量的限定， 可得出當(dāng) Isa2的落點(diǎn)處于 RA 區(qū)域( ABC )時，則可以表明此時設(shè)計(jì)的參數(shù)以及直流側(cè)的取值能使 CSR 運(yùn)行于單位功率因數(shù)，即表明此時 CSR 交直流側(cè)的參數(shù)取值是合理。 因此 RA區(qū)域可稱為“單位功率因數(shù)區(qū)域” 。其區(qū)域如圖 8 所示。
對于一定的 wn而言，盡可能大的 C 取值將有助于抑制三相電流型PWM整流器交流側(cè)的電壓諧波; 另外當(dāng) C 取值增大時， 濾波器阻尼比 ξ 也增加，這將有助于抑制三相電流型PWM 整流器網(wǎng)側(cè)電流的振蕩[2]。 但是從式 (4)和圖 8 中可以看出，電容 C 取值越小，則 α越小， 因此直流側(cè)電流值和調(diào)制比要求的范圍越寬。 所以對于電容值的選取依據(jù)是在滿足諧波要求的情況下，選擇取較小的電容值，以期在寬的直流電流變化范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。
4.仿真結(jié)果分析
為了驗(yàn)證所討論內(nèi)容的正確性，Matlab/simulink 下對負(fù)載大小和調(diào)制比變化進(jìn)行了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。 其中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由理想開關(guān)和二極管組成，主電路參數(shù)如下：電源相電壓有效值為 220V;電網(wǎng)頻率 f=50Hz;交流側(cè)電感 L=0.7mH;電容 C=10uF;直流側(cè)電流Ldc=27mH;開關(guān)頻率 fs=10kHz;負(fù)載電阻為4Ω，控制方式采樣間接電流控制策略。建立仿真模型，得出其仿真波形。 當(dāng)輸出電流給定為 50A，調(diào)制比為 0.35 時的輸入電流與電壓仿真波形如圖 9 所示， 當(dāng)輸出電流給定為 10A，調(diào)制比為 0.027 時的波形如圖 10所示。
LC 參數(shù)確定后，不同的輸出電流給定對實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)有很大影響。圖 10 可以看出，輸出電流和調(diào)制比都很小時， 輸入電壓與輸入電源之間明顯存在相位差。 驗(yàn)證上述分析的正確性。本文還對不同的濾波器參數(shù)進(jìn)行了仿真，當(dāng)電容分別為 10uF 和 100uF 時，其仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表 1 所示。
對上表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下圖 11所示的曲線圖，可以明顯看出電容值取得越大，在實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)條件下，對調(diào)制比與直流側(cè)電流值乘積(m*Idc)的范圍越窄。可見交流側(cè)參數(shù)的選取對實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的能力有很大影響。 仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。
5.結(jié)論
對于網(wǎng)側(cè) LC 濾波器的設(shè)計(jì)，不僅要考慮對與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波有很大衰減以及在基頻處不存在諧振現(xiàn)象， 而且還要保證三相電源型PWM整流器的有較寬的單位功率因數(shù)區(qū)域。為獲得較大的單位功率因數(shù)區(qū)域，需要綜合考慮負(fù)載類型及大小、PWM 波的調(diào)制比以及功率大小與 LC 濾波器的之間的關(guān)系，通過優(yōu)化設(shè)計(jì) LC 濾波器的參數(shù)和調(diào)制比的變化范圍， 以獲得在較寬的輸出電流或功率等級范圍內(nèi)仍能能力實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。
參考文獻(xiàn)
[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] 張興，張崇巍. PWM 整流器及其控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)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，張明勛. 電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(第 3 版). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.
[6] 李玉玲. 電流型 PWM 整流器及其控制策略的研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2006.
[7] 張皓，續(xù)明進(jìn)，楊梅. 高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[8] 潘雙來，邢麗冬，龔余才. 電路理論基礎(chǔ)(第 2版). 北京：清華大學(xué)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.
