基于单周期控制的三相三开关三电平Boost型PWM整流器的研精Word格式文档下载.docx
- 文档编号:22950986
- 上传时间:2023-02-06
- 格式:DOCX
- 页数:48
- 大小:956.85KB
基于单周期控制的三相三开关三电平Boost型PWM整流器的研精Word格式文档下载.docx
《基于单周期控制的三相三开关三电平Boost型PWM整流器的研精Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单周期控制的三相三开关三电平Boost型PWM整流器的研精Word格式文档下载.docx(48页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
asthedissercatiOn.Itshowstoespeciallythefollowingadvantages
rcomparedconventionalstressonthree・-phasetwo--levelconverte
thepower
andsystems:
lowerblockingvoltageofthetransistor,lowerharmonicshigh
aremaintocurrent,highsystem.Thepowermainfactorreliabilityasbeinginherenttheachievementsf01lows:
and1.Summarizethedevelopmentofthree—phasepowerfactorcorrection
chooseVIENNArectifierastheresearchobject.
2.IntroducetheoperatingprincipleofVIENNArectifier.Onthebaseoftheoperatingprincipleseveralcontrolmethodsaregiven.Aftercompareone—cyclecontr01methodischosentorealizethecontr01aim.
3.UnifiedConstant—FrequencyIntegration(UCI)controllerbasedonone・cyclecontrolconceptofVIENNArectifierisintroduced.
4.Toverifytheconcept
5.Anexperimental
right.asimulationcircuitwasbuilt.circuitwasbuiltandverifiedtheconceptproposedis
Keywords:
Powerfactorcorrection(PFC),Three—Switch,Three-Leve
One—cyclecontroI,UnifiedConstant-FrequencyIntegration111
第一章绪论
第一章帚一早
1.1课题的理论和实际意义T匕绪论珀
随着工业现代化进程的不断加快,对地球环境的污染和破坏不断加剧。
电力系统作为一种环境也面临着污染,公共电网中的谐波和无功问题是其中最大的一种污染,因此谐波和无功问题也日益受到重视。
为了减轻电力公害的危害程度,许多国家和国际组织纷纷制定相应的法律和法规限制谐波含量,如国际电工委员会制定的IEcl000—3—2标准,我国制定的限制谐波的规定sDl26—84和国家标准GB/T14549—93等。
谐波标准的制定激发了人们对功率因数校正PFc(Power
correction)的研究兴趣。
图卜l所示是电力电子技术及电子仪器应用中极为广泛的一种变流方案.而这种传统的二极管整流或相控整流接在交流电网上,引起非常大的电流谐波污染。
如图卜1a)所示的整流器一电容滤波电路是一种非线性元件与储能元件的组Factor合,虽然输入交流电压”=√2ucos耐,但输入电流的波形会发生严重畸变,呈脉冲状,如图卜lb)所示。
—
————一
一
fL一L一
二=Z~介弋tf
一————N少7’
b)输入电压电流波形一L—La)传统整流器
a)ConventiomIrectifierb)Wavef0眦ofinputvoltagealldcurrent
图卜l传统整流器及其输入电流和电压波形
Fig.1-1ConventionalrectifieraIlditsirlp灯tcu盯entandvoltagewaVef0咖
由此可见,大量应用整流电路,其结果是导致电网供给严重畸变的非丁F弦波,使无功增大,谐波污染问题严重,影响供电质量。
因此,抑制谐波和提高功率因数已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统研究领域的一个重大课题,正在引起越来越多的关注。
第一章绪论第一章绪论
早珀T匕1.1课题的理论和实际意义一帚
力电。
剧加断不坏破和染污的境环球地对,快加断不的程进化代现业工着随
准标家国和48—62lDS定规的波谐制限的定制国我,准标2-3—000lCEI的定制会
GB/T14549—93等。
谐波标准的制定激发了人们对功率因数校正PFC(PowerFactor
。
趣兴究研的)noitcerroC
图卜l所示是电力电子技术及电子仪器应用中极为广泛的一种变流方案.而
这种传统的二极管整流或相控整流接在交流电网上,引起非常大的电流谐波污
1卜图如。
染
fZ~二L介弋t—=一N少7’一———L组的件元能储与件元性线非种一是路电波滤容电一器流整的示所)a
合,虽然输入交流电压√,但输入电流的波形会发生严重畸变,呈脉
lb)所示。
一1图如,状冲
器a)ConventionaI流整统rectifier传)a
b)输入电压电流波形b)Waveform
voltageandcurrenttupnifo
形Fig.1-1波压电和流电入输其Conventional及器流整统传1-1图
inputcBrrentandvoltageranditseifitcer
mrofevaw
由此可见,大量应用整流电路,其结果是导致电网供给严重畸变的非丁F弦率因数已成
解决电网污染问题通常采用两种方式,一种是对电网自身进行无功补偿,另一种是对用电设备自身进行改进,开发新型的高功率因数的整漉器。
根据应用功率大小的不同,整流器有三相和单相之分,单相整流器通常用于小功率的场合,三相整流器用于中大功率的场合,故三相整流器输入端对电网的影响也越大。
因此对三相整流器进行功率因数校正具有更大的理论和实际意义。
1.2功率因数的定义
1.2.1正弦电路功率因数的定义
功率因数这一术语源于基本的交流电路原理。
当正弦交流电源给感性或容性负载供电时,负载电流也是正弦的,但是比输入电压滞后或超前一定角度口。
设电压、电流的表达式分别为:
“:
√五cos耐(1一1)
i==x/2Icos(cot+a)(1-2)
若输入电压的有效值为U,输入电流的有效值为,,则电网的视在功率
S=U/(1—3)
但实际上只有与输入电压同相位的输入电流分量(Icosa)向负载提供功率,传递到负载的功率只有Ulcosa,通常定义P=Ulcosa为有功功率。
根据交流电源电路理论,COS&"的大小就是功率因数值。
通常希望功率因数尽可能接近i,即保持输入电流是与输入电压同相位的正弦波,实现这种效果的技术称为功率因数校正。
1.2.2非正弦电路功率因数的定义
以上的定义是针对电压和电流为正弦波来说的,在含有谐波的非正弦电路中,有功功率、视在功率和功率因数的定义和正弦电路相同,几个物理量的物理意义也没有变化,但是要先对非周期函数进行傅立叶分解。
对非正弦电流进行分解得电流的表达式为:
扛∑也cos(ncot+#,)”=J(1-4)
式中,n=1的分量称为基波,频率大于基波频率的分量称为谐波,谐波次数为谐波频率和基波频率的比值。
以上公式及定义均以非正弦电流为例,对于非2
√五cos耐
f_√豇cos(国H口)
若输入电压的有效值为U(1一1)(1—2),输入电流的有效值为,,则电网的视在功率
S=明(卜3)
但实际上只有与输入电压同相位的输入电流分量(几os口)向负载提供功率,传递到负载的功率只有们cos口,通常定义P=wcos口为有功功率。
根据交流电源电路理论,cosa的大小就是功率因数值。
扛∑√弘cos(胛∞H九)
”=J(1-4)
正弦电压的情况也完全适用,式中把j、厶变为“、饥即可。
L)表示为N次谐波电流的含有率揪‘(HarmonicRatio
呶=争枷。
%
式中:
‘ii~筝i一第n次谐波电流有效值
‘一基波电流有效值。
谐波电流含量乓定义为:
lq=id0;
电流谐波总畸变率THD(Totalhar埘onicsDistortion)定义为:
i习Z|m:
丘×
100%
』l
有功功率为:
P=去r4“耐鲥=去卜喜忸cosc删Ⅷ拗
P.=捌cI)IK∽
刊蠡篆雨垂ii剥》;
id_i
琶一Ui;
-111
蛰鬻副戳癸;
羹一蠡m囊s黧七鬻嘉s型SUIIj薹蠢。
舔裂蒹圳础霹驯型霹明霜薹稳≤《≤酸学鑫痞嘀潭i≤织辖驰熹疆=委。
E自i隽錾攀耐藿蓄婆因,
i。
塞j重疆列委蒌签囊囊苍嚣霪墓
酥融鳓藤器鬻警蒿;
翳笳撼黼。
簧葙葭露葸j例莎骜到髹事Pi和融黼嚣复电路中,各相电压、电流均对称,功率因数也相同。
三相电路总翔的功率因数等于各相的功率因数。
在三相电路中,影响功率因数的因素除了电压
功率因数至今没有统一的定义。
定义之一为:
胍娶
对称的因素,但其依据不充分。
另一定义为矢量功率因数:
∽㈣式中,各相的s为其相电流与相电压的乘积。
可以看出,即使三相都是电阻负载,只要三相不对称,功率因数仍小于l。
该定义简单且易于计算,考虑了不
肌嚣
式中,s为矢量,各相S的相角为该相电流滞后电压的角度。
∽埘
1.3三相功率因数校正的发展
传统的整流装置大都采用二极管整流或相控整流,这些电路存在谐波污染大、交流侧波形畸变严重、功率因数低等缺点,难以满足各种关于限制谐波含量的法律、法规对谐波的要求,也不能满足对整流装置的高功率密度、高效、高可靠性和低成本等的要求。
由于三相整流器功率大,它的输入端对电网的影响也大。
三相功率因数校正已成为国际电力电子学界研究的热门课题。
与单相电路相同,按基本拓扑类型划分,可以分为Boost型、Buck型、Cuk型、Buck—Boost型等:
按工作模式划分,三相功率因数校正拓扑可分为不连续导电模式DcM(Discontinuous
ConductionconductionMode)和连续导电模式ccM(Con“nuousMode);
按输出电压与输入电压的比划分,可以分为升压型和降压型,前面提到的B00st型为升压型,Buck型为降压型,Cuk型和Buck—Boost型等与电路参数的选取有关,可以升压,也可以降压。
因为试验中所选拓扑源于Boost结构,故以下按开关个数划分,对源于Boost的三相功率因数校正的发展进行介绍。
1.3.1三相单开关DcM整流器
三相单开关Boost型整流器的电路结构如图卜2所示。
三相单开关Boost型整流器因其结构简单,成本低以及比较好的性能而倍受欢迎。
这种拓扑通常采用恒定占空比控制,保持功率开关管的占空比恒定不变,每一相的电流可以很好的跟随相电压,但固定占空比控制会产生较大的5次谐波,限制了PFc功能,采用六次谐波注入法可以抑制五次谐波。
这种拓扑用简单的电路就能获得比较高的功率因数,但开关管上的电压和电4
流应力大,同时不能在整个负载范围实现单位功率因数校正,尤其是在轻载时电流波形畸变比较大。
提高输出电压的等级使输出电压值大于输入线电压的峰一峰值,可以减小电感的放电时间,改善PFC性能,但这又会增加功率开关管的开关应力。
这种拓扑存在的主要问题是:
首先。
必须工作在DCM方式.这必将引起较大的EMI(E1ectromagneticInterference)噪声,需要较大的EMI滤波器。
其次,只有一个功率开关管,能量不能双向流动,不能实现真正意义上的单位功率因数校正。
再次,功率开关管是在大电流的条件下关断,所以关断损耗比较大。
为了减少关断损耗,可以采用一些软开关技术,ZCT(ZeroCurrentTransfer)辅助电路如图卜Z中虚线区所示。
这种拓扑通常用于小功率场合。
!
L—,Yvn
—nYn一。
rrYⅥ冲驯』
n廿{1
图卜3三相交错并联的PFC电路
(虚线内是ZCT电路)
Three-phaseinterleavePFCcircuit图卜2三相单开关Boost整流器(虚线内是zcT结构)Fig.1-2Thrce・phasesingle—s、ⅣitchboostrectifierFig.1・3
(ZCTcircuitshown耐也inthedottcd触rne)(ZCTcircuitshownwithinthedottedfmme)
开关应力大是这种电路的主要问题,解决的方法是采用特殊的电路结构,如用两个同时开通或关断的开关管串联代替原来的一个开关管,每个开关管的电压应力就会减小。
当然,随之而来的串联均压问题必须妥善的解决。
文献[4]提出一种三相单级PwM整流器结构,与前面提到的三相单开关拓扑不同的是,采用高频变压器进行隔离,即可以用于升压也可以用于降压。
在输入电流断续的情况下,可以获得比较高的功率因数和功率密度,输出电压范围也很宽,非常适用于中等功率等级,可用于通讯供电。
1.3.2三相双开关PFC电路
图卜3所示是交错并联三相PFc拓扑。
交错并联Boost整流器是三相双开关PFc电路的一种,工作在DcM方式。
这种结构由于采用了双开关交错并联电路,减少了输入电流的纹波,提高了电路的效率,同时减少了输入EMI滤波器的体
第蕈辔褒揣墨娶刚颤蔫髯螋
■∞g量R|掣碰剁福消痢浚骢薷铺轹圳
廊g§
点裂垫强羔i;
i野萝魁半利;
iiff§
§
鎏咧町蓑断时_磊≤el萎§
拳Qiq≤ii_妻≤垄走薹羹£i£L;
目i!
{
茅熊lt莹薹翟目匪匪一囊耋囊囊至霍王蠢笔登蠢}争藿i!
i!
齄i夤妻羹霉l霎li蘑彗i马;
喜;
≤基罐l害毒i墓一雾雾妻i曼螯翼釜霞霞萎鲁二l
;
≤ii酌审_瘸不塞琶翳
曩鬻攀例j堡逝赢签品描孺笛崴豢萄g茂6P神璧蠹瑟辫蒌旁二萄氍冀蓊翻,峪刍i蠢0莓泣;
萝商柏互影煦嚣拓嚣嚣囊簿鞋薷霭鳕需蚓÷
~蠹竺薹霪三霪垂垂墓薹霾嚣蓁翳掣瞳驰箍;
些磊誊氢掣醪竖j哩谭;
掣苻轧商熟簿爨烈雾烈拦!
诺删堡羊森港湍潍旧急心黎孺二至捌皆掣。
岛剥若≯k;
掣兰醣黔纵l!
|l影响同样司以采;
审f面i|蠹觎蕊i
笺i§
a删暖臻趔到引矧爱弱射晒矛姒二朝
缺点与三相单开关的拓扑相似,这里不再赘述。
上面提到的几种变换器有一个共同的特点,即输出滤波电容只有一个,因此都存在一个较严重的问题:
开关管需要承受直流母线电压的全压,三相整流母线电压接近单相的两倍,故管子选择困难。
三相三开关三电平Boost型PWM整流器(VIENNA整流器)的输出滤波电容有两个,开关管电压应力只是输出电压的一半,解决了开关应力大的问题,是一种比较新颖的拓扑,拓扑如图卜8所示。
这种拓扑既可以工作在DCM方式也可以工作在CCM方式,其特征是:
三线输入没有中线,输入电流连续,理论上讲输入电流为正弦波,没有低次谐波。
相互影响同样可以
决这一问题,增加了二极管Dl。
和D26。
同样在e1>0、e2<o的情况下,当s1和s2同时关断时,如图卜6b)所示,B点电势为负,二极管D6、D2。
、D25、D7导通,D4和D1。
被反向偏置,上面变换器的电流流入下面的变换器a因为电感上的电流不能突变,所以,为了强制二极管D4和D【。
导通,加入电感k和上2。
8)增加续流二极管b)增加电感
b)Addsplitinductora)Addsplitfree・wheelingdiode
图卜6两个电路之间相互影晌
Fig.1—6Interactionbetweentwoconverters
1.3.3三相三开关PFO电路
最基本的三相三开关PFC拓扑就是由三个单相PFC电路组成的,每一相独立工作,成熟的单相PFC技术可以用于这里。
为了减少三相间相互影响同样可以采用上面提到的改进方法,如图卜7所示。
该电路可以用于大功率的场合,它的优缺点与三相单开关的拓扑相似,这里不再赘述。
华南理工人学硕士学位论文
图卜7由三个单相变换器组成的三相带
有ZVT辅助电路的PFc整流器
F嘻l一7Thfee-phasezVTPFCrectifier图卜8VIENNA整流器的拓扑F培l一8TopologyofVIENNAsingIe—phaseconvenersrectifierconsistingofthree
VIENNA整流器的优点是
曩鬻攀例j堡逝赢签品描孺笛崴豢萄g茂6P神璧蠹瑟辫蒌旁二萄氍冀蓊翻,峪刍-薅0莓泣;
|l影响同样司以采|帛f面|蠹觎蕊i
a删暖臻趔到引矧爱弱射晒矛姒二朝用上面提到的改进方法,如图卜7所示。
相互影响同样可以采
路中使用的PWM技术移植到整流电路中形成的。
这种变换器通常采用双环控制,外环是电压调制环,内环是电流环,控制输入电流使其与输入电压的相位相同,波形跟随电压的波形。
如果输出电压大于输入线电压的幅值,双环控制可以获得良好的控制特性。
系统工作在CCM方式,异模EMI小,电感电流和开关电流的值都比较小,输入侧和输出侧的电流和电压特性都很好,但存在电路结构复杂(需要六个开关管),成本高,控制电路比较复杂,容易引起上下桥臂直通等问题。
由于拓扑工作在CCM方式,二极管存在反向恢复问题,所以在这种拓扑中开关损耗主要是开关管的开通损耗,懈决的方法是采用软开关技术,文献[1]中给出一些软开关拓扑。
L——』YYY、—~
j搭I
’—。
●一士士、工上▲一rrvⅥ=i
直:
、L——/YVⅥf丰、于T11
图卜9三相全桥boost整流器
Fig.1-9Three・phasefull—bridgeboostrectifier
1.4软开关技术
在开关管开通或关断的瞬时应用软开关技术,改变开关管的开关状态,降低了开关过程中的损耗、电流应力di/dt和电压应力dr/dr,软开关变换器的频率范围也比传统的PWM变换器的频率范围宽。
基于以上原因,软开关技术是PFC电路的~个非常重要的方面,值得特别的关注。
大多数的软开关技术从Dc—Dc变换器发展起来,发展过程大致经历了谐振变换器(RC),准谐振变换器(QRC),多谐振变换器(MRc),准方波PWM变换器(QSW),零电压开关PWM变换器(ZVS—PWM)、零电流开关PWM变换器(ZCS—PwM),零电压转换PWM(ZVT-PWM)和零电流转换PWM(zcT—PWM)变换器等过程。
软开关技术已经在三相功率因数校正中得到应用,而且有些技术也比较成熟。
1.5论文的主要工作
L.
2.
3.对三相PFC课题的学术背景和实际意义进行了说明:
对VIENNA整流器的工作原理进行分析;
对单周期控制策略在该整流器中的应用进行了深入研究;
9
路中储茸
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 周期 控制 三相 开关 电平 Boost PWM 整流器