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1 引言
目前在各個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的整流電路廣泛采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，造成了大量的諧波污染。因而發(fā)展新型的單位功率因數(shù)整流器受到了越來(lái)越多的重視。在單位功率因數(shù)整流器中，電流的控制方法是系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵因素。滯環(huán)電流控制方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是由于開(kāi)關(guān)頻率不固定，對(duì)開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)力作用較大。文獻(xiàn)[1]提出了一種限制器件最高開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)頻率變化的方法。本文在此基礎(chǔ)上對(duì)其做了進(jìn)一步改進(jìn)，并通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。

2 控制系統(tǒng)的工作原理
三相電壓型pwm整流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理在文獻(xiàn)[2]中有詳細(xì)的敘述。如果忽略交流側(cè)電阻，根據(jù)kvl定理可以得到pwm整流器的工作方程為:
em=l×dim/dt+um* 　(1)
其中em為三相對(duì)稱的電網(wǎng)相電壓;
um*為網(wǎng)側(cè)電壓，m=a，b，c

圖1 三相整流系統(tǒng)的主電路

定義單極性開(kāi)關(guān)函數(shù):
sm=1(sm′=0),上橋臂導(dǎo)通，下橋臂截止;
sm=0(sm′=1),上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通。
經(jīng)過(guò)分析可以得到網(wǎng)側(cè)電壓
um*=[sm-(sa+sb+sc)/3]×u0 (m=a、b、c) (2)
可以看出三相pwm整流器的一個(gè)復(fù)雜的非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制方式(如采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為直流控制方式)往往比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，系統(tǒng)成本較高。為了使系統(tǒng)能夠在單位功率因數(shù)下運(yùn)行，必須使網(wǎng)側(cè)電流與電源電壓同相位，可見(jiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的控制是pwm整流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行的關(guān)鍵因素。電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器能夠使網(wǎng)側(cè)電流快速跟蹤給定電流im*，而且其采用的pang-pang控制策略實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單明了，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)文獻(xiàn)[1]，三相pwm整流系統(tǒng)上下橋臂的通斷控制由im*、δim=im*-im(m=a、b、c)共同控制，其中im*為通過(guò)電壓外環(huán)pi調(diào)節(jié)器得到的與電源電壓同步的參考電流，im為網(wǎng)側(cè)實(shí)際電流。sm，dm有一個(gè)導(dǎo)通即認(rèn)為上橋臂導(dǎo)通;如果兩者都關(guān)斷，則認(rèn)為上橋臂關(guān)斷。下橋臂的關(guān)斷同理定義。
由于三相電壓型pwm整流器相當(dāng)于升壓斬波電路的組合，當(dāng)一相上橋臂導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于該相電網(wǎng)向直流側(cè)電容充電，電流減小;下橋臂導(dǎo)通時(shí)，則相當(dāng)于該相電網(wǎng)向電感存儲(chǔ)能量，電流增大。由此可以得到器件通斷規(guī)律如附表所示(δ為電流滯環(huán)寬度。)
附表 各器件的通斷控制表

附表 各器件的通斷控制表

δim>δ δim<-δ
im*>0 sm=0，sm′=1 sm=1，sm′=0
im*<0 sm=0，sm′=1 sm=1，sm′=0
將電網(wǎng)電壓按圖2所示進(jìn)行分區(qū)，此時(shí)分區(qū)鑒別可以由電網(wǎng)的同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)(采用硬件電路進(jìn)行過(guò)零比較，同時(shí)判斷各相電壓對(duì)零電位的電平值即可)。在區(qū)間i內(nèi)，ua、ub為正，uc為負(fù)，由于在整流狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)電源電壓與電流同相位，此種情況下sa、sb、sc′、da′、db′和dc中不會(huì)有電流通過(guò)。如果sc始終關(guān)斷，則c相電流只能通過(guò)dc′來(lái)續(xù)流。

圖2 三相平衡電網(wǎng)相電壓的區(qū)間分配

以ia* > 0，δia >δ，ib* > 0，δib >δ，ic*<0 (ic* = -ia*-ib*)的情況為例，根據(jù)上表，a、b兩相上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通。此時(shí)ia、ib通過(guò)sa′、sb′向電感儲(chǔ)能，電流增大，而c相電流ic由于ia、ib通過(guò)dc，續(xù)流產(chǎn)生的抑制作用趨向于參考電流ic*，從而實(shí)現(xiàn)了三相交流電流均可以有效跟蹤給定正弦電流im*(m=a、b、c)。其他情況可以以此類似進(jìn)行分析。
在每一區(qū)間內(nèi)令某一橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)保持恒定，而其余兩橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)依據(jù)上表所示的開(kāi)關(guān)規(guī)律進(jìn)行通斷。則可得到各個(gè)區(qū)間內(nèi)的各開(kāi)關(guān)的關(guān)斷規(guī)律如下:
區(qū)間i，sc=0; 區(qū)間iv，sc=1; 區(qū)間ii，sb=1; 區(qū)間v，sb=0; 區(qū)間iii, sa=0; 區(qū)間vi，sa =1。各區(qū)間其余兩相開(kāi)關(guān)狀態(tài)依據(jù)上表判別。
由以上敘述得到系統(tǒng)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 低開(kāi)關(guān)損耗電流滯環(huán)pwm整流器的控制框圖

3 系統(tǒng)仿真與分析
為了驗(yàn)證上述原理，利用matlab6.5對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真條件為:
三相對(duì)稱電源電壓有效值em

，交流側(cè)電感l(wèi)=0.002h，直流側(cè)濾波電容c=0.001μf,給定直流側(cè)母線電壓u0*=600v，電流滯環(huán)寬度δ=0.05a。系統(tǒng)回饋電壓900v。軟件仿真算法采用ode23b。電壓?jiǎn)挝粸関。電流單位為a，時(shí)間單位為s。系統(tǒng)的仿真波形如下圖4、圖5和圖6所示。

圖4 從整流狀態(tài)到逆變狀態(tài)時(shí)一相電流的仿真波形

圖5 從整流到逆變狀態(tài)時(shí)，母線電壓的仿真波形

圖6 pwm整流器的igbt驅(qū)動(dòng)仿真波形

由圖4、5、6分析，網(wǎng)側(cè)電流能夠有效跟蹤給定電流，整流狀態(tài)時(shí)，電流與電源電壓同相位;從整流到逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快。系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較短，直流側(cè)母線電壓能夠快速上升到給定電壓并保持穩(wěn)定，而且從整流狀態(tài)到逆變狀態(tài)可平滑過(guò)渡，電壓波動(dòng)較小。從開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)波形可以明顯看出每一相開(kāi)關(guān)信號(hào)在電網(wǎng)周期的1/3時(shí)間內(nèi)保持恒定，相比于三相電流同時(shí)進(jìn)行滯環(huán)比較進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法大大減少了開(kāi)關(guān)損耗。

4 結(jié)束語(yǔ)
(1) 基于低開(kāi)關(guān)損耗的電流滯環(huán)pwm整流器系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，能夠快速跟蹤給定電流的變化，功率因數(shù)接近于1。而且能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。
(2) 電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器比較容易采用數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)，但是滯環(huán)的寬度選擇將在很大程度上影響系統(tǒng)的性能。而且由于滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)周期不固定，pi調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)相對(duì)比較困難。
(3) 采用在電網(wǎng)電壓某一分區(qū)內(nèi)一相開(kāi)關(guān)不動(dòng)作，而另外兩相電流采用pang-pang控制來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的三相電流波形，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也可以有效地降低開(kāi)關(guān)損耗。