基于滞环电流控制三相整流器的开关频率分析与仿真

Ｒｅｓｅａｒｃ　ｈ＆Ｄｅｓｉｇｎ研究与设计　变频网ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｂｉａｎｐｉｎ．ｃｏｒｎ　基于滞环电流控制三相整流器的　开关频率分析与仿真　张刚　２６５６００）　（国网山东蓬莱市供电公司，山东　蓬莱摘要：通过数学模型对滞环控制三相整流器的开关频率进行了分析，得出开关频率与电感值和滞　环宽度的关系，并在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下进行了仿真，仿真结果验证了分析结论。　关键词：滞环电流控制；开关频率；数学模型；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　３－ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＺＨＡＮＧ　Ｇａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　３－ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｗｉｄｔｈ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｓ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｂｙ　ＭＡＴ—ＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　中图分类号：ＴＭ４６１　文献标志码：Ａ　文章编号：１９９４—３０９１（２０１４）０５—００４９—０５　随着现代电力电子装置不断向高频化发展，功率模块　开关频率的研究越来越引起学者们的重视。滞环电流控制　技术以其易于实现，动态响应快等优点备受国内外学者的　电压型整流器拓扑结构，在三相静止坐标系（ｏ，ｂ，ｃ）中，利　用电路基本定律（基尔霍夫电压、电流定律）对三相电压型　整流器所建立的一般数学描述。三相电压型整流器拓扑结　构如图１所示。　该数学模型在以下假设条件下建立：　（１）电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势ｅ　，ｅ　，　ｅ　）；　青睐．为使滞环电流控制技术在得到良好电流跟踪性能、　功率因数的同时，有效的控制开关频率，有必要对滞环电　流控制技术开关频率进行分析，为设计者提供一定的参　考。　（２）网侧滤波电感　是线性的，且不考虑饱和；　１　三相整流器数学模型［１］　所谓三相电压型整流器一般数学模型就是根据三相　收稿日期：２０１３—１０—１６　（３）功率开关管损耗以电阻Ｒ　表示，即实际的功率开关　管可由理想开关与损耗电阻Ｒ　串联等效表示；　（４）为描述整流器能量的双向传输，整流器直流侧负　２０１４年第５期・建挝掇秘艉ｌ　４９　图３滞环电流控制原理图　一　｝　）（１）　２．２滞环电流控制的开关频率分析［３１１４］　∑ｅ　＝∑ｉｋ＝Ｏ　根据三相整流器在　ｃ坐标系的数学模型，忽略交流　式中：ｓ　为单极性二值逻辑开关函数；　回路电阻。三相ＰＷＭ整流器的电流方程式可记为　ｆ１上桥臂导通．下桥臂关断　＝ｅ　０上桥臂关断．下桥臂导通Ｌｋ＝。＇。，　）；　－（Ｓｋ－　）　（２）　设斩波开关周期为　．则上式的增量式为　ｉ　为ＶＳＲ直流侧负载电流；　为功率开关管损耗等效电阻　与交流滤波电感等　Ｌ等－￣－ｅｋ－（ｓｒ　）　（３）　效电阻Ｒ　合并，Ｒ　ｓ＋Ｒｌ。　设　ｋ＝　（ｋ＝０，ｂ，ｃ），系统在正常工作时有８　２滞环电流控制技术　种工作开关模式如表１所列。　为了便于分析电路滞环控制下影响整流器开关频率　２．１　滞环电流控制原理罔　的主要因素，作以下假设。　滞环电流控制系统如图２所示，其电流控制原理如图　（１）忽略实际开关状态变化过程中的延时，认为ｓ　，　３所示。在此控制方法中，把指令电流信号ｉ　－ｂ．　与交流电　ｓ　的变化瞬间发生。　流实际信号ｉ　．　进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的　（２）在某一相开关周期的上升或下降段，由于其他两　输入．滞环比较器产生控制主电路中开关通断的ＰＷＭ信　相开关状态的随机性，使整流器输出电流的变化率不能保　图２滞环电流控制系统原理图　５０　Ｉ突藏辍　阚・２０１４年第５期　Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｄｅｓｉｇｎ研究与设计　鬻羹挛频丽ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｂｉａｎｐｉｎ．ＣＯｒｎ　　。≯ｌ　『表１滞环电流控制的工作模式　１…，　，以、２　ｄｔ／　，　＾　＿　开关　Ｌ　４一　＼模式　Ｓ　０　Ｏ　Ｓｂ　Ｏ　Ｓ　０　ｋ　０　ｋｂ　Ｏ　厂２舰　由此可见　除了受滞环比较器环宽２ｈ的影响外，还　依赖于整流器的设计参数　，Ｌ及所需补偿的电流变化　一２／３　１　０　０　１　１／３　Ｉ／３　嘲　＿Ｉｌｌ—　２　０　１　Ｏ　１／３　—２／３　，３　３　Ｏ　１　１　２／３　—１，３　—１１３　４　ｌ　Ｏ　０　—２／３　１，３　１，３　５　１　０　—１，３　２／３　一　３６　１　１　Ｏ　—１／３　－１／３　２／３　７　１　ｌ　１　Ｏ　０　０　唯一。为使问题简化，假设其它两相的开关状态变化也　发生在该开关的切换点，以保证上升或下降段输出电流　要因素。　开关周期示意图如图４所示，以ｓ　的一个开关周期为　例。在上升段因ｓ日：Ｏ，故　Ｉ＞０，当△￡，最短时，整流器的最　高频率变化最快，此时，处于第３种开关模式，Ｋ．＝２／３，于是　有ｄｉ．￣／ｄｔ＝ｌ／Ｌ（Ｕ．＋２／３（　）。若此时的指令电流变化率大于１／　（　２／３（　），则整流器输入电流将无法跟踪。　与此类似，在下降段因ｓ　：１，故怒≤Ｏ，同样，从△￡：最　短考虑，出于第４种开关模式，　一２／３，于是有ｄ　。－／ｄｔ＝ｌ／Ｌ　（Ｕ．－２／３（　），若此时的指令电流变化率小于１肛（　一２／３　（　），电流也将无法跟踪。　现讨论可跟踪情况，由图４可推导出在电源电压、负　载电流一定时，对选定的　，Ｌ，ｈ等参数，开关频率为　图４开关周期示意图　一般情况下：ＪＲ　＞＞　，　：　ｍｓｉｎ　，Ｉ　Ｏ）Ｉ＞＞　１　ａ　‘Ｉ＿ｄｋｆ／　Ｉ，故式（１５）可以简化为　・２＾・　・２　・　ｃｏｓ…一‘　（５）　所以，所以最高颛率为　一　／最高频率为　虫一．；　　平均开关频率为厶＝　。　从上面分析可以得出结论　零点附近开关频率最大，开关频率可以达到丘　，在　输入电压峰值附近开关频率最低。　当　一定时，开关频率与滞环宽度ｈ、电感值　成反　比，加大滞环宽度或电感都可以降低系统的频率。但是ｈ的　加大会增大谐波含量。￡的加大会导致实际电流无法跟踪指　令电流，降低电流的跟踪质量。　３基于滞环电流控制的三相ＰＷＭ整流器　仿真与分析　３．１　滞环电流控制Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真　在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下对基于滞环电流控制的整流　系统进行仿真，基于滞环电流控制的三相ＶＳＲ系统仿真图　如图５所示。　滞环电流控制算法是由电压外环模块与电流内环模　块实现的：电压外环模块实现直流侧输出电压采样，并与　给定电压进行比较，偏差值经ＰＩ调节器进行调节，构成了　电压外环．从而保证直流侧输出电压跟踪给定直流电压；　电流内环模块完成从网侧电流采样，并与指令电流进行实　时比较，输出相应的ＰＷＭ信号，从而保证了电流跟踪的快　速性。　３．２滞环电流控制技术仿真结果与分析　主电路参数设置如下：整流器交流侧电压源输入电压　有效值５５　ｖ，交流侧电阻０．２　Ｑ、电感ｌｍＨ，直流侧给定电　压为１５０　Ｖ、电容４　７００　ＩｘＦ、负载电阻５　ｎ。　２０１４年第５期・囊攮挺餐丧孵ｌ　５１　”　＿