【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0SαSβ0iαiβudc00iLusausβ0 ()公式里，uα=32UMcosωt；在此處鍵入公式。uβ=32umsinωt。Sa=162sasbsc。Sβ=12sbsc。在三相對(duì)稱(chēng)的系統(tǒng)里，我們假設(shè)uON=0，usa=saudc，usβ=sβudc。經(jīng)過(guò)三相到兩相的變換后，三相PWM整流器在αβ坐標(biāo)系中的模型：Lddtiαiβ=uαuβRiαiβurαurβCdUdcdt=idciL=iαSα+iβSβiL上式里uα=uβ=(12ub12uc)Sα=23()Sβ=(12Sb12Sc)由于uON=0,ura=SαUdc，urβ=SβUdc因此將上式化簡(jiǎn)，并進(jìn)行變換得：LsIαs=UαsRIαsUdc(s)SαLsIβs=UβsRIβsUdc(s)SβCsUdcs=IdcsIL(s)Idcs=IαsSα+Iβ(s)Sβ ()在公式()中整理可得Iαs=UαsUdc(s)SαLs+RIβs=UβsUdc(s)SβLs+RIdcs=IαsSα+IβsSβUdcs=IdcsIL(s)CsILs=Udc(s)RL由上述公式可得在αβ坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型如下圖 數(shù)學(xué)模型圖 本章小結(jié)本章主要介紹了基于電壓工作的三相PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理。以六開(kāi)關(guān)的整流器為例，介紹了它的工作狀態(tài)，為下文中直接功率控制的研究提供了方便。分析了開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)電路交流側(cè)電流的影響，詳細(xì)寫(xiě)出了輸出電壓和輸入電流直接的關(guān)系算法。分析并建立了三相電壓電流在兩相αβ坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換形式，并建立了兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。3 三相電壓型PWM整流器直接功率控制策略 三相PWM整流器直接功率控制理論以前的直接功率控制理論采用了平均值的計(jì)算方法，這種方法的采用是因?yàn)槎x了電壓和電流為周期變化，但實(shí)際情況中電壓和電流很難實(shí)現(xiàn)周期性變化，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中存在不隨時(shí)間呈現(xiàn)周期變化的諧波電壓電流分量[12]。并且，當(dāng)電壓電流無(wú)法計(jì)算平均值時(shí)，功率計(jì)算也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，此時(shí)的電路中S2≠P2+Q2，如果此時(shí)依然采取傳統(tǒng)平均電壓電流時(shí)的計(jì)算公式必然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此我們采用的是瞬時(shí)控制策略[13]。外國(guó)學(xué)者提出三相整流電路的瞬時(shí)無(wú)功理論，近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于瞬時(shí)功率理論進(jìn)行了深入的探索，并取得一些突破[14]。我們對(duì)瞬時(shí)有功功率的定義如下：瞬時(shí)相電流矢量和瞬時(shí)相電壓矢量的標(biāo)量積。而對(duì)瞬時(shí)無(wú)功功率定義則是：瞬時(shí)相電流矢量與瞬時(shí)相電壓矢量的矢量積。對(duì)于我們一般的三相整流電路，u瞬時(shí)相電壓矢量和i（瞬時(shí)相電流矢量），經(jīng)過(guò)TABC/αβ變換后，可以得到u和i在αβ坐標(biāo)系下的形式：u=uαuβu0,i=iαiβi0 ()在三相三線制的整流電路中，u0=i0=0，所以瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率Q在αβ坐標(biāo)中的計(jì)算式子：p=u?i=uαiα+uβiβ ()q=ui=(uαiβuβiα)k ()在式子（）中，k為單位長(zhǎng)度向量，方向與αβ坐標(biāo)平面垂直。 直接功率控制系統(tǒng)的基本組成直接功率控制技術(shù)的最終目的是實(shí)現(xiàn)單位功率的控制，也就是電壓電流同相位調(diào)節(jié)，它是說(shuō)在交流側(cè)電壓確定不變的條件下來(lái)調(diào)節(jié)PWM整流器的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，使得無(wú)功功率在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)為零，也就間接控制了交流側(cè)電流的變化[15]，如果控制瞬時(shí)電流為類(lèi)似正弦波，并且使瞬時(shí)電流與瞬時(shí)電壓同相位，即相差盡量的小。直接功率控制策略是根據(jù)整流電路的瞬時(shí)功率的變化來(lái)進(jìn)行控制的，整流器直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)[16]。，包括：主電路部分和控制電路部分。主電路：三相交流電源、交流側(cè)的濾波電感、三相整流裝置、直流側(cè)濾波電容、直流側(cè)負(fù)載?？刂齐娐罚弘妷弘娏鞑杉K、PI模塊、電壓相位計(jì)算模塊、功率滯環(huán)比較模塊、三相到兩相計(jì)算模塊。 直接功率控制系統(tǒng)圖 直接功率控制系統(tǒng)的工作原理PWM整流器的直接功率控制的原理簡(jiǎn)述為：當(dāng)測(cè)量三相交流電壓ua,ub,uc和電流ia,ib,ic后,通過(guò)公式計(jì)算，完成三相到兩相的變換，將三相abc坐標(biāo)下的變量變換為兩相αβ坐標(biāo)系下的矢量uα、uβ、iα、iβ。根據(jù)公式（）和公式（）計(jì)算瞬時(shí)有功功率p和無(wú)功功率q，并根據(jù)uα、uβ來(lái)計(jì)算出電壓矢量的相角度θ。給出瞬時(shí)有功功率p和無(wú)功功率q的基準(zhǔn)值p*,q*，有功功率的基準(zhǔn)值由直流側(cè)反饋電壓計(jì)算決定（下文中會(huì)有詳細(xì)介紹），無(wú)功功率的基準(zhǔn)值一般設(shè)為0。將實(shí)際有功功率和無(wú)功功率的值與用功功率和無(wú)功功率的基準(zhǔn)值做差得到差值?p和?q，送入滯環(huán)比較器進(jìn)行比較得到開(kāi)關(guān)表的控制變量Sp和Sq[18]。開(kāi)關(guān)表需要預(yù)先設(shè)定，它輸出的變量有SaSbSc，用來(lái)控制整流器的功率開(kāi)關(guān)的通斷?？刂崎_(kāi)關(guān)表輸出的變量也是三個(gè)，它們是Sp和Sq以及θ。 電壓、電流和功率的測(cè)量 通過(guò)線路的測(cè)量裝置可以直接測(cè)量出三相電壓ua,ub,uc和電流ia,ib,ic，或者只需要測(cè)量?jī)上嚯妷汉碗娏?，根?jù)公式ua+ub+uc=0ia+ib+ic=0 （）計(jì)算出三相電壓電流。然后通過(guò)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的方法將三相坐標(biāo)abc變?yōu)閮上唳力伦鴺?biāo)下的uα、uβ和iα、iβ。再通過(guò)公式（）和公式（）可以計(jì)算出電路的有功功率p和無(wú)功功率q。 輸入空間扇形區(qū)劃分輸入電壓的相位θ由uα、uβ共同決定，在表達(dá)上為θ=tan1uβuα的表示形式，θ在空間上被劃分為12個(gè)扇形區(qū)表示輸入電壓的12種不同的相位情況，θn的具體取值可以通過(guò)公式（）得出，為12塊扇形區(qū)的組合。（n2）π6≤θn≤（n1）π6 （） 整流器輸入電壓相位劃分 功率滯環(huán)比較器本系統(tǒng)中用到兩個(gè)滯環(huán)比較器，分別是有功功率滯環(huán)比較器和無(wú)功功率滯環(huán)比較器，滯環(huán)比較器的輸入是給定功率與實(shí)際測(cè)得功率的差值，分別是?p和?q，其中?p=pp*，?q=qq*。輸出為實(shí)際功率偏離給定功率的狀態(tài)Sp、Sq，有0和1兩種狀況，滯環(huán)比較器的寬度為2Hp、2Hq。Hp、Hq的大小決定了開(kāi)關(guān)器件的通斷頻率。它們的量影響著整流器的平均開(kāi)關(guān)頻率、諧波大小、和功率開(kāi)關(guān)能力，環(huán)寬越小，對(duì)功率的控制越精確且響應(yīng)快，但是環(huán)寬太小的話會(huì)使得開(kāi)關(guān)頻率高，通斷時(shí)電能浪費(fèi)較大，所以功率差Hp、q的選取應(yīng)根據(jù)功率換運(yùn)算速度及所采用的功率器件的性能折中選擇。 功率的滯環(huán)特性圖，當(dāng)?pHp時(shí)，Sp=1；當(dāng)?pHp時(shí)，Sp=0；當(dāng)Hp?pHp，并且d?pdt0時(shí)，Sp=1；當(dāng)Hp?pHp，并且d?pdt0時(shí)，Sp=0。當(dāng)?qHq時(shí)，Sq=1；當(dāng)?qHq時(shí)，Sq=0；當(dāng)Hq?qHq，并且d?qdt0時(shí)，Sq=1；當(dāng)Hq?qHq，并且d?qdt0時(shí)，Sq=0。綜上所述，我們需要在功率滯環(huán)對(duì)照器中設(shè)置Sp和Sq的值為：Sp=0 pp*Hp 表明p需要減小不變 p*Hppp*+Hp 1 pp*+Hp 表明p需要增加 （）Sq=0 qq*Hq 表明q需要減小不變 q*Hqqq*+Hq 1 qq*+Hq 表明q需要增加 （） 開(kāi)關(guān)狀態(tài)表開(kāi)關(guān)表是整個(gè)控制核心，在前面我們已經(jīng)介紹了：開(kāi)關(guān)的不同狀態(tài)會(huì)有不同的電壓輸出，而不同的輸入電壓會(huì)影響電感兩端的端電壓，這是因?yàn)榭偟娜嚯妷菏谴_定的正弦交流電勢(shì)，通過(guò)控制不同的PWM信號(hào)輸出，選擇不同的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，使得電感電流獲得相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓和電流的同相位控制，即直接功率控制。開(kāi)關(guān)表的輸入變量有有功和無(wú)功的增減信號(hào)Sp、Sq，以及輸入電壓所在的扇形區(qū)信號(hào)θn，通過(guò)這些輸入變量我們可以得到所需的開(kāi)關(guān)PWM控制信號(hào)SaSbSc，從而發(fā)出相應(yīng)的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。我們一般定義S=2Sp+Sq, Sp與Sq的取值有（0,1）、（0,0）、（1,0）、（1,1）四種情況，對(duì)應(yīng)的S的值就有0，1，2，3這四種可能。設(shè)所需的電壓空間矢量為Us，根據(jù)Sp與Sq和θ。確定Us，整流器所需的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，Us的離散值有U0~U7，SaSbSc=（000~111）對(duì)應(yīng)U0~U7八個(gè)等扇形區(qū)，U0000，U1001，U2010，U3011，U4100，U5101，U6110，U7(111)，每個(gè)區(qū)域都有對(duì)應(yīng)的向量。 電壓矢量圖整流器的電壓方程為：Lddtiaiβ=uαuβRiαiβusαusβ ()忽略交流側(cè)的線路壓降，可得：i=i0+1L0tuusdt ()由瞬時(shí)功率的定義可知，iα增加時(shí)，有功功率P也會(huì)增加，iβ增加時(shí)，無(wú)功功率Q會(huì)減小。用改變有功功率P的方法可以影響交流側(cè)電流的大小，用調(diào)節(jié)無(wú)功功率Q可以影響交流側(cè)電流的相位，達(dá)到交流側(cè)電壓電流同相位的目的。在同一扇形區(qū)，可以選擇相鄰的V1和V2控制功率的調(diào)節(jié)[19]。假設(shè)電源電壓矢量為us，當(dāng)Sp=Sq=0，電源電壓矢量us在第一扇形區(qū)，則第一扇形區(qū)兩個(gè)相鄰的矢量是U1和U6，分別分析他們對(duì)瞬時(shí)功率的作用效果，可以得出我們仿真所需的開(kāi)關(guān)表： 狀態(tài)開(kāi)關(guān)表 本章小結(jié)本章介紹了瞬時(shí)控制理論，分析并使用了直接功率控制的方法，完成了直接功率控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以開(kāi)關(guān)表為核心的控制系統(tǒng)提供開(kāi)關(guān)的通斷，影響著電壓矢量的輸出，從而完成直接功率的控制。通過(guò)瞬時(shí)功率控制理論完成電路瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算。通過(guò)算法得出電壓相位，通過(guò)功率滯環(huán)比較器得出開(kāi)關(guān)表關(guān)于有功無(wú)功的控制變量。將這三個(gè)數(shù)據(jù)作為開(kāi)關(guān)表的輸入變量，完成開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇。最終實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)中的功率變化，調(diào)節(jié)電壓電流相位，實(shí)現(xiàn)直接功率控制的目標(biāo)。