0 引言

    高壓直流電源有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。三相不控整流器是高壓直流電源的重要組成部分^[1]。高壓電源系統(tǒng)在使用傳統(tǒng)的三相不控整流器時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下問題：(1)三相不控整流器和后級(jí)逆變器中高頻開關(guān)器件的使用對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染；(2)三相不控整流器輸出電壓不可調(diào)，使得高壓電源后級(jí)輸出電壓不能夠較大范圍調(diào)節(jié)；(3)當(dāng)高壓電源系統(tǒng)需要反復(fù)重啟時(shí)，如靜電除塵用高壓電源^[2]，重啟時(shí)三相整流器解耦電容中仍有較高電壓，對電源的后續(xù)重啟產(chǎn)生安全隱患。

    為了解決上述問題，近年來提出了許多新型三相PWM整流器及其改進(jìn)方法。文獻(xiàn)[3]采用六開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相整流器，能夠獲得較高的功率因數(shù)，但其不能進(jìn)行輸出電壓的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)了使輸出電壓調(diào)節(jié)在一個(gè)更寬的輸入電壓范圍，但整流器輸出電壓必須大于輸入電壓，不能夠?qū)崿F(xiàn)降壓調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[5]提高了整流器的功率因數(shù)，但整流器直流側(cè)輸出電壓必須低于輸入電壓，不能在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)壓。

    本文在傳統(tǒng)的三相六開關(guān)整流器的研究基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型三相PWM整流器。本文所設(shè)計(jì)的三相PWM整流器通過添加1個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了可控軟啟動(dòng)，啟動(dòng)后通過預(yù)測電流空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）^[6]，網(wǎng)測實(shí)現(xiàn)了高的功率因數(shù)并且進(jìn)一步拓寬輸出電壓調(diào)控范圍。設(shè)計(jì)了新型的保護(hù)回路，觸發(fā)保護(hù)后使解耦電容的電壓快速降為零，使得高壓電源下一次啟動(dòng)安全，支持電源系統(tǒng)反復(fù)重啟（如靜電除塵器用高壓直流電源）。

1 改進(jìn)型三相PWM整流器的設(shè)計(jì)

1.1 三相PWM整流器主電路設(shè)計(jì)

    本文在傳統(tǒng)三相六開關(guān)整流器研究的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型三相PWM整流器，如圖1所示。

    本文所提出的三相整流器是在傳統(tǒng)三相六開關(guān)PWM整流器的基礎(chǔ)上添加了開關(guān)管Q₇、Q₈和電阻R_S，在高壓大功率的場合下一般選用IGBT作為開關(guān)管。

1.2 改進(jìn)型三相PWM整流器工作模式

    改進(jìn)型整流器工作在3種工作模態(tài)，分別為三相不控整流模態(tài)、三相可控整流模態(tài)、保護(hù)模態(tài)。圖2為三相PWM整流器3種工作模式下開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖波形和與之對應(yīng)的輸出電壓V_dc的波形。

    在啟動(dòng)過程中，在前級(jí)加入軟啟電路的同時(shí)，保持開關(guān)管Q₁~Q₆及Q₈一直處于關(guān)斷狀態(tài)，三相整流器通過寄生二極管工作，整流器工作在三相不控整流模態(tài)，固定開關(guān)管Q₇的開關(guān)頻率，通過緩慢增加Q₇的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓V_dc緩慢增加。這個(gè)間斷沒有進(jìn)行功率因數(shù)校正，由于整流器工作在低電壓輕負(fù)載狀態(tài)，且時(shí)間短暫，并不會(huì)給電網(wǎng)造成一定的污染。

    當(dāng)輸出電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓時(shí)，Q₇切換到常開狀態(tài)，同時(shí)保持開關(guān)管Q₁~Q₆開始工作，整流器進(jìn)入三相可控整流模態(tài)，開始進(jìn)行功率因數(shù)校正，避免了對電網(wǎng)造成污染。閉環(huán)控制直流母線電壓V_dc繼續(xù)緩慢增長，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的額定輸出電壓。整流器的額定功率設(shè)計(jì)在這個(gè)模態(tài)。

    當(dāng)負(fù)載突變，電流i_o急劇增大，超過設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，觸發(fā)進(jìn)入保護(hù)模態(tài)，后級(jí)逆變器被鎖死，此時(shí)關(guān)斷開關(guān)管Q₁~Q₇，同時(shí)開通開關(guān)管Q₈解耦電容對電阻R_S進(jìn)行快速放電，避免重新啟動(dòng)高壓電源時(shí)因電解電容C_o上儲(chǔ)存的電能沒有釋放而造成意外風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 改進(jìn)型三相PWM整流器軟啟動(dòng)分析

    傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)是一種硬件軟啟動(dòng)，完成電路的參數(shù)設(shè)計(jì)后，啟動(dòng)時(shí)間也隨之確定，不能夠靈活地對啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)軟啟動(dòng)電路是通過在每相串聯(lián)軟啟動(dòng)電阻和并聯(lián)軟啟動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)的，軟啟動(dòng)電路變得復(fù)雜。

    本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型三相PWM整理器是通過在直流母線上增加開關(guān)管Q7來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的，是一種可控的軟件軟啟動(dòng)，相比傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)，本文的軟啟動(dòng)控制靈活，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)靈活多變的軟啟動(dòng)方式。且相比于傳統(tǒng)軟啟動(dòng)電路，本文的軟啟動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單。

    開關(guān)管Q₇在啟動(dòng)后處于常閉狀態(tài)，這會(huì)造成一定的導(dǎo)通損耗。高壓大功率場合通常選用IGBT作為開關(guān)器件，常閉狀態(tài)的開關(guān)管損耗是由于IGBT導(dǎo)通壓降造成的，以型號(hào)英飛凌FF225R12ME4為例說明開關(guān)管Q₇的損耗，該種型號(hào)的IGBT的導(dǎo)通壓降為2 V，本文設(shè)計(jì)的V_dc=600 V，即Q₇的導(dǎo)通損耗占總輸出功率的百分比為0.33%，因此本文通過增加開關(guān)管Q₇來實(shí)現(xiàn)軟件軟啟動(dòng)并不會(huì)造成大的功率損耗。

2 改進(jìn)型整流器的控制策略

    三相不控整流模態(tài)用于高壓電源的啟動(dòng)過程，保護(hù)模態(tài)用于過流保護(hù)，這兩個(gè)模態(tài)運(yùn)行在整流器的暫態(tài)過程，時(shí)間短暫，控制簡單。三相可控整流模態(tài)運(yùn)行在整流器的穩(wěn)態(tài)，控制相對復(fù)雜。本文分析總結(jié)了預(yù)測電流型電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)^[6-9]，通過預(yù)測電流型SVPWM可以簡捷地實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)，相應(yīng)地減少程序所占用的資源，可實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率。采用的預(yù)測電流數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)了輸入電流的閉環(huán)控制，三相輸入電流能跟蹤輸入電壓相位，使得三相電壓型 PWM 整流器實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)。PWM 整流器的電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，獲得了穩(wěn)定的輸出電壓。

    預(yù)測電流SVPWM控制以整流器交流側(cè)電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下的兩個(gè)電壓分量作為指令電壓，通過選擇不同的開關(guān)矢量組合模式來控制開關(guān)管Q₁~Q₆的導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到功率因數(shù)校正與穩(wěn)定調(diào)節(jié)電壓的目的。

    三相整流器在兩相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型為：

    定義變量A、B、C和N，且N=A+2B+4C。由圖3所示：如果u_sx>0，則A=1，否則A=0；如果u_sy>0，則B=1，否則B=0；如果u_sz>0，則C=1，否則C=0。由此得到變量N與6個(gè)扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系。

    圖4所示為指令電壓u_r在第4扇區(qū)時(shí)的矢量關(guān)系圖。T₀為零矢量作用的時(shí)間，T₁為基本矢量V₁的作用時(shí)間，T₂為基本矢量V₂的作用時(shí)間。由圖3、圖4可以解得T₀、T₁、T₂。指令電壓u_r在其他扇區(qū)時(shí)的合成情況與在第4扇區(qū)類似，其大小依然在T₀、T₁、T₂ 3個(gè)量之中進(jìn)行變化。為此，各扇區(qū)通用：

    由此可以得出各個(gè)扇區(qū)進(jìn)行指令電壓合成時(shí)，α軸方向基本矢量作用的時(shí)間T_α和β軸方向基本矢量作用的時(shí)間T_β。

    為了減小輸入電流的諧波，本文采用對稱式中的七段式矢量序列法，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管總共進(jìn)行了6次動(dòng)作，但每次動(dòng)作只涉及一個(gè)開關(guān)管，因此這種排序方式并沒有產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗^[9]。

    在得到每個(gè)扇區(qū)中各基本矢量的作用時(shí)間后，還需要對矢量切換點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，此處不再贅述。

    圖5為改進(jìn)型三相PWM整流器控制流程圖。為預(yù)設(shè)過電流保護(hù)值，為三相不控制流模態(tài)預(yù)設(shè)電壓值，為三相可控整流預(yù)設(shè)電壓值。

3 仿真分析

    本文搭建了MATLAB/Simulink閉環(huán)仿真模型。仿真參數(shù)設(shè)置：三相電網(wǎng)相電壓有效值為220 V，f=50 Hz，L=4 mH，C_o=3 300 μF，等效負(fù)載電阻R₁=40 Ω，故障等效負(fù)載電阻R₂=20 Ω，故障后C_o放電電阻R_S=10 Ω，=450 V，=600 V。

    如圖6所示，實(shí)線為電壓波形，虛線為放大10倍的電流波形。0~0.42 s整流器工作在三相不控整流模態(tài)，固定開關(guān)管Q₇驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率，通過調(diào)節(jié)脈寬來實(shí)現(xiàn)緩慢升壓，在t=0.42 s時(shí)V_dc大于，整流器進(jìn)入三相可控整流模態(tài)，通過SVPWM進(jìn)行閉環(huán)控制，在t=0.8 s時(shí)達(dá)到，整流器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在t=1 s時(shí)負(fù)載電阻突變?yōu)镽₁=24 Ω，在t=1.4 s時(shí)再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，測試抗干擾能力強(qiáng)。在t=1.6 s時(shí)負(fù)載電阻突變?yōu)镽₁=14 Ω，輸出電流Io迅速增大，超過了預(yù)設(shè)保護(hù)電流值，進(jìn)入保護(hù)模態(tài)，在t=1.8 s時(shí)C_o的電壓降為0，使下一次高壓電源安全啟動(dòng)。

    圖7為在t=1 s時(shí)電阻突變?yōu)镽₁=24 Ω，相電壓u_a、相電流i_a波形(i_a放大10倍)。圖7中電流波形與電壓波形保持相位相同，有高的功率因數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    實(shí)驗(yàn)條件：三相電壓幅值為300 V，f=50 Hz，L=4 mH，C_o=3 300 μF，R₁=40 Ω，故障后C_o放電電阻R_S=10 Ω，=450 V，=600 V。

    圖8為輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形，系統(tǒng)上電后，0~0.6 s之間整流器工作在三相不控整流模態(tài)。在t=0.6 s時(shí)輸出電壓V_dc大于，整流器進(jìn)入三相可控整流模態(tài)，通過SVPWM進(jìn)行閉環(huán)控制，在t=1.2 s時(shí)達(dá)到，整流器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)誤差小于2%，實(shí)現(xiàn)了可控的軟件軟啟動(dòng)。在t=1.5 s時(shí)負(fù)載電阻突變?yōu)镽₁=24 Ω，在t=2 s時(shí)再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.5 s，抗干擾能力強(qiáng)。在t=2.2 s時(shí)負(fù)載電阻突變?yōu)镽₁=14 Ω，I_o迅速增大，超過了預(yù)設(shè)保護(hù)電流值，整流器進(jìn)入保護(hù)模態(tài)，在t=2.45 s時(shí)將電容C_o上的電壓降為0，使下一次高壓電源安全啟動(dòng)。圖9為t=1.2 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)a相的相電壓和相電流實(shí)驗(yàn)波形。圖10為在t=1.5 s時(shí)負(fù)載電阻突變時(shí)a相的相電壓和相電流實(shí)驗(yàn)波形。從圖9、圖10可知功率因數(shù)校正效果良好。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型三相PWM整流器能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，具有抗干擾能力強(qiáng)、功率因數(shù)高、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。通過對解耦電容的電壓控制來實(shí)現(xiàn)高壓電源系統(tǒng)的反復(fù)啟動(dòng)。本文設(shè)計(jì)適用于高壓大功率直流電源，如靜電除塵電源三相整流。

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作者信息:

楊曉光1，2，高靈虎1，2，徐林亮1，2，劉偉民1，2，金雙雙1，2

（1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130；

2.河北工業(yè)大學(xué) 河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130）