電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，給公用電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染。交直變換在整個(gè)電力電子裝置中所占的比例很大，絕大多數(shù)dc電源都需要通過(guò)ac電源進(jìn)行整流來(lái)獲取。目前，常規(guī)的整流裝置采用二極管或晶閘管相控整流，但是這些整流裝置存在功率因數(shù)低，交流側(cè)波形畸變嚴(yán)重等缺點(diǎn)。自從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始將pwm技術(shù)引入整流器控制中，這種高功率因數(shù)pwm整流器技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

　　本文在分析了電壓空間矢量控制原理的基礎(chǔ)上，提出了一種便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的控制算法。該算法采用輸入電壓空間矢量定向，直接計(jì)算空間電壓矢量的位置和作用時(shí)間，同時(shí)利用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)三相PWM整流器空間矢量的全數(shù)字控制。本文介紹了其系統(tǒng)組成及控制原理，給出了實(shí)驗(yàn)波形。

　　1 空間矢量脈寬調(diào)制原理

　　圖l是三相電壓型整流器（VSR）的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常相似，因而可以把3個(gè)電感L和電網(wǎng)輸入整體看作是一個(gè)交流電機(jī)模型，并把類似于三相交流電機(jī)的空間矢量控制方法用到三相VSR的控制中來(lái)。

　　設(shè)電網(wǎng)的三相電壓分別為：

　　那么，根據(jù)定義的開(kāi)關(guān)函數(shù)，其空間矢量共有8種工作狀態(tài)：（000）、（001）、（010）、（011）、（100）、 （101）、 （110）、 （111），即V0~V7.電壓空間矢量的分布位置如圖2所示。事實(shí)上，空間矢量PWM控制就是通過(guò)分配電壓空問(wèn)矢量（尤其是零矢量）的作用時(shí)間，以終形成等幅不等寬的PWM脈沖波，從而實(shí)現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡。

　　脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文"PulseWidthModulation"的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

　　現(xiàn)以圖2中的V*矢量所處的位置為例，產(chǎn)生PWM輸出的一個(gè)簡(jiǎn)便方式就是利用扇區(qū)I的相鄰矢量V4和V6,使其各自工作部分時(shí)間，從而使平均輸出滿足參考矢量的要求。

　　2 SVPWM的實(shí)現(xiàn)

　　空間矢量脈寬調(diào)制（SpaceVectorPulseWidthModulation）SVPWM的主要思想是：以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開(kāi)關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼?lái)追蹤其準(zhǔn)確磁鏈圓。傳統(tǒng)的SPWM方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)看作一個(gè)整體來(lái)考慮，模型比較簡(jiǎn)單，也便于微處理器的實(shí)時(shí)控制。

　　實(shí)現(xiàn)三相電壓型整流器的SVPWM調(diào)制時(shí)，一般應(yīng)先計(jì)算電壓空間矢量V*:再判斷V所在的扇區(qū)；然后根據(jù)扇區(qū)分配矢量與作用時(shí)間來(lái)生成三相PWM信號(hào)。

　　計(jì)算合成電壓矢量V*可根據(jù)前面的分析來(lái)進(jìn)行。而對(duì)于扇區(qū)的確定，則應(yīng)計(jì)算電壓合成空間矢量的區(qū)間號(hào)N,為此，可定義一種新的二相到三相的變換，其中uα、uβ為空間矢量V*在α、β軸上的坐標(biāo)值。其變換如下：

　　若：A>0,則X=l,否則X=O;

　　B>0,則Y=1,否則Y=0:

　　C>0,則Z=1,否則Z=0;

　　設(shè)N=X+2Y+4Z,那么：

　　若N=3,則V*位于圖2中的I扇區(qū)：

　　N=1,則V*位于圖2中的II扇區(qū)：

　　N=5,則V*位于圖2中的III扇區(qū)：

　　N=4,則V*位于圖2中的IV扇區(qū)：

　　N=6,則V*位于圖2中的V扇區(qū)：

　　N=2,則V*位于圖2中的VI扇區(qū)。

　　3 各矢量作用時(shí)間的計(jì)算

　　根據(jù)參考電壓，可直接計(jì)算空間矢量在各扇區(qū)的工作時(shí)間。若以圖2所示的位置為例，則參考電壓V*可由其所在扇區(qū)的兩個(gè)相鄰矢量V4和V6合成。即：

　　式中，t4、t6分別為矢量V4、V6的作用時(shí)間；T0為采樣周期的一半，即Ts/2;V*cosθ為參考電壓在α軸的分量；V*sinθ為參考電壓在β軸的分量。

　　化簡(jiǎn)上式得：

　　根據(jù)等式兩端虛部與虛部相等，實(shí)部與實(shí)部相等的原則，可以得出t4與t6的值：

　　依據(jù)同樣的方法，便可以求得其他扇區(qū)內(nèi)的矢量安排時(shí)間，為便于觀察運(yùn)用，在此定義三個(gè)量T1、T2、T3:

　　對(duì)于不同的扇區(qū)，Tx、Ty可按表l所列來(lái)進(jìn)行取值。Tx、Ty賦值后，還要對(duì)其進(jìn)行飽和判斷。若Tx+Ty>T,則?。?/P>

　　Tx=TxT/（Tx+Ty）

　　Ty=T2T/（Tx+Ty）

　　4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　控制電路是該整流電路的重要部分，控制電路品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響本整流電路的性能。三相電壓型整流器控制系統(tǒng)通常采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。它在電壓外環(huán)控制直流側(cè)電壓，并給電流內(nèi)環(huán)提供指令電流；而電流內(nèi)環(huán)則根據(jù)指令電流進(jìn)行電流快速跟蹤控制。電流參與控制提高了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)具有電流控制高、限流容易等優(yōu)點(diǎn)。圖3所示為三相PWM整流器的雙閉環(huán)控制原理。

　　筆者在基于理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)功率為1 kW的三相可逆整流裝置。該裝置的交流側(cè)采用三相電壓輸入，每相50 V/50 Hz,電感為12 mH.直流側(cè)參數(shù)為：負(fù)載50 Ω、輸出直流電壓150 V,電容2200μF.圖4給出了阻性滿載、半載、輕載情況下的三相輸入電流及輸入電壓的波形圖。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)本文的分析和實(shí)驗(yàn)波形，可以得出以下結(jié)論：

　?。?）隨著負(fù)載變輕，系統(tǒng)的功率因數(shù)相應(yīng)的降低了。

　?。?）在負(fù)載變輕的同時(shí)，輸入電流的THD也隨之增加了，說(shuō)明系統(tǒng)的電流跟蹤效果變差了。

　?。?）從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，系統(tǒng)在重載工作時(shí)效率較高。而隨著負(fù)載的減輕，系統(tǒng)的效率也下降。這是因?yàn)殡娐反嬖诠逃袚p耗，輕載時(shí)固有損

　　耗所占的比重較大，所以效率較低。而加載后，其所占比重逐漸減小，所以效率也相應(yīng)的增加。