三相大功率PWM整流电路的研究

三相大功率PWM整流电路的研究

(11湖南工程学院电气工程系,湖南湘潭411101;21西安交通大学,陕西西安710049)

姚为正1,王兆安2

X

摘 要:介绍了三相大功率PWM整流电路的系统结构和工作原理,并对其控制方法和控制电路进行

了研究。在此基础上,研制了一台100kW实验样机。实验结果表明,该整流电路具有输入功率因数高、

对电网谐波污染小、工作可靠等优点,可用作大功率不间断电源的输入整流电路。关键词:谐波;功率因数;PWM;整流电路

中国分类号:TM921145 文献标识码:A

0 引 言

随着计算机应用的日益普及和全球信息网络化的发展,50kVA以上大容量不间断电源(Uninter2rupitalbePowerSystem,简称UPS)的需求量日益增多。目前,大功率UPS的输入整流电路一般采用相控式整流电路。相控式整流电路结构简单,控制技术成熟,但交流输入功率因数低,并向电网注入大量

的谐波电流。为了克服晶闸管相控式整流电路的缺点,提高大功率UPS的输入功率因数,本文采用高频PWM整流技术和模块并联扩容技术,研制出100kW大容量PWM整流电源。实验结果表明,本文研制的PWM整流电源具有输入功率因数接近1、流入电网的电流基本接近正弦波、对电网的谐波污染小等优点,完全可以取代相控式整流电路,用作大功率不间断电源的输入整流电路。

图1 三相PWM整流电路的主电路结构

出电压相类似,可在PWM整流电路的交流输入端

1 PWM整流电路的工作原理

[1][2]

A、B、C之间产生一个正弦波调制三相PWM电压uAB、uBC、uCA,它们除了含有与电源同频率的基波分量外,还含有与开关频率有关的高次谐波。由于每一相电感Ls的滤波作用,这些高次谐波电压只会使

三相高频PWM整流电路主要结构如图1所示,开关器件为IGBT。同SPWM逆变电路控制输

X收稿日期:2001-03-04

基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(59737140)

作者简介:姚为正(1967~),男,博士,副教授。研究方向:电力电子电路理论及应用。2 湖南工程学院学报 2001年交流电流isa、isb、isc产生很小的脉动。如果忽略这种脉动,isa、isb、isc为频率与电源频率相同的三相正弦波电流。在交流电源电压usa、usb、usc一定时,isa、isb、isc的幅值和相位由uAB、uBC、uCA中基波分量的幅值及其与交流电源电压的相位差决定。改变uAB、uBC、UCA中基波分量的幅值和相位,就可以使isa、isb、isc分别与usa、usb、usc同相位,电路工作在整流状态,且输入功率因数为1。这就是PWM整流电路的基本工作原理。

模块并联的方法来实现大功率PWM整流电路。图2给出了本文所研制的100kW三相PWM整流电路的系统结构简图。其主电路由两个模块并联组成,每个模块即为一个三相PWM整流电路。模块并联时,不论是在静态还是在动态,必须使两个模块均分负荷,否则,将会导致模块烧坏。控制时,两个模块共用一个控制电路,并且,相对应桥臂的IGBT器件的通断控制也完全相同。这样,由于两个模块的交流输入、直流输出、控制等均相同,只要输入滤波电感的参数相同,就可以使两个PWM整流电路均分负荷。另外,输入滤波电感在工作时还起到动态均流的作用。

由于IGBT器件的电流容量有限,本文采用双

要使三相PWM整流电路正常工作,其直流侧

2 系统构成

图2 系统结构简图

电压必须大于交流输入线电压的峰值[1][2]。为了使本文所研制的PWM整流电源能用作UPS的输入整流电路,必须使其直流输出电压在288V~414V范围内可调。对于三相输入线电压为380V的UPS,其线电压峰值大于280V,不满足三相PWM整流电路正常工作的条件。本文采用自耦变压器Tr将三相输入电压降低以后再输入PWM整流电路,Tr的变比为380/190V,这样,当输入电压在允许的范围变化时,均能满足PWM整流电路的电压变换条件。

的输出即为整流器交流输入电流的幅值,它与标准正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号isa*(isb*isc*),与实际的交流输入电流isa(isb、isc)进行比较,电流误差信号经比例调节器放大后送入比较器,再与三角载波信号比较形成PWM信号。该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件,便可使实际的交流输入电流跟踪指令值,同时达到控制输出电压的目的。由于输入电流指令为标准正弦波,从而使装置流入电网的电流为正弦波。

在进行交流输入电流控制时,如果将交流输入总电流引入反馈控制,则电压环的输出即为交流输入总电流的幅值。如果将其中一个模块的输入电流引入反馈控制,则电压环的输出即为单个模块交流输入电流的幅值。本文采用后一种电流反馈控制方式。由于两模块的电路结构、参数与控制等完全相同,控制其中一个模块的电流,便可以使另一模块的电流与之相同,从而达到控制总电流的目的。由于3 控制电路

系统控制原理框图如图3所示。采用双环控制,其外环为直流电压控制环,内环为交流电流控制环。直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流电压Ud比较后的误差信号送入PI调节器,PI调节器第1期 姚为正等:三相大功率PWM整流电路的研究 3

图3 系统控制原理图

输入滤波电感均流作用,即使电路参数销微存在偏差,也能使两模块电流基本相同。

本文采用锁相电器和计数寻址查表方式产生与电源电压同步的标准正弦波信号,电路如图4所示,其中EPROM用于存放正弦曲线。

图4 标准正弦信号发生电路

图5 IGBT驱动电路

4 IGBT的驱动与保护电路

驱动电路采用三菱公司生产的驱动模块M57962L。该驱动模块为混合集成电路,将IGBT的驱动和过流保护集于一体,能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400A的IGBT。驱动电路的接线图如图5所示。当Ui为高电平时IGBT导通,为低电平时IGBT关断。IGBT集电极通态饱和压降与集电极电流成正比,集电极电流越大,则通态饱和压降也越大,因此,根据通态饱和电压的大小可以确定流过IGBT的电流的大小。驱动模块一旦检测到集电极电压大于规定值,则认为过流故障发生,立即就地关断IGBT,同时给出过流故障信号。

IGBT在关断时,由于线路存在分布电感,因此会产生开关浪涌电压。另外,在开关过程中,如果电压变化过大,则会产生擎住现象,使IGBT失控,引起上下桥臂导通。因此,必须采取措施抑制过电压和dv/dt。本文采用RC缓冲电路来抑制过电压和dv/dt。

5 实验结果

采用前面所介绍的电路结构和控制方法,本文研制了一台100kW大功率PWM整流电源实验样机,并进行了相应的实验研究。IGBT采用三菱公司生产的400A/600V模块,输入滤波电感Ls为130uh/150A,滤波电容为30uF。为了降低开关损耗,PWM整流电路的开关频率选取为8kHz。图6给出了PWM整流电路输入电流波形,通过对其进行谐波分析,谐波电流总畸变率THD为211%。非常接近理想正弦波。图7给出了A相输入相电压和相电流波形,可以看出,电流不仅为正弦波,而且与电压同相。工作在额定负载下,采用PM300电力分析仪测得输入功率因数为0199。表1分别给出了组成主电路的两个模块的输入电流,从表中可以看出,流入两模块的电流基本相等,从而说明本文采用模块并联扩大装置容量的方法正确可行。

4 湖南工程学院学报 2001年

表1 模块输入电流

模块1

A相输入电流(A)B相输入电流(A)C相输入电流(A)

401240144011

模块2401840194015

6 结 论

本文采用模块并联技术,研制出一台100kW大容量PWM整流电源。实验结果表明,该电源具有

图6 输入电流波形

输入功率因数高、输入电流接近正弦波、对电网的谐波污染小、工作可靠等特点,完全可以取代相控式整流电路,用作大功率不间断电源的输入整流电路。本文的研究为大容量PWM整流电源的实用化奠定了基础。

参 考 文 献

[1] OhnukiT,miyashitaO.HignpowerfactorPWMrectifier

withananalogpulsewidthpredictioncontrollers.IEEETrans.onPowerElectronics,1996,vol.11(3):460-465[2] 王兆安,杨君,刘进军1谐波抑制和无功功率补偿[M]1

机械工业出版社,1998

[3] 董晓鹏,王兆安1三相电压型单位功率因数PWM整

流器的研究[J]1电力电子技术,1997

图7 输入电流和电压波形

1-电流 2-电压

ResearchonThreePhaseLargeCapacityPWMRectifier

YAOWei-zheng,WANGZhao-an

1

2

(11Dept.ofelect.eng.,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan 411101,China;21XianJiaotongUniversity,Xian710049,China)

Abstract:ThesystemconfigureandoperationprincipleofthreephaselargecapacityPWMretifierareintro2duced,anditscontrolmethodandcircuitareanalyzed.A100kWprototypeismanufaturedaccordingtothem.TheexperimentresultsindicatethatthePWMrectifierhasthecharacteristicsoflowharmoniccurrentandhighinputpowerfactor,andcanbeusedastheinputrectifieroflargecapaityUPS.Keywords:harmonic;powerfactor;PWMrectifier