关键字 |
| 脉宽调制，正弦PWM，空间矢量PWM，单位功率因数，THD, MATLAB。 |
介绍 |
| 交流/直流电源变换器广泛应用于家用电器、电源转换、直流电机驱动、交流调速驱动、高压直流输电、SMPS、UPS等电源。电力电子设计工程师面临的主要问题是如何在低功率或中功率应用中降低谐波含量。通常，交直流变换器的输入电压是正弦的，但输入电流是非正弦的，即谐波电流存在于交流线路中。谐波对电力系统的运行有负面影响，因此，人们越来越重视谐波的产生和控制。谐波对功率因数也有负面影响。在基本元件上加入谐波电流会增加总均方根电流，因此谐波会影响电路的功率因数。单位功率因数、低谐波电流或低输入电流THD和固定的最小纹波直流输出电压是整流器的重要参数。一个脉宽调制(PWM)整流器服务于所有这些目的，它工作在四个象限与高功率因数。PWM是一种非常先进和实用的技术，它通过各种机制来控制门脉冲的宽度。PWM整流器将主导谐波的频率移到一个更高的值，这样它们就可以通过使用一个小的无源滤波器[1]-[8]来轻松地过滤谐波。 The PWM rectifier is also known as active front end (AFE) converter. By using advance PWM control techniques such as sinusoidal PWM (SPWM) and space vector PWM (SVPWM), the input current can be made nearly sinusoidal with minimum total harmonic distortion (THD) and unity power factor operation can also be achieved. Space vector modulation utilizes dc bus voltage more efficiently and generates less harmonic distortion in a three phase voltage source rectifier. SVPWM technique is an advanced and possibly the best PWM technique for variable speed drive applications [9]. In this paper MATLAB model of both techniques are simulated at rated load condition and then comparative harmonic analysis in terms of input current THD and input power factor has been done. |
正弦脉宽调制(spwm) |
| 在正弦三角脉宽调制中，将三相正弦参考调制信号与普通三角载波进行比较，从而产生三相的PWM开关门触发脉冲。整流开关频率由三角波形的频率控制，与调制信号的频率相比，这种载波频率非常高。参考信号的频率控制调制指数m、有效值电压Vrms和输出电压Vo。每半个周期的脉冲数取决于载波频率。三角波形频率或开关频率控制开关关闭和打开的速度。通过改变调制信号的幅值和频率来控制线侧基本分量的幅值和频率。六阶电压值的0% ~ 78.5%之间简单线性，导致电压利用率较差[10]~[13]。正弦PWM变换器的框图如图1所示。一般情况下，三相六开关PWM升压变换器的控制结构由双闭环组成，其中双闭环由一个内电流控制环和一个外电压控制环组成。线路电感器提供能量存储，并允许整流器在升压配置下运行。 |
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| 开关脉冲由如图2所示的电流模式控制方案产生。线路电流需要电流模式控制方案。直流母线电压是通过测量直流电压与参考直流电压的比较来控制的。该误差信号通过PI控制器，然后形成所有三个内部电流控制回路所需的电流幅值参考。电流控制器感知输入电流，并将其与正弦参考电流进行比较。电流幅值参考乘以三个正弦模板，每个模板的相位间隔为120°，形成真正的电流参考。 |
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| 对于单位功率因数操作，要求每个正弦基准与各自的电源相位电压相一致。测量电感电流并与参考信号进行比较。误差通过比例积分(PI)控制器传递，在低频提供高增益，但对高频纹波电流有滤波作用。采用hit - trial法确定PI控制器的常数，使系统具有良好的稳定响应。现在，将该信号与三角形载波进行比较，以产生所需的PWM信号来控制开关。该技术具有实时控制、易于获取驱动信号等优点。具有实现简单、易于控制等优点。缺点是直流链路电压纹波引入额外的输出纹波，高THD，低输入功率因数在低和中功率应用。 |
空间矢量脉冲宽度调制 |
| PWM调制的另一种方法是基于α-β平面电压的空间矢量表示。在SVPWM中，电压基准由一个旋转的参考矢量提供，线路侧基本分量的幅值和频率分别由参考电压矢量的幅值和频率控制。空间矢量调制(SVM)技术是一种先进的、计算密集型的数字PWM技术，其目标是产生平均等于给定负载线电压的PWM负载线电压。这是在每个采样周期中通过从VSR的有效开关状态中适当地选择开关状态并通过适当地计算它们被使用的时间周期来完成的。它是一种更为复杂的产生正弦波的技术，以较低的THD[10]-[14]为电机提供更高的电压。 |
| SVPWM整流器的框图如图3所示。该框图有三个主要模块，静止坐标估计器，支持向量机信号发生器和切换表。从交流侧三相电流(ia,ib,ic)转换为两相电流纵坐标(iα & iβ)。同样，由三相电压转换为两相电压的纵坐标和余弦值，采用克拉克变换。电流坐标变为电压余弦。控制器由外母线电压调节环和内相电流调节环组成。实际总线反馈(Vdc)与期望的总线电压(Vdc ref)进行比较，误差(delta V=Vdc ref -Vdc)通过PI控制器，外部环路产生参考电流(Im)的幅值。静止坐标估计器块有两个输入(输入电源和线路电流Im)。将输入电流电压矢量坐标与输入电压d-q坐标进行比较，并加上电感降。这些d-q电压向量已经转换为α-β坐标。 The stationary estimator estimates Vα and Vβ. In SVM block, number of the instantaneous sector and the time T1, T2 and T0 are getting from the stationary coordinates Vα and Vβ. The number of sector (Sn) and the required switching time (Tn) select instantaneous firing signal from the switching table [15]. |
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| (a)三相量[14]，[16]的空间矢量或两相表示: |
 (1） |
| a = e j2π/3 |
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| SV技术的目标是用vsr中可用的8个空间向量(Vi, i= 0,2…7)来近似线调制信号。有8种开关状态组合可用于跟踪电压命令(Vref)，其中6种状态是有源电压空间向量(Vi, i= l…6)，2种状态是零电压空间向量(V0,V7)。例如，位于扇区I的调制线电压矢量的PWM序列如图4所示。[17] |
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| T1、T2、Tz分别对应激活状态V1、V2、零状态的时间间隔。然而，如果调制信号位于任意向量Vi和Vi+1之间，则应该只使用最近的两个非零向量(Vi和Vi+1)和一个零空间向量(Vz = V0或V7)。因此，最大负载线电压最大，开关频率最小[18]。 |
| (b)空间矢量PWM[14]，[16]，[19]-[22]的实现: |
| 空间矢量PWM的实现基于以下步骤: |
| 步骤1:确定模指数m和扇区号Sn |
| 空间矢量调制需要模量和扇区数。下面的数学方程都在图中实现。 |
 (6） |
 (7） |
| 其中fs =基频，模量指数ref d m=V ref / Vd。 |
| 电压Vref、角度α和模量m均由上述公式计算得到。表1给出了旋转矢量在特定扇区中按α角的位置。 |
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| 步骤2:确定时间长度T1, T2, T0 |
| 为了得到所需的整流输入空间电压矢量，对开关的导通时间进行了调制。图5所示扇区I(0≤α≤60°)的T1、T2、T0由下式计算。 |
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| 步骤3:确定每个晶体管的开关时间(S1到S6) |
| 所使用的开关状态序列应确保负载线电压具有四分之一波对称性，以减少其频谱中不必要的谐波(甚至谐波)。此外，为了降低开关频率，优化开关信号，还需要对零空间矢量进行选择。每当从静止αβ坐标开始新的扇区时，计算定时信号。SVM总时间是实例上所有时间(T1, T2和T0)的和。这一次执行在特定部门如表2所示。 |
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| SVPWM技术是比较受欢迎的技术，因为它具有以下优秀的特性: |
| •自动实现与PWM三次谐波注入相关联的宽线性调制范围 |
| •由于采用零矢量，开关频率恒定，值低， |
| •它具有比常规PWM或其他基于正弦的调制方法更低的基带谐波，或以其他方式优化谐波， |
| •输出电压比传统调制多15%，即更好的直流链路利用率， |
| •更有效地利用直流电源电压， |
| •降低输入电流THD，提高功率因数 |
| •防止不必要的开关，从而减少换流损失。 |
| 这样做的缺点是实现起来非常复杂。 |
模拟及结果 |
| 采用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真，实现简单。仿真研究的各种参数:交流输入电压(峰值)= 230V，电源频率= 50Hz额定输出功率=7.5 kW(负载电阻= 40Ω，负载电感= 2mH)直流参考电压= 550V |
| (a)正弦PWM |
| 输出直流链路电压由电压和电流表测量。开关频率为10khz时SPWM的直流链路和源侧电压电流波形分别如图6和图7所示。 |
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| 输入电流THD取自SIMULINK的POWERGUI块。源电流的FFT分析如图8所示。源电流的总谐波失真为3.68%，满足IEEE标准。输入功率因数由simulink模型的功能块有功功率和无功功率计算得出。 |
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(b)空间矢量PWM |
| 输出直流链路电压由电压和电流表测量。开关频率为10 KHz时SVPWM的直流链路和源侧电压电流波形分别如图9和图10所示。 |
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| 输入电流THD取自SIMULINK的POWERGUI块。源电流的FFT分析如图11所示。源电流的THD为2.68%，满足IEEE标准。因此，在10khz频率时，输入电流中持续的谐波非常少。输入功率因数由功能块有功功率和无功功率计算得到，如图simulink模型所示。 |
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结论 |
| 所提出的工作提出了基于SPWM和SVPWM的三相交直流PWM变换器的谐波分析。利用MATLAB/SIMULUINK软件对两种技术进行仿真，比较了两种技术在额定负载条件下的输入功率因数和输入电流THD值，进行谐波分析。仿真结果表明，在额定负载条件下，SPWM的功率因数为0.9972,SVPWM的功率因数为单位。在额定负载条件下，利用FFT工具对输入电流THD进行谐波分析。SPWM获得的输入电流THD为3.68%，SVPWM获得的输入电流THD为2.68%。仿真结果表明，采用SVPWM技术可以获得THD最小的单位功率因数运算，因此SVPWM比SPWM具有更好的性能。SVPWM技术无疑是SPWM技术的改进，因为源电流的THD降低了。 |
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