三相PWM整流器控制器设计.doc

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1、三相PWM整流器控制器设计PWM整流器能够实现整流器电网侧的电流为正弦，从而大大降低整流器对电网的谐波污染。PWM整流器同时能够实现电网侧电流相位的控制，常见的有使得电网侧电流与电源电压同相位，从而实现单位功率因数控制，也可以根据需要使得电网侧电流相位超前或滞后对应的电源相电压，从而实现对电网的功率因数补偿。三相PWM整流器主电路和控制系统原理图如图1所示，其中AVR为直流侧电压外环PI调节器、ACR_d、ACR_q分别为具有解耦和电源电压补偿功能的dq轴电流内环PI调节器，PLL为电源电压锁相环，SVP

2、WM为电压空间矢量运算器，IabctoIdiq、VabctoValfaVbeta和VdqtoValfaVbeta分别为三相静止坐标-两相旋转直角坐标变换、三相静止坐标-两相静止直角坐标变换和两相旋转直角坐标-两相静止直角坐标变换。图1基于空间矢量的三相PWM整流器原理图根据开关周期平均值概念、三相电压型PWM整流器开关函数表等，可得到三相电压型PWM整流器在dq坐标下微分方程形式和等效电路形式的开关周期平均模型。经过dq轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图如图2所示，其中小写的变量表示该变量的开关周期

3、平均值，大写的变量表示该变量在工作点的值。vdcddcq图2基于dq轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图对解耦和电源电压补偿之后的dq轴等效电路进行工作点附近的小信号分析，即可得到小信号下的传递函数如式(1、（2）和（3）所示，其中L、R分别为交流侧的滤波电感及其等效电阻，C为直流侧滤波电容，Dd为d轴在工作点的占空比。~id(sαd(s~iq(sαq(s~vdc(sid(sVdc(13Ls+3RVdc(2=-3Ls+3RRDd（3）=-RCs+1=-有了对象的传递函数，根据控制系统校正原则就可整定d

4、q轴电流环和直流侧电压外环PI调节器的参数。由于校正原则不是唯一的，不同的设计准则可获得不同的调节器参数，因此通过仿真来了解校正效果就显得非常有意义。而且对象参数的不精确性使得调节器的设计只能是近似的，通过仿真来了解调节器参数的变化规律就更显得必要。以将电流环校正成典型I性系统为例，考虑到电流调节器输出到形成PWM整流器交流侧dq轴电压变化存在PWM周期延迟、以及存在电流滤波器时间延迟等因素构成的等效延迟时间Tsi，dq轴电流解耦和电源电压补偿后的电流环结构如图3所示。只要将ACRd的零点与W2的极点对消

5、，即可将电流环校正成典型I性系统，由此可获得ACR的积分时间常数τi，即τi=L/R(4取电流环的阻尼比为0.707时，可使电流环有足够的动态响应能力和抑制超调能力，由此可获得ACR的比例系数Ki，即(Ki/τiVdcTsi=0.5，则Ki=0.5τi/(VdcTsi(5图3d轴电流环等效结构图校正成典型I系统的电流环可以近似为时间常数为2Tsi的一阶惯性环节，因此可得电压环近似等效结构图如图4所示，其中Tsv为综合了电流环等效时间常数、以及电压滤波器时间延迟等因素构成的等效延迟时间。这样设计直流侧电压环

6、就变得非常容易，可以将直流侧对象近似为积分环节，然后将电压环校正成典型II系统，也可以将电压环PI调节器的零点与直流侧对象的极点对消，然后将电压环校正成典型I系统。图4电压环等效结构图II系统（将直流负载近似为积分环节Dd/(Cs），根据典型II型系统的常见设计规则，中频带宽h一般设计为5，即τv/Tsv=5，截止频率介于1/(5Tsv～1/(Tsv之间。但由于期望的电压环截止频率ωcv应该小于(1/5～1/10直流侧纹波频率（三相整流电路直流侧纹波频率为2π（6电源频率），对50Hz电网，ωcv<(1/

7、5～1/10600π），但1/(Tsv太大，无法满足要求，故将电压环校正成典型II系统不合适。将τv设计成与RLC相等，则可将电压环校正成典型I型系统。因此有τv=RLC(6若将电压环校正成典型图1所示系统中，交流侧滤波电感L=5mH,其等效电阻R=0.01Ω，电源相电压有效值为220V，频率为50Hz,直流侧滤波电容C=2200uF，负载等效电阻RL=100Ω,直流侧电压给定是600V，功率器件开关频率为10KHz，电流环控制周期为50ms，电压环控制周期为500ms。不计滤波器时间常数时，电流环中的T

8、si等于功率器件的开关周期，电压环中的Tsv等于2Tsi。根据这些参数即可算出，电流调节器的积分时间常数τi=5e-3/1e-2=0.5，电流调节器的比例系数Ki=0.5*0.5/(33*600*0.1e-3=0.13；电压调节器的积分时间常数τv=5*2*0.1e-3=1e-3，Kv=(6/50*1e-3*2200e-6/(0.9*(2*0.1e-32=7.3。电流环原始对象、电流调节器、校正后的开环传递函数波特图分别如图5