新可逆PWM整流器主电路参数设计仿真

摘要：利用美国Analogy公司的SaberDesinger软件构造了三相可逆PWM整流器的试验平台，分析了同步模式下整流器的工作方法.通过仿真得到了三相可逆PWM整流器主电路电感值、开关频率等参数对输入电流总谐波失真(THD)、电源功率因数以及系统输出直流电压的影响，为实际设计中确定主电路的参数提供了可靠依据，对工程中的三相可逆PWM整流器设计有实际意义。

关键词：PWM整流器；电流谐波；仿真模型；功率因数

　　在复杂的三相PWM整流电路中，由于存在非线性期间，要确定主电路参数比较困难。很多文献在这方面进行了一定的探讨和研究，提出了一些计算方法，但是分析过程很复杂，而且最终结果也只是一个大致的取值范围。一种比较理想的解决方法是建立可逆PWM整流器仿真模型，在一定范围内，选取不同值对系统仿真，根据实验结果确定各参数的数值.在目前的电力电子领域中，常用的电路仿真软件Pspice和MATLAB等要构造这种能量双向流动的PWM整流器有一定的局限性，而且建模很复杂.本研究采用功能强大、系统中可以同时进行数模混合仿真的软件SaberDesigner构造了仿真模型。

同步模式下PWM整流器控制方法
　　
三相可逆PWM整流器主电路图如图1所示，图中E_a、E_b和E_c为三相输入电压；V_a，V_b和V_c为PWM整流器三相输入电压；L_re为整流器电感值；R_re为电感寄生电阻阻值；i_a，i_b和i_c为三相输入电流。

图1　三相可逆PWM整流器结构图


假设三相电源输入电压

式中V_m和ω分别是三相输入电压幅值与角频率。将三相电压变换到d2q坐标系下面，得到

通过给定整流器的有功功率P^*和无功功率Q^*得到其所对应的电流给定

为了实现PWM整流器单位功率因数，无功功率Q^*必须等于0。由式(1)和(2)得到整流器的d-q坐标系下的电流给定

因为三相是平衡输入，所以可以将式(3)转换到d-q同步模式，得到对应的微分方程

式中id和iq是三相输入电流在同步坐标系下的值。根据上式可以构造电流调节器的设计为(忽略电感寄生电阻的影响)：

式中，V^*_d和V^*_q为d-q轴电压给定;K_dp和K_di为d轴PI调节器系数;K_qp和K_qi为q轴PI调节器系数.具体控制框图如图2所示，其中E_d=V_m，E_q=0，同时忽略寄生电阻的影响。

图2　电流控制器控制框图

加上电压环控制部分和电压电流检测部分，构成完整的系统，如图3所示.

图3　PWM整流器系统图

建立系统模型

系统模型采用美国Analogy公司的专业仿真软件包SaberDesigner软件实现。该软件提供了四个方便的应用模块：SaberSktch设计入口与编辑、SaberGuide对话式仿真控制；SaberScope提供图形式波形分析；SaberSimulator提供混合信号、混合技术仿真.提供强大的数模混合仿真能力，尤其是适应于数字化控制系统和实际电路的混合。系统模型主要由电源、电流检测、电压环控制器、电流环控制器以及PWM整流桥几个部分组成。在该试验仿真平台的基础上可以观察每个器件的电压、电流波形以及应力状态，同时还可以对功率器件进行热分析。　　　　　　　　　　　　

实验结果

以下给出了不同电感和开关频率所对应的输入电流、电压以及输出直流电压波形图。其他相应的参数如下：电压环的采样频率2kHz；电流环的采样频率10kHz；死区时间3μs；负载电阻50Ω；L_re=10mH；V_m=310V；R_re=2Ω；V^*_dc=600V；ω=314rad s^-1；C=2000μF；实验时间0～500ms，其中0～400ms为PWM整流时间(直流电压给定为600V)，400～500ms为在直流输出端突加800V直流电压的整流时间，此时控制器工作在逆变工作状态。
开关频率保持在10kHz不变，改变电感值直流母线电压V_dc的实验波形如图4所示。所对应的a相电流THD，功率因数角Φ和系统输出超调量e如表1所示。

图4　改变电感值所对应的输出电压波形


　　电感值保持10mH不变，改变开关频率，直流母线电压V_dc的实验波形如图5所示.所对应的a相电流THD、功率因数和系统输出超调量如表2所示。

图5　改变开关频率所对应的输出电压波形



　　通过上述的试验，可以根据设计的性能指标要求选择合适的电感值和开关频率。