王男，陸飛，楊喜軍，鄭水波，尹德斌

(1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240;2.新華自動(dòng)化科技發(fā)展(上海)有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著電力電子變換器應(yīng)用的日益普遍，在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波電流和無(wú)功損耗。為提高電能質(zhì)量，抑制網(wǎng)側(cè)諧波含量[1－3]，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，提高電能利用率，在單相和三相交流供電領(lǐng)域，越來(lái)越多的現(xiàn)有不控整流器逐漸采用功率因數(shù)校正器(PFC)技術(shù)[3]。單相功率因數(shù)校正器的電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)日趨成熟，但由于功率等級(jí)的不斷提高，單相PFC已不能滿足大功率需求。當(dāng)需要采用三相PFC作為前置整流變換器時(shí)，可以采用傳統(tǒng)六開(kāi)關(guān)PWM整流器，但是這種PWM整流器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本也非常高，目前尚未得到廣泛應(yīng)用[4]。本文理論分析和仿真分析了一種由兩個(gè)單相三電平整流器構(gòu)成的三相三電平整流器[4]，采用了類似單相PFC的雙環(huán)控制策略和錯(cuò)相控制，并著手應(yīng)用于三相208 V交流電壓供電的變頻空調(diào)的設(shè)計(jì)中，獲得了單位輸入功率因數(shù)。

1 三相三電平整流器

1.1 單相三電平整流器

圖1給出了單相三電平整流器拓?fù)鋄5]，包括單相交流電壓源、單相升壓電感、H橋結(jié)構(gòu)功率器件陣列和直流儲(chǔ)能濾波環(huán)節(jié)。功率器件陣列由兩只晶閘管(V1、V2)、兩只逆導(dǎo)型開(kāi)關(guān)組成(S1與FWD1、S2與FWD2)。圖1中，采用單相正弦交流電源輸入。在電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后，當(dāng)電壓為正時(shí)，V1接受電流觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，此時(shí)如果 S1接受電壓觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，則電源為 L1充電。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，L1和單相電源通過(guò) D1為 E1充電。當(dāng)電壓為負(fù)時(shí)，V2導(dǎo)通，此時(shí)如果S2導(dǎo)通時(shí)，則電源為 L1充電。當(dāng) S2關(guān)斷時(shí)，L1和電源給E2充電。

由于功率等級(jí)的不斷提高，單相PFC已不能滿足大功率需求。因此需要采用三相PFC[6－7]作為前置整流變換器，可采用三組單相PFC構(gòu)成一組三相 PFC，如圖2所示[4]。這種三相 PFC仍然屬于升壓型AC－DC變換器，由三相交流電壓源供電。由于存在中性線，可由三組單相PFC獨(dú)立調(diào)節(jié)三相輸入電流，經(jīng)過(guò)分析得出各組單相PFC之間沒(méi)有換流問(wèn)題，有利于實(shí)現(xiàn)均流控制。

與傳統(tǒng)三相 PFC[8](即 PWM整流器)相比，這種新型三相PFC具有如下特點(diǎn):

(1)由三組單相PFC構(gòu)成，每組單相PFC可單獨(dú)控制，沒(méi)有換流問(wèn)題，控制技術(shù)成熟，穩(wěn)態(tài)時(shí)中線電流為零。如果其中一相出現(xiàn)故障，另兩相可繼續(xù)工作，為負(fù)載供電，此時(shí)中線電流不為零。

圖1 單相三電平整流器

(2)采用的功率器件較多，成本較高，散熱設(shè)計(jì)困難，不適合在家用變頻空調(diào)采用。

圖2 三相三電平整流器(包含三組單相三電平整流器)

1.2 三相三電平整流器

為克服上述不足，分析和設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)單相三電平整流器構(gòu)成的三相三電平整流器，如圖 3所示，具有單位輸入功率因數(shù)功能，可見(jiàn)功率器件較少，控制簡(jiǎn)單，成本便于控制。

1.2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3中包含有兩組經(jīng)過(guò)適當(dāng)改造后的單相三電平整流器電路，輸出采取并聯(lián)方式[4]。在每一部分中，包含四只橋接的晶閘管、兩只升壓電感、兩只逆導(dǎo)型功率器件以及兩只快速恢復(fù)二極管。

圖3 三相三電平整流器(包含改造后的兩組單相三電平整流器)

圖 3中，V1a與V2a、V1c與V2c分別控制A相與C相電流波形，每一部分的控制原理均與單相三電平整流器的控制原理 相 同。V1b、 V2b、V3b與 V4b用于控制B相電流波形和開(kāi)關(guān)器件的選擇。同樣，由于存在中性線，三相輸入電流可獨(dú)立調(diào)節(jié)，不存在均流問(wèn)題。

1.2.2 基本原理

將三相輸入電壓按照“X”型進(jìn)行區(qū)間劃分，在每個(gè)電源周期中得到六個(gè)區(qū)域，如圖4所示。

當(dāng)每相電壓為正時(shí)，各相的晶閘管H橋上管導(dǎo)通，即A相V1a通，C相V1c導(dǎo)通。B相相電壓絕對(duì)值最大時(shí)，上下兩個(gè)晶閘管H橋上管均導(dǎo)通，即V1b和 V3b通。A相絕對(duì)值最大時(shí)，B相上H橋的上管通[4]。C相絕對(duì)值最大時(shí)，B相下H橋的上管導(dǎo)通。相電壓為負(fù) 時(shí) ，與此同理?？傻贸鼍чl管導(dǎo)通組合，如表1所示，其中“1”表示導(dǎo)通，“0”表示關(guān)斷。

圖4 三相輸入電壓區(qū)間劃分

表1 晶閘管導(dǎo)通組合

因此，可以推出L1～L4參考電流波形。以L1為例進(jìn)行說(shuō)明。在 Z1～ Z3區(qū)間，V1a導(dǎo)通，則:

在 Z4區(qū)間，V2a、V2c、V1b、V3b導(dǎo)通，可得:

為便于控制，令:

在 Z5區(qū)間，V1b通，則:

在 Z6區(qū)間，V1a，V1b均關(guān)斷，則:

同理，可得L2～L4的電流波形，各個(gè)電感的電流波形如表2所示。L1充電。S1關(guān)斷時(shí)，電流流通路徑為:A→V1a→L1→D1→E1→N，電源和L1給E1充電。C相電流的流通原理與A相相同。

表2 各個(gè)電感的參考電流波形

當(dāng)S2和S4導(dǎo)通時(shí)，B相電流流通路徑分別為:B→N→S2→L2→V2b→B，B→N→S4→L4→V4b→B。電源分別為 L2和 L4充電。當(dāng) S2和 S4關(guān)斷時(shí)，電流流通路徑為:B→N→E2→D2→L2→V2b，B→N→E2→D4→L4→V4b，電源分別為電感 L2和 L4充電。其它五個(gè)區(qū)間的工作原理與此相同。

1.3 控制策略

為了獲得單位輸入功率的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出直流電壓，最直接有效的方法是采用雙環(huán)控制原理[9]。電流內(nèi)環(huán)使輸入電流接近正弦波，電壓外環(huán)可以使輸出電壓穩(wěn)定。

在電壓閉環(huán)環(huán)節(jié)，輸出電壓經(jīng)電阻分壓取樣，與參考電壓相減，送入誤差濾波放大器的濾波環(huán)節(jié)后，得到參考電流。在電流閉環(huán)環(huán)節(jié)，參考電流與實(shí)際檢測(cè)濾波后的電感電流求差后，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，達(dá)到最終控制量。最終控制量與三角波進(jìn)行比較，得到原始PWM脈沖，作為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

功率器件的控制采取錯(cuò)相控制原理，每個(gè)IGBT的調(diào)制波信號(hào)相差90°。因此整個(gè)控制電路包括兩個(gè)電壓閉環(huán)和四個(gè)電流閉環(huán)。錯(cuò)相控制可以使得電感紋波電流存在相位差，相互抵消，降低輸入端的總電流紋波。

2 仿真分析

圖 5為仿真框圖，包括功率電路和控制電路，采用雙閉環(huán)控制算法，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電解電容E1、E2、E3均為1 360μF。三相交流電源采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，輸入電壓為單相120 V，三相208 V，工頻60 Hz。期望輸出直流電壓為385 V，最大阻性負(fù)載功率為5.5 kW。開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。

負(fù)載為3.5 kW時(shí)，輸入電壓與輸入電流的仿真波形如圖6所示，電解電容E1、E2與E3的電壓波形為如圖7所示，E1與 E2電壓之和為E3電壓，直流電壓平均值為385 V，紋波電壓最大峰值低于1 V。電感L1、L2、L3和L4的電流波形為如圖8所示。

負(fù)載為5.5 kW時(shí)，輸入電壓與電流波形如圖9所示，直流電壓平均值為385 V，紋波電壓峰峰值低于1 V。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了一種由兩只三電平單相整流器構(gòu)成的三相三電平整流器工作原理，并進(jìn)行仿真分析。將其應(yīng)用到變頻空調(diào)的整流器設(shè)計(jì)中，采用傳統(tǒng)單相PFC的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制、錯(cuò)相控制進(jìn)行了理論分析和仿真分析，結(jié)果表明這種三相三電平整流器具有設(shè)計(jì)容易、單位輸入功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有電感均流和輸出均壓?jiǎn)栴}。

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