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        7.5 kW三電平APFC的研制

        2017-10-13 05:18:50張治國
        船電技術(shù) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:交流

        張治國

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        7.5 kW三電平APFC的研制

        張治國

        (合肥華耀電子工業(yè)有限公司,合肥 230031)

        介紹了7.5 kW三電平APFC的研制過程。對三電平APFC進行了建模分析,論述了主要工作原理,對空間矢量控制算法進行了仿真驗證。采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制,給出了實驗過程中PI參數(shù)的調(diào)節(jié)步驟。實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

        APFC 控制算法 PI調(diào)節(jié)

        0 引言

        三相三電平APFC具有輸出電壓穩(wěn)定、功率因數(shù)高、電流畸變小的優(yōu)點。區(qū)別于二電平APFC,三電平APFC開關(guān)器件上的電壓應(yīng)力為直流母線電壓的一半,可以使用低壓MOS管,成本大大降低;而且,該拓撲開關(guān)管之間沒有死區(qū)時間,開關(guān)頻率可以很高,從而實現(xiàn)了器件小型化。因此,三相三電平APFC相關(guān)技術(shù)的開發(fā)得到了廣泛關(guān)注[1~3]?

        1 工作原理

        圖1所示整流器拓撲中,采用兩個共源極的MOS管組成雙向開關(guān),共用一個驅(qū)動信號,不存在開關(guān)管直通問題,開關(guān)頻率可以很高,從而可減小交流側(cè)濾波電感體積。當(dāng)雙向開關(guān)導(dǎo)通時,其中一個MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài),另一個MOS管則處于同步整流狀態(tài),因此幾乎沒有反向恢復(fù)電流。

        三相三線制三電平APFC開關(guān)模型如圖2所示。

        根據(jù)開關(guān)狀態(tài)不同,U=U時,整流器交流側(cè)電壓分別會有0,±三種狀態(tài),雙向開關(guān)類似于一個三開關(guān)選擇器,因此全控開關(guān)Sa /Sb /Sc的開關(guān)電位狀態(tài)可表示為:

        式中,S=1(表示p,n,o)表示開關(guān)S與點連接,否則不連接。整流器交流側(cè)電壓不會出現(xiàn)同時為正和同時為負的情形,因此電位組合一共有個,矢量圖如圖3所示。

        圖2 三相三電平APFC開關(guān)模型

        圖3 三電平APFC矢量圖

        25個空間矢量可分為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量四種。大矢量為V1、V2、V3、V4、V5、V6;中矢量為V12、V23、V34、V45、V56、V61;小矢量有12個,V01±、V02±、V03±、V04±、V05±、V06±;還有一個零矢量V0。

        例如:當(dāng)S= -1,S= 1,S= 1時,對應(yīng)的矢量為V4,其電路工作狀態(tài)如圖4所示。

        圖4 V4矢量的電路工作狀態(tài)

        圖4所示電路工作狀態(tài)下,對應(yīng)于直流側(cè)輸出電容中性點N,整流器交流側(cè)A相輸入電壓為,B、C相輸入電壓為。以此為例,可以看出,每一開關(guān)狀態(tài)都對應(yīng)整流器交流側(cè)電壓數(shù)值,交流側(cè)電壓三種電平狀態(tài)合成的階梯波越逼近正弦波,整流效果越好。

        2 空間矢量算法的實現(xiàn)

        空間矢量調(diào)制算法具有易于數(shù)字實現(xiàn)、直流利用率高、諧波含量低的優(yōu)點。該算法在整流器中調(diào)制的目標(biāo)是:通過控制開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷得到逼近圓形的旋轉(zhuǎn)交流電壓矢量,最大程度減少交流電流諧波含量并實現(xiàn)單位功率因數(shù)。

        韓國學(xué)者Jae-Hyeong提出了一種調(diào)制方法[4],這種方法把三電平空間分解為6個大扇區(qū),每個大扇區(qū)相當(dāng)于一個二電平PWM整流器的空間矢量,6個大扇區(qū)分布區(qū)域如下圖5所示。

        圖5給出大扇區(qū)Ⅰ~Ⅵ的區(qū)間分布。這種方法把三電平轉(zhuǎn)換為二電平計算,避免了大量的三角函數(shù)計算過程,得到期望的SVPWM調(diào)制輸出,大大簡化了計算。

        三電平矢量簡化到二電平矢量后,經(jīng)過計算最終實現(xiàn)開關(guān)管控制,這種算法的運算步驟為:

        1)三電平的坐標(biāo)原點是零矢量,而6個大扇區(qū)分別對應(yīng)的二電平的空間矢量原點是小矢量,首先確定目標(biāo)矢量落在哪個大扇區(qū),再進行坐標(biāo)平移;

        2)按照二電平計算方法選擇最近的三個矢量,確定開關(guān)狀態(tài);

        3)根據(jù)幅秒平衡原理計算每個開關(guān)管的開通時間。

        表1為平移到二電平后七段式調(diào)制法相鄰空間矢量的作用時間

        表1二電平6個相鄰區(qū)間作用時間分布

        X、Y、Z計算表達式如下:

        (2)

        式中U表示直流輸出電壓,T為開關(guān)周期,和為坐標(biāo)平移后的靜止二相αβ坐標(biāo)系變量。

        采用Matlab仿真工具,仿真算法采用ode23,仿真步長為1 μs。電路基本參數(shù)為:負載電阻R=20 Ω;濾波電感=370 μH;輸出側(cè)電容1=2=220 μF;開關(guān)頻率為30 kHz。

        三相電網(wǎng)側(cè)輸入相電壓有效值為50 V,輸出給定直流電壓為165 V時基于空間矢量調(diào)制方法的仿真結(jié)果如圖6所示:

        圖6 A相交流電壓與電流仿真波形

        3 PI參數(shù)調(diào)節(jié)步驟

        采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式,電壓外環(huán)控制的目的是要得到穩(wěn)定的直流電壓輸出,其調(diào)節(jié)速度小于電流環(huán)?;谛⌒盘柦?傻玫介]環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),進而可初步得到雙閉環(huán)的PI參數(shù)理論值。

        PI參數(shù)初始理論計算值一般只是作為PI調(diào)節(jié)的一個起點,實際參數(shù)必須在理論計算的基礎(chǔ)上反復(fù)整定才能得到理想的結(jié)果,而且這個整定過程在調(diào)試中是必須的。整定過程非常依賴調(diào)試人員的經(jīng)驗,文獻[5~6]從實驗角度給出PI參數(shù)在整流器中的修正過程,總結(jié)了一些經(jīng)驗,并提到了交流電感和直流側(cè)電容取值對系統(tǒng)性能的影響。

        在已有文獻的基礎(chǔ)上,根據(jù)實際調(diào)試過程,三電平APFC PI參數(shù)修正步驟總結(jié)如下:

        1)交流側(cè)濾波電感與直流側(cè)輸出電容受電源結(jié)構(gòu)限制,往往選擇空間不大,選定后一般不做調(diào)整。因此,往往在滿足基本電氣性能指標(biāo)設(shè)計要求后,受電源體積限制其參數(shù)應(yīng)盡可能選擇最小值。本實驗樣機中選擇濾波電感為0.37 mH,直流側(cè)電容為470 μF/450V。

        2)初始調(diào)試階段,斷開電壓外環(huán),只調(diào)節(jié)電流內(nèi)環(huán)。電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)Kp取初始理論計算值;積分系數(shù)Ki取理論值。分析交流電流和直流側(cè)輸出電壓波形,若電流波形出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象,Kp應(yīng)減小,若電流波形較差(諧波含量高)則逐步增加Kp。同時,觀察輸出電壓,若輸出電壓偏高,則增加Kp,反之減小。

        在調(diào)節(jié)Kp期間,Ki保持不變。若Kp調(diào)節(jié)始終得不到理想結(jié)果,應(yīng)調(diào)整其限幅,一般先將限幅值設(shè)定為理論計算值的1.5倍。

        3)電流環(huán)調(diào)試結(jié)束后,其PI參數(shù)不變,加上電壓環(huán)開始雙環(huán)調(diào)試。取電壓環(huán)Ki為理論值,先調(diào)節(jié)電壓環(huán)Kp,若直流輸出電壓偏高則減少Kp,反之增加。

        4)若以上調(diào)節(jié)均不能達到理想效果,就應(yīng)該考慮從PWM調(diào)制算法編程是否有誤和驅(qū)動電路硬件設(shè)計是否合理這兩個方面查找原因了。

        4 實驗結(jié)果

        7.5 kW三電平APFC樣機輸入端接入220 V/50 Hz電網(wǎng),負載電阻為50 Ω。設(shè)定直流參考電壓設(shè)置為625 V時得到的實驗波形如圖7所示。

        (a) 啟動過程中A相電壓與電流波形

        (b) 穩(wěn)定后的A相電壓與電流波形

        (c) 穩(wěn)定后的A相電流與直流側(cè)輸出電壓波形

        圖中給出了A相輸入相電壓波形(綠色)、直流側(cè)輸出電壓dc(綠色)與A相交流電流波形(紅色)。可以看出啟動過程中不控轉(zhuǎn)為可控時,過渡時間短,電流無尖峰。穩(wěn)定后交流電流正弦度好,輸出電壓保持穩(wěn)定,波動較小。而且,穩(wěn)定后A相相電壓與電流同相位,具有單位功率因數(shù)。由此可見,采用的控制方法取得了良好的整流效果。

        5 結(jié)論

        空間矢量調(diào)制優(yōu)點是直流電壓利用率高,交流電流諧波含量少,易于DSP實現(xiàn)。這種采用三電平轉(zhuǎn)換為二電平進行矢量計算的調(diào)制方法占用DSP資源少,計算過程不復(fù)雜,適合在工程中應(yīng)用。

        三電平APFC的PI調(diào)節(jié)一直是設(shè)計的難點,但是通過實際工作經(jīng)驗的總結(jié)歸納,也可以得到其調(diào)節(jié)規(guī)律??紤]到實際電路與理論設(shè)計的差異性,PI參數(shù)的最終確定結(jié)果與初步計算值往往有較大差異,所以本文給出的PI參數(shù)調(diào)節(jié)步驟具有實際應(yīng)用價值。

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        Development of 7.5 kW Three-level APFC

        Zhang Zhiguo

        (ECU Electronics Industrial Co., Ltd., Hefei 230031, China )

        TM464

        A

        1003-4862(2017)06-0034-04

        2017-019-05

        張治國(1977-),男,高級工程師。研究方向:大功率開關(guān)電源。zhang1569@126.com

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