摘要：本文研究了三相PWM整流器的直接功率控制（DPC）原理，結(jié)合一種專門(mén)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)表對(duì)有功和無(wú)功功率進(jìn)行Bang-Bang控制。通過(guò)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)表明，直接功率控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高功率因數(shù)，穩(wěn)定的直流輸出電壓和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：PWM整流器；直接功率控制；DSP 1 引言 隨著電力電子裝置不斷用于各個(gè)領(lǐng)域，其中大量使用的不控整流設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)能量的單向傳輸，并且功率因數(shù)低，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染十分嚴(yán)重。應(yīng)用直接功率控制（DPC）的三相PWM整流能有效改善電流波形的畸變，獲得高功率因數(shù)；而且相對(duì)于電流控制的PWM整流器，它省去了內(nèi)部的電流環(huán)，減少了參數(shù)調(diào)試，在數(shù)字實(shí)現(xiàn)中無(wú)需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，直接對(duì)有功和無(wú)功功率運(yùn)用Bang-Bang控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。 2 系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略 2.1 三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型 圖1為三相PWM整流器主電路圖，定義A相的開(kāi)關(guān)信號(hào)為Sa，則Sa=1時(shí)，VT1開(kāi)通，VT2關(guān)斷； Sa=0時(shí)，VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通。同樣的定義B相和C相開(kāi)關(guān)信號(hào)為Sb和Sc。Ud為直流電壓，L為濾波電抗器的電感（此處忽略電阻），C為直流側(cè)的電容，RL為負(fù)載，iL為負(fù)載電流。則得到三相PWM整流器開(kāi)關(guān)數(shù)學(xué)模型如式（1） 從上式可以看出，三相PWM整流器系統(tǒng)工作原理主要是通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)器件有效的控制，使得橋臂終端a，b，c電壓為一雙極性SPWM調(diào)制脈沖序列。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率足夠高時(shí)，根據(jù)傅立葉分析，橋臂端電壓為基波交流電壓和高次諧波電壓疊加而成，電感 平衡和抑制高次諧波電流，緩沖橋臂脈沖序列中的無(wú)功功率，從而獲得與網(wǎng)側(cè)電壓同相位的電流。 2.2 DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略 由式（2）得出：在一定的電網(wǎng)電壓下，通過(guò)設(shè)定有功功率和無(wú)功功率，就有確定的三相電流狀態(tài)。即控制有功功率和無(wú)功功率兩個(gè)量可以實(shí)現(xiàn)上文所述的對(duì)電流的控制。 本文研究的三相PWM整流器的DPC主要是基于瞬時(shí)功率的概念。傳統(tǒng)的有功功率、無(wú)功功率都是定義在平均值基礎(chǔ)上的，它們只適用于電壓、電流為正弦波的情況；而瞬時(shí)功率的概念對(duì)正弦、非正弦電壓 2.3 DPC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)核心控制芯片為T(mén)I公司的TMS320F2812 DSP芯片，采用該芯片有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）指令周期為6.67ns（150MHz）； （2）內(nèi)部集成128K的FLASH ROM和18K的SRAM，編程方便； （3）具有豐富的外設(shè)，有多達(dá)16個(gè)通道的12位的ADC，單路轉(zhuǎn)換時(shí)間僅60ns，事件管理器（EV）可以方便的控制PWM輸出 系統(tǒng)主電路中采用三菱公司的IPM功率模塊PM75CSA120，它具有最高20kHz的穩(wěn)定工作頻率，集成了完整的三相功率回路，最優(yōu)的IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)，完善了對(duì)短路、過(guò)流，溫升過(guò)高和欠壓的保護(hù)，特別適用于變流裝置。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 基于前述的PWM整流器原理及DPC控制策略，研制了一臺(tái)樣機(jī)。前級(jí)采用自耦變壓器降壓作為整流橋輸入，整流系統(tǒng)的進(jìn)線濾波電感為8mH，電阻忽略不計(jì)，工作頻率20kHz。直流母線濾波電容為兩個(gè)450V/4700μF電容串連。 3.1 穩(wěn)態(tài)波形 圖4（a）為穩(wěn)態(tài)輸入的相電壓和相電流波形，由圖可見(jiàn)，電壓電流相位相同，其中電流近似正弦波，但在波峰處仍有一定的毛刺，這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的信號(hào)采集部分有很小的相位遲滯，所以對(duì)瞬時(shí)功率的控制存在一定的滯后。圖4（b）為穩(wěn)態(tài)時(shí)的網(wǎng)側(cè)的輸入有功和無(wú)功功率波形，它們由式（7）計(jì)算后輸出到一個(gè)12位DAC芯片得到的，DAC輸出最高電壓2.5V，波形中P的平均值大約為340mV，計(jì)算之得：P=0.34/2.5*4095=556.92W，與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)相符。無(wú)功功率在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，近似為零。可見(jiàn)采用DPC控制策略的PWM整流器功率因數(shù)近似為1，具有良好的輸入特性。 3.2 負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 圖5為負(fù)載從100Ω變化到50Ω，輸出功率增大，輸出直流電壓、網(wǎng)側(cè)電流和有功無(wú)功的動(dòng)態(tài)波形。從圖5可以看到，輸出直流電壓基本不變。網(wǎng)側(cè)電流和有功功率經(jīng)過(guò)大約40ms后在新的狀態(tài)下穩(wěn)定，顯示了DPC的快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和良好的輸出特性。 4 結(jié)論 應(yīng)用直接功率控制的PWM整流系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了VOC控制策略中的電流環(huán)和復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，參數(shù)調(diào)試量少，動(dòng)態(tài)性能好。在此基礎(chǔ)上研制了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了控制算法的高效性。