閆一瑋，丁冠華，柴煜淞，戴俊彥，程 紅

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100080）

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)能源技術(shù)亟待變革。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的能源效率比國(guó)際先進(jìn)水平要低很多，但是單位能源產(chǎn)品耗能卻比國(guó)際先進(jìn)水平高45%以上，因此節(jié)能降損已成為主流問(wèn)題，也越來(lái)越受到重視[1]。

目前，工業(yè)上節(jié)能降損主要用的是變頻技術(shù)，其中使用較多的是大功率全控型級(jí)聯(lián)H橋多電平整流器，可完成高壓大功率的雙向變換。然而，這類(lèi)整流器也有明顯的不足。有必要研究新型能量單向傳輸?shù)募?jí)聯(lián)式整流器電路拓?fù)洌赃_(dá)到減少變換器中全控型開(kāi)關(guān)數(shù)量的目的。對(duì)于只需能量單向傳輸?shù)南到y(tǒng)，可以用無(wú)橋整流模塊來(lái)代替全橋整流模塊。無(wú)橋模塊相對(duì)于全橋，開(kāi)關(guān)管數(shù)量減少了一半，控制和驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)損耗低，系統(tǒng)效率相對(duì)較高[2]。實(shí)際工業(yè)上要求變頻調(diào)速系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)[3]。

1 系統(tǒng)整體概述

本文研究的級(jí)聯(lián)式無(wú)橋整流器是一種AC-DC電力電子變換器，實(shí)現(xiàn)把交流電變?yōu)橹绷麟姷恼鞴δ?，?yīng)用在電力電子變壓器中。

本文以3個(gè)單相的無(wú)橋整流器級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，包括對(duì)其交流側(cè)電流電壓的采樣并傳輸?shù)紻SP進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)功率因數(shù)為1，同時(shí)也對(duì)直流輸出側(cè)的電壓進(jìn)行采樣并傳輸給DSP實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)3個(gè)整流模塊輸出電壓的均衡與穩(wěn)定。圖1為系統(tǒng)基于模型的設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)示意圖。

2 硬件部分

本文以3個(gè)單相無(wú)橋整流電路級(jí)聯(lián)的AC-DC電路為研究對(duì)象，對(duì)其電路拓?fù)浼肮ぷ髟磉M(jìn)行描述，并通過(guò)一定的理論分析得到該電路的電容、電感等元器件的參數(shù)值。

圖1 級(jí)聯(lián)式無(wú)橋整流電路拓?fù)?/p>

2.1 無(wú)橋整流電路概述

整流電路是一種典型的電力電子電路，其作用是將交流電變?yōu)橹绷麟姟ｋS著新能源發(fā)電趨勢(shì)的火速發(fā)展，電力電子變換器的應(yīng)用也更加廣泛，越來(lái)越多新型高效節(jié)能整流器得到推廣和應(yīng)用[4]。

以單個(gè)無(wú)橋整流器拓?fù)錇槔U述該電路工作原理。假設(shè)交流側(cè)電感足夠大，能夠使電流連續(xù)。以圖1的第一個(gè)無(wú)橋整流器為例，分析該電路的有效工作模態(tài)。其中is為交流輸入電流，以從電感左側(cè)流至右側(cè)為正；Ucon為無(wú)橋整流器交流側(cè)合成電壓。

穩(wěn)態(tài)時(shí)的Ucon由開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定，首先定義開(kāi)關(guān)函數(shù)S為：

定義第n個(gè)單相無(wú)橋整流模塊的開(kāi)關(guān)函數(shù)為Si，則可以得出：Uconi=S·Un。則在圖1所示的3個(gè)無(wú)橋整流器模塊級(jí)聯(lián)的電路拓?fù)渲校瑧?yīng)用KCL、KVL對(duì)該電路建模可得該電路的開(kāi)關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型：

由模型可得，該電路通過(guò)控制開(kāi)關(guān)函數(shù)S控制每個(gè)模塊的Ucon，從而可以按照要求控制輸入電流is以及實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)模塊輸出電壓Un的均衡控制。

2.2 參數(shù)選擇

（1）交流側(cè)電感的選擇

該整流電路交流側(cè)電感主要作用有如下兩點(diǎn)：第一，濾除交流側(cè)電流諧波，實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流為正弦波電流，通過(guò)一定的控制作用能夠?qū)崿F(xiàn)交流側(cè)電流與交流側(cè)電壓同相位；第二，由于交流側(cè)電感的存在，該系統(tǒng)有了一定的阻尼特性，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制非常有利。

首先，從滿(mǎn)足一定的輸出有功功率指標(biāo)確定電感值的上限[5]：

該式表示在一定的電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)Em、直流側(cè)電壓Vdc、功率因數(shù)角φ條件下，滿(mǎn)足交流側(cè)有功功率指標(biāo)時(shí)的交流側(cè)電感上限值。其中p表示該整流器交流側(cè)的有功功率。

其次，從滿(mǎn)足交流側(cè)電流畸變率指標(biāo)來(lái)確定電感值的下限：

該式表示在滿(mǎn)足網(wǎng)測(cè)電流總諧波畸變率THDi≤n%的要求下，得到的電感值的下限值。其中I1為基波電流有效值，Vab（n）為輸出電壓n次諧波有效值。

（2）直流側(cè)電容的選擇

該整流電路直流側(cè)電容主要作用有如下兩點(diǎn)：第一，對(duì)交流側(cè)傳遞給直流側(cè)的能量起緩沖作用，從而保證直流輸出電壓的穩(wěn)定；第二，減少直流輸出側(cè)的諧波電壓。

首先，從滿(mǎn)足直流側(cè)電壓的跟隨指標(biāo)確定電容值上限：

其中，RLe是直流額定負(fù)載電阻，tr*為直流側(cè)電壓由初始值躍變到額定值的上升時(shí)間設(shè)定上限值。

其次，從滿(mǎn)足直流側(cè)電壓的抗擾性能指標(biāo)確定電容值的下限：

其中，RLe是額定負(fù)載電阻，ΔVm*是整流器直流側(cè)電壓動(dòng)態(tài)降落最大值，ΔVm*=ΔVmax/Vde，Vde是電容電壓初始值。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文將控制算法編寫(xiě)為C語(yǔ)言代碼，并在CCS（Code Composer Studio）軟件里為本系統(tǒng)建立一個(gè)軟件工程，將編寫(xiě)的基于DSP28335的C語(yǔ)言代碼導(dǎo)入該工程并進(jìn)行編譯[6]。

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分。主程序主要完成系統(tǒng)初始化的任務(wù)；中斷服務(wù)子程序在中斷子程序中進(jìn)行AD采樣和校正，采樣結(jié)果包括交流側(cè)電壓US，交流側(cè)電流IS，直流側(cè)電壓Udc。對(duì)這3個(gè)采樣值處理后進(jìn)行雙閉環(huán)控制。系統(tǒng)不停刷新并執(zhí)行中斷子程序，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)快速跟蹤給定，電壓外環(huán)穩(wěn)定輸出的指標(biāo)，并且實(shí)現(xiàn)交流側(cè)單位功率因數(shù)。

4 仿真電路

本文通過(guò)建立級(jí)聯(lián)式無(wú)橋整流器及其控制器的電路仿真模型并進(jìn)行仿真測(cè)試，給出了系統(tǒng)的理論結(jié)果。

4.1 仿真電路圖

圖2為主電路拓?fù)鋱D，圖3為無(wú)橋整流器模塊拓?fù)鋱D。

圖2 主電路拓?fù)鋱D

4.2 仿真分析

交流輸入電流經(jīng)過(guò)控制之后實(shí)現(xiàn)了電流波形為正弦波，并且與輸入側(cè)電壓波形同相位，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)為1的指標(biāo)。該電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3個(gè)級(jí)聯(lián)模塊的輸出電壓均衡分配，分別為期望輸出電壓的1/3。存在的不足之處是輸出直流電壓存在一定的波動(dòng)，需要進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)來(lái)獲得更好的電壓波形。

5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論，同時(shí)為了驗(yàn)證該單相級(jí)聯(lián)式無(wú)橋整流器控制方法的可行性，搭建了實(shí)物硬件電路。

系統(tǒng)樣機(jī)由DSP核心板、電壓電流采集板、整流器主電路板等硬件電路組成，每個(gè)模塊經(jīng)過(guò)單板測(cè)試后，組裝為一個(gè)系統(tǒng)。

圖3 無(wú)橋整流器模塊拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輸出側(cè)直流電壓基本穩(wěn)定在100 V，且3個(gè)模塊輸出電壓均衡分配，交流側(cè)電流波形為正弦波；通過(guò)交流輸入側(cè)電壓電流波形對(duì)比可以看出，交流側(cè)實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1，實(shí)現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的指標(biāo)，驗(yàn)證了電壓電流雙閉環(huán)控制的可行性，并且可以看出該控制方法的效果非常不錯(cuò)，各項(xiàng)指標(biāo)顯示都很好。

6 結(jié) 論

本文介紹了3個(gè)單相無(wú)橋模塊級(jí)聯(lián)的整流器的軟硬件工作原理、仿真實(shí)驗(yàn)以及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)整流模塊輸出均衡穩(wěn)定的直流電壓、交流側(cè)電流正弦化以及單位功率因數(shù)運(yùn)行的控制指標(biāo)。

本文所設(shè)計(jì)的整流器系統(tǒng)適用于不需要能量雙向流通的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)系統(tǒng)中，有廣泛的實(shí)用價(jià)值。本系統(tǒng)還有一些需要提升的地方，可以在提高效率方面做進(jìn)一步的研究，如果實(shí)際生產(chǎn)需要，還可以做更多級(jí)的整流器級(jí)聯(lián)甚至擴(kuò)展到三相。