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全数字单相三电平整流器控制电路设计

引言

三电平(ThreeLevel,TL)整流器是一种可用于高压大功率的PWM整流器,具有功率因数接近1,且开关电压应力比两电平减小一半的优点。文献[1]及[2]提到一种三电平Boost电路,用于对整流桥进行功率因数校正,但由于二极管整流电路的不可逆性,无法实现功率流的双向流动。文献[3],[4]及[5]提到了几种三电平PWM整流器,尽管实现了三电平,但开关管上电压应力减少一半的优点没有实现。三电平整流器尽管比两电平整流器开关数量多,控制复杂,但?具有两电平整流器所不具备的特点:

1)电平数的增加使之具有更小的直流侧电压脉动和更佳的动态性能,在开关频率很低时,如300~500Hz就能满足对电流谐波的要求;

2)电平数的增加也使电源侧电流比两电平中的电流更接近正弦,且随着电平数的增加,正弦性越好,功率因数更高;

3)开关的增加也有利于降低开关管上的电压压应力,提高装置工作的稳定性,适用于对电压要求较高的场合。


摘要:
三电平整流器由于其独特的优点,受到了越来越多的重视。介绍了三电平桥式整流器的工作原理,并用数字信号处理器对其控制系统进行了实现,说明了全数字控制系统的硬件设计和软件设计的方法。仿真和实验结果验证了理论研究的结果。
关键词:数字信号处理器;三电平;PWM整流器;功率因数校正



1 TL整流器工作原理

由8个开关管V11~V42组成三电平桥式电路。假定u1=u2=ud/2,则每只开关管将承担直流侧电压的一半。

以左半桥臂为例,1态时,当电流is为正值时,电流从A点流经VD11及VD12到输出端;当is为负值时,电流从A点流经V11及V12到输出端,因此,无论is为何值,均有uAG=uCG=+ud/2,D1防止了电容C1被V11(VD11)短接。同理,在0态时,有uAG=0;在-1态时,有uAG=uDG=-ud/2,D2防止了电容C2被V22(VD22)短接。

右半桥臂原理类似,因此A及B端电压波形,从而在交流侧电压uAB上产生五个电平:+ud,+ud/2,0,-ud/2,-ud。

每个半桥均有三种工作状态,整个TL桥共有32=9个状态。分别如下:

状态0(1,1)开关管V11,V12,V31,V32开通,变换器交流侧电压uAB等于0,电容通过直流侧负载放电,线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。

状态1(1,0)开关管V11,V12,V32,V41开通,交流侧输入电压uAB等于ud/2,输入端电感电压等于us-u1。电容C1电压被正向(或反向)电流充电(u1<us,或放电us<u1),C2通过直流侧负载放电。

状态2(1,-1)开关管V11,V12,V41,V42开通,输入电压uAB=ud,正向(或反向)电流对电容C1及C2充电(或放电),由于输入电感电压反向,电流is逐渐减小。

状态3(0,1)开关管V12,V21,V31,V32开通,交流侧输入电压uAB等于-ud/2,输入电感上电压等于us+u1。电容电压被正向(或反向)电流充电(或放电)。

状态4(0,0)开关管V12,V21,V32,V41开通,输入端电压为0,电容通过直流侧负载放电,线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。

状态5(0,-1)开关管V12,V21,V41,V42开通,交流侧电压为ud/2,正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电),电容C1通过负载电流放电。

状态6(-1,1)开关管V21,V22,V31,V32开通,uAB=-ud,正向(或反向)线电流对两个电容C1及C2充电(或放电),由于升压电感电压正向,线电流将逐渐增加。

状态7(-1,0)开关管V21,V22,V32,V41开通,交流侧电压电平为-ud/2,正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电),电容C1通过负载电流放电。

状态8(-1,-1)开关管V21,V22,V41,V42开通,输入端电压为0,升压电感电压等于us,两个电容C1及C2均通过负载电流放电。电流is根据电压us的变化而增加(或减小)。



2 硬件电路设计

在输入电压频率恒定的情况下,要在变换器交流侧产生一个三电平电压波形,输入电压一个周期内应定义两个操作范围:区域1和区域。

在区域1,电压大于-ud/2,并且小于ud/2,在电压uAB上产生三个电平:-ud/2,0,ud/2。同理,在区域2,电压绝对值大于ud/2,并小于直流侧电压ud,在电压正半周期(或负半周期)上产生两个电平:ud/2和ud(或-ud/2和-ud)。相应电平的工作区域如表1所列。

表1 相应电平的工作区域

工作区域

1

2

1

2

us>0

us<0

us>0

us<0

高电平

ud/2

0

ud

-ud/2

低电平

0

-ud/2

ud/2

-ud


为方便控制,这里定义两个控制变量SA及SB,其中

根据表1可以设计一个开关查询表,如表2所列,将其存储在DSP中,当进行实时控制时,便可根据输入电压、电流信号,从表中查询所需采取的开关策略。

表2 查询表

SA

SB

V11

V12

V21

V22

V31

V32

V41

V42

uAB

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

1

0

ud/2

1

-1

1

1

0

0

0

0

1

1

ud

0

1

0

1

1

0

1

1

0

0

-ud/2

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

0

-1

0

1

1

0

0

0

1

1

ud/2

-1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

-ud

-1

0

0

0

1

1

0

1

1

0

-ud/2

-1

-1

0

0

1

1

0

0

1

1

0


整个控制系统以一片DSP为核心。

锁相环电路产生一个与电源电压同相位的单位正弦波形,ud的采样信号通过低速电压外环调节器进行调节,电流is的采样信号通过高速电流内环G1进行调节,电容C1端直流电压u1与电容C2端直流电压u2分别通过两个PI调节器进行调节,补偿环G2用于补偿两只电容电压的不平衡。

检测的线电流命令is与参考电流is*比较,产生的电流误差信号送至电流内环G1,以跟踪电源电流变化,产生的线电流波形将与主电压同相位。



3 软件设计

系统采用两个通用定时器GPT1及GPT2来产生周期性的CPU中断,其中GPT1用于PWM信号产生、ADC采样和高频电流环控制(20kHz),GPT2用于低频电压环的控制(10kHz),两者均采用连续升/降计数模式。低速电压环的采样时间为100μs,高速电流环采样时间为50μs。中断屏蔽寄存器IMR,EVIMRA和EVIMRB使GPT1在下降沿和特定周期产生中断,GPT2则仅在下降沿产生中断。

整个程序分为主程序模块、初始化模块、电流控制环计算模块、电压控制环计算模块、PWM信号产生模块等五大部份。



4 仿真结果及实验

仿真参数如下:输入电压us交流220V,50Hz,输出功率1kW,开关管GTO,开关频率500Hz。整流状态和逆变状态下电源电压us、电源电流is、交流侧电压uAB波形。实验结果也证实了设计的正确性,在采用GTO管、开关频率较低(500Hz)时,输入侧电流波形仍然非常接近正弦,装置得到了接近1的功率因数,同时开关上的电压应力减少了一半。



5 结语

采用全数字控制的三电平PWM整流器将控制系统外围电路减至最少,在较低成本下可以获得很高的性能。基于DSP的三电平整流器比传统功率因数校正电路动态性能更好,在较低的开关频率下就可以获得比较好的正弦化电流波形,并可用于GTO等开关器件。如用于高压、大功率三相电路、VVVF电源、电机控制等领域,该方案优越性更明显。