CN102185505A - 三相高功率因数pwm整流器控制方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相高功率因数PWM整流器控制方法，包括如下步骤，(11)将三相交流电其中的两相输入电流信号解耦为网侧有功分量与网侧无功分量；(12)将直流输出的电压值和电流值通过电压外环滑模变结构控制算法计算得出目标有功分量与目标无功分量；(13)再将网侧有功分量、网侧无功分量、目标有功分量以及目标无功分量通过电流内环控制得出αβ坐标下的变量；(14)将前述αβ坐标下的变量用空间矢量算法计算从而得到用于控制整流器内功率开关管的脉宽调制波。本发明还公开了一种三相高功率因数PWM整流器控制***。本发明实现了三相输入侧的电流波形跟踪电压波形，保证电流电压波形均为正弦波，进而实现整流器的功率因数达到1且谐波成分含量非常小。

Description

三相高功率因数PWM整流器控制方法和***

技术领域

本发明涉及三相整流技术，尤其涉及一种三相高功率因数PWM整流器控制方法和***。

背景技术

三相整流器是用来把三相交流电转换成直流电的一个装置。三相整流器作为电能转换的前级设备，普遍安装在电源的前端。目前国内普通采用的整流方式有不控整流、三相半波可控整流及三相桥式全控整流，其中，不控整流的电流波形畸变明显、谐波含量很大和功率因数低，严重干扰用电网络。

另外，现有三相整流器的控制电路是通过模拟电路来实现的，例如信号检测、电压环控制及电流环控制都是用模拟电路构建控制电路。但使用时间、温度、湿度、振动等外界环境对模拟电路影响较大，同时，此类电路较复杂，绝大多数电路使用分立元器件组装，导致控制电路可靠性低。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种三相高功率因数PWM整流器控制方法和***，以解决交流输入侧波形畸变严重、谐波含量大、功率因数低、控制电路可靠性差的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种三相高功率因数PWM整流器控制方法，包括如下步骤，(11)将三相交流电其中的两相输入电流信号解耦为网侧有功分量与网侧无功分量；(12)将直流输出的电压值和电流值通过电压外环滑模变结构控制算法计算得出目标有功分量与目标无功分量；(13)再将网侧有功分量、网侧无功分量、目标有功分量以及目标无功分量通过电流内环控制得出αβ坐标下的变量；(14)将前述αβ坐标下的变量用空间矢量算法计算从而得到用于控制整流器内功率开关管的脉宽调制波。

在步骤(11)中，是将交流电信号作abc坐标到dq坐标的转换，得到dq坐标下的网侧有功分量与网侧无功分量。

在步骤(11)前还包括步骤(10)，将三相交流电其中两相电流和整流后的直流电压及电流经检测、调整、滤波后转换成数字信号，并将AC相电压调整为过零信号作为相位角参考点。

在步骤(10)中进一步将所述四种数字信号通过计算还原为实际值。

$\mathrm{Id}=\sqrt{\frac{2}{3}}*(\mathrm{Ia}*\mathrm{SINTABLE}[\mathrm{ACount}]+\mathrm{Ib}*\mathrm{SINTABLE}[\mathrm{BCount}]+\mathrm{Ic}*\mathrm{SINTABLE}[\mathrm{CCount}\left]\right)$

$\mathrm{Iq}=(\sqrt{\frac{2}{3}}*(\mathrm{Ia}*\mathrm{COSTABLE}[\mathrm{ACount}]+\mathrm{IbCOSTABLE}[\mathrm{ACount}]+\mathrm{Ic}*\mathrm{COSTABLE}[\mathrm{CCount}\left]\right)$

其中，Id，Iq为dq坐标下的电流分量，Ia，Ib，Ic为abc坐标下的电流值，即实际采样得到的值，SINTABLE[ACount]、SINTABLE[BCount]、SINTABLE[BCount]分别为A、B、C三相相位角的正弦值，COSTABLE[ACount]、COSTABLE[ACount]、COSTABLE[CCount]分别为A、B、C三相相位角的余弦值。

$\mathrm{Idref}=(((\mathrm{Udcref}-\mathrm{Udc}+(\mathrm{\β}/C*\mathrm{Idc}))*C)*\mathrm{Udc})/(\mathrm{\β}*(\sqrt{3}*\mathrm{Vrms}-*R*\mathrm{Idref}))$

其中，Idref为Id的参考值，Udcref为整流后级电压的参考值，Udc为整流后级电压的实际值，C为整流后级电容值，Idc为整流后级电流值，β＝0.03，Vrms为交流线电压。

本发明还提供了一种三相高功率因数PWM整流器控制***，包括：

BOOST电路，是主电路和电能主通道，用于进行三相整流；检测电路，用于检测五种信号，包括三个电流信号、一个电压信号和一个AC相电压信号；信号调整电路，用于调整检测出来的五种信号幅值和滤波处理；控制电路，用于将调整后的模拟信号转换为数字信号，并用电压外环滑模变结构控制算法、电流内环控制和空间矢量控制算法计算产生脉宽调制控制信号；驱动电路，将所述控制电路输出的脉宽调制控制信号转换为驱动主电路功率开关管的控制信号，实现对功率开关管的控制；保护电路板，用于输入端的过欠压保护；电源电路板，对三相高功率因数PWM整流器***各电路供电。

相对于现有技术，本发明将交流电和直流电信号通过运算得到控制的驱动信号，这些控制的驱动信号控制主电路上功率开关管的通与断，从而实现三相输入侧的电流波形跟踪电压波形，保证电流电压波形均为正弦波，进而实现整流器的功率因数达到1且谐波成分含量非常小。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的三相高功率因数PWM整流器控制方法示意图。

图2是本发明的三相高功率因数PWM整流器***主电路拓扑结构示意图。

图3是本发明的三相高功率因数PWM整流器***模块结构示意图。

图4是本发明的三相高功率因数PWM整流器***硬件结构示意图。

图5是应用本发明的计算机仿真效果图。

图6A是三相高功率因数PWM整流器应用本发明控制算法前后网侧波形对比图。

图6B是三相高功率因数PWM整流器***空载启动时整流后级的直流电压与网侧电流波形图。

图6C是三相高功率因数PWM整流器***从空载到带载整流后级的直流电压与网侧电流波形图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的控制方法主要包括如下步骤：(S11)将采样得到的信号调整幅值后转换为数字信号；(S12)对所述数字信号中的交流侧电流部分dq解耦变换，其中相位角由AC相电压调整后的过零信号提供；(S13)对所述数字信号中的直流电压和电流做电压外环滑模变结构控制；(S14)电流内环控制，并把坐标由dq变换为αβ坐标；(S15)空间矢量算法，算出6个桥臂的驱动波形。

在步骤(S11)中，具体可通过电压互感器和电流互感器采样电压和电流信号，并通过运放等一系列电路来调整信号幅值，使得信号幅值大小满足DSP的ADC端口要求的范围，并在DSP的ADC中完成模数转换。

在步骤(S12)中，具体工作是将采样得到的三相交流侧的电流信号做abc坐标到dq坐标的转换，使得把三相的电信号转换成有功分量和无功分量，在运算中用到如下式子：

$\mathrm{Id}=\sqrt{\frac{2}{3}}*(\mathrm{Ia}*\mathrm{SINTABLE}[\mathrm{ACount}]+\mathrm{Ib}*\mathrm{SINTABLE}[\mathrm{BCount}]+\mathrm{Ic}*\mathrm{SINTABLE}[\mathrm{CCount}\left]\right)$

$\mathrm{Iq}=(\sqrt{\frac{2}{3}}*(\mathrm{Ia}*\mathrm{COSTABLE}[\mathrm{ACount}]+\mathrm{IbCOSTABLE}[\mathrm{ACount}]+\mathrm{Ic}*\mathrm{COSTABLE}[\mathrm{CCount}\left]\right)$

其中：Id，Iq为dq坐标下的电流分量，Ia，Ib，Ic为abc坐标下的电流值，即实际采样得到的值。SINTABLE[ACount]、SINTABLE[BCount]、SINTABLE[BCount]分别为A、B、C三相相位角的正弦值，COSTABLE[ACount]、COSTABLE[ACount]、COSTABLE[CCount]分别为A、B、C三相相位角的余弦值。A、B、C三相相位角由DSP的捕捉脚捕捉AC的过零点从而计算得到。

在步骤(S13)中，具体工作是电压外环滑模变结构控制，滑模变结构控制具有很强的鲁棒性和动态响应。该算法为工业控制领域中具有创新性的算法。变结构控制方法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***的结构并不固定，而是可在动态过程中根据***当前状态不断变化，迫使***按照指定的滑动模态运动。在运算中用到如下式子：

$\mathrm{Idref}=(((\mathrm{Udcref}-\mathrm{Udc}+(\mathrm{\β}/C*\mathrm{Idc}))*C)*\mathrm{Udc})/(\mathrm{\β}*(\sqrt{3}*\mathrm{Vrms}-*R*\mathrm{Idref}))$

其中：Idref为Id的参考值，Udcref为整流后级电压的参考值，Udc为整流后级电压的实际值，C为整流后级电容值，Idc为整流后级电流值，β＝0.03，Vrms为交流线电压。

在步骤(S14)中，具体工作是进行电流内环运算，并将控制变量从坐标dq变换为αβ坐标。在步骤(S15)中，具体工作是利用步骤(S14)运算得到的值进行空间矢量计算，并得到控制用的驱动波形。本发明的控制方法简单，电流波形畸变小，数字化实现方便，能明显减少交流侧电流的谐波成分，提高电压利用率(比SPWM高15％)。

请参阅图2，三相高功率因数PWM整流器***的主电路采用的是三相电压型PWM整流器电路，也可以说是三相BOOST电路。电路中的三个进线电感采用4mH电感，功率开关管采用三菱的CM150DY-24H。

请参阅图3、图4，整个***包括BOOST电路、检测电路、信号调整电路、DSP控制电路、驱动电路、保护电路和电源电路。其中，DSP控制电路可选用TI公司的TMS320F2812作为核心处理器，所有的控制算法都在DSP内实现。DSP没有外接EEPROM或SRAM等，因此该控制***为一个最小的控制***。外部的模拟信号经过15KHz的ADC采用后进入DSP内，AC相电压过零点为DSP的一个运算起点，按照15Kz的频率运算。电网周期由DSP用软件锁相方式实现。另外，由于采用的TMS320F2812为定点DSP，若采用实时计算的方法则会消耗DSP大量的运算时间，为提高DSP性能，完成多种控制算法，在本实施例中采用查表的方法求取正余弦值。

请参阅图5，网侧电流很好地跟踪了网侧电压，两者不仅相位相同，而且都呈正弦波。此外，在负载增加和负载减少的情况下，网侧电流也能很好地跟踪网侧电压。

请参阅图6A，在应用本发明后，网侧电流波形由原来畸变非常严重的波形转变成正弦波；请参阅图6B，本发明可以在空载下启动，并且整流后级直流电压很平稳；请参阅图6C，本发明在空载到带载转换时，整流后级直流电压没有过冲，网侧电流马上转换成正弦波。因此从上述各图可看出本发明三相高功率因数PWM整流器控制方法的应用效果和***运行稳定性。

应用本发明的整流器功率因数高、谐波含量小，特别是在大功率电力电子领域，解决了电力电子设备输入端电流波形严重畸变、功率因数低问题；同时抑制了电力电子装置产生的谐波，使得输入端的电流和电压同相位，基本保证用电设备对电网无污染，并具有节能作用。此外，应用本发明的整流器不仅能很好控制交流输入侧的功率因数，而且直流电压也是可控的。

应用本发明的整流器输入端不需要中线，这在其它由三个单相合并形成三相的功率因数校正***中是无法实现的。

通过整流器控制信号数字化处理方式，用高速数字信号处理器和特定的软件算法高效对整流器控制信号进行采样及处理，显著提高控制电路的可靠性，减少使用时间、温度、湿度、振动等外界环境对控制电路影响。当要改变***部分功能和性能时，只需用调整软件控制电路参数，即可达到目的，降低***成本。

Claims (7)

1.一种三相高功率因数PWM整流器控制方法，包括如下步骤，

(11)将三相交流电其中的两相输入电流信号解耦为网侧有功分量与网侧无功分量；

(12)将直流输出的电压值和电流值通过电压外环滑模变结构控制算法计算得出目标有功分量与目标无功分量；

(13)再将网侧有功分量、网侧无功分量、目标有功分量以及目标无功分量通过电流内环控制得出αβ坐标下的变量；

(14)将前述αβ坐标下的变量用空间矢量算法计算从而得到用于控制整流器内功率开关管的脉宽调制波。

2.根据权利要求1所述的三相高功率因数PWM整流器控制方法，其特征在于，在步骤(11)中，是将交流电信号作abc坐标到dq坐标的转换，得到dq坐标下的网侧有功分量与网侧无功分量。

3.根据权利要求1所述的三相高功率因数PWM整流器控制方法，其特征在于，在步骤(11)前还包括步骤(10)，将三相交流电其中两相电流和整流后的直流电压及电流经检测、调整、滤波后转换成数字信号，并将AC相电压调整为过零信号作为相位角参考点。

4.根据权利要求3所述的三相高功率因数PWM整流器控制方法，其特征在于，在步骤(10)中进一步将所述四种数字信号通过计算还原为实际值。

5.根据权利要求2所述的三相高功率因数PWM整流器控制方法，其特征在于，

$\mathrm{Iq}=(\sqrt{\frac{2}{3}}*(\mathrm{Ia}*\mathrm{COSTABLE}[\mathrm{ACount}]+\mathrm{IbCOSTABLE}[\mathrm{ACount}]+\mathrm{Ic}*\mathrm{COSTABLE}[\mathrm{CCount}\left]\right)$

其中，Id，Iq为dq坐标下的电流分量，Ia，Ib，Ic为abc坐标下的电流值，即实际采样得到的值，SINTABLE[ACount]、SINTABLE[BCount]、SINTABLE[BCount]分别为A、B、C三相相位角的正弦值，COSTABLE[ACount]、COSTABLE[ACount]、COSTABLE[CCount]分别为A、B、C三相相位角的余弦值。

6.根据权利要求5所述的三相高功率因数PWM整流器控制方法，其特征在于，

其中，Idref为Id的参考值，Udcref为整流后级电压的参考值，Udc为整流后级电压的实际值，C为整流后级电容值，Idc为整流后级电流值，β＝0.03，Vrms为交流线电压。

7.一种三相高功率因数PWM整流器控制***，包括：

BOOST电路，是主电路和电能主通道，用于进行三相整流；

检测电路，用于检测五种信号，包括三个电流信号、一个电压信号和一个AC相电压信号；

信号调整电路，用于调整检测出来的五种信号幅值和滤波处理；

控制电路，用于将调整后的模拟信号转换为数字信号，并用电压外环滑模变结构控制算法、电流内环控制和空间矢量控制算法计算产生脉宽调制控制信号；

驱动电路，将所述控制电路输出的脉宽调制控制信号转换为驱动主电路功率开关管的控制信号，实现对功率开关管的控制；

保护电路，用于输入端的过欠压保护；

电源电路，对三相高功率因数PWM整流器***各电路供电。

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