三相电压源整流的低成本设计研究

三相电压源整流的低成本设计研究

任靖超

黑龙江盛安民用爆破器材有限责任公司双鸭山分公司 155100

摘要：通过智能功率模块，并结合VSR整流器，能集成PWM整流器，然而模块所需成本较高，对于开关频率的支持，存在一定的局限，进而增加了额外的成本。针对网压定向，通过其矢量控制策略，对VSR整流器进行设计，主要包含以下方面内容：基于分立逆导开关，来形成三相H桥；通过串联分流电阻的方式，并对电阻压降进行测量，以此实现对三相网流的重构；基于对电路的分压以及隔离，得到电压极性，采用开环锁相方式，来获取电压相位。

关键词：网流重构；VSR整流器；网压锁相

引言：在家用变频空调中，往往会因为二极管整流器，进而形成谐波电流，为对此电流进行抑制，常常基于功率因数校正的方式。针对网侧电流，如果其数值达到40安，或者功率达到8千瓦，则二极管整流器不再发生作用，由此需使用三相变换器。

1.研究背景

对于三相变换器而言，在对谐波电流进行抑制时，可采用两种措施，一是无源校正，二是有源校正。对于无源校正而言，就是在网侧添加滤波器，并调整好相关的参数，即可获取功率因素。此方案便于运用，所需成本较低，有着较好的可靠性，不过也存在不足，质量和体积相对较大，技术含量并不高，需投入较高的物流费用。对于有源校正而言，也就是通过三相有源变换器，来获取功率因数。此方案不易进行操作，在可靠性上来看，与设计有很大的关系，有着较高的功率密度，体积相对较小，技术含量较高，不过所需成本较大。在三相有源变换器中，对于VSR整流器而言，其电压等级并不高，可对功率因数进行调节，而且具备象限工作能力，有着较为成熟的算法，比如调制算法，不过成本相对较高，在变频空调中，欠缺一定的适用性，基于此，对三相可控整流器进行研究是相当重要的，有着很大的意义。

2.网流重构及网压锁相

通过对以下技术的使用，能实现三相电源整流器，与变频空调的标准是相符的，所需成本较低，而且有着较大的功率。采用矢量控制器；通过分立逆导开关，来形成三相H桥，为高频率开关提供支持；采用分流电阻压降技术，实现对三相网流的重构；依据分压电路，并对电路进行隔离，可得到线电压的极性，通过软件锁相环的作用，进而能获取电压相位信息。通过实测结果得知，针对三相电压整流器，以上技术是可行的，能实现经济成本的降低。

2.1网流重构

针对于三相VSR而言，其控制对象主要包括正弦波形、输出直流电压，以及三相网流，由此针对于三相网流以及输出电压，需对两者的瞬时值进行检测。在对三相网流进行检测时，主要包括两种检测方法，一种是直流重构，另一种是直接检测。当采用直接检测方法的时候，需借助于放大器、电流互感器以及分流电阻，进而对三相网流进行直接测量。对于电流重构而言，需采用分流电阻，来对电流波形进行检测，同时也可借助于分流电阻，并结合电流互感器，来进行重构。对于分流电阻重构方式而言，便于进行检测，有着较高的精度，检测所需成本并不高。

2.2网压锁相

对于过零锁相方法而言，主要基于软件来进行计算，通过硬件来进行检测，如图1所示为过零锁相电路。在通过分压之后，将三相电压接入反馈开路中，依据与光耦输入端进行相接，经过光耦输出端，将方波电压进行输出，用低电平来表示负极性，用高电平来表示正极性，通过极性切换，来表示线电压过零。经过方波电压，来实现对外部捕捉口的送入，对于正负边沿而言，皆可促发捕捉服务程序，对极性切换时刻进行记录，针对于线电压，在算出其正半周的同时，也可计算负半轴时长，相应的电角度为180度，针对于每0.5个电源周期，进行1次的调节，由此可获取线电压波形，之后采用锁相程序（如图2所示），进而可获取相电压相位信息。对于此种过零锁相而言，其硬软件结构较为简单，在电气上采用了隔离的方式，在电网频率波动不大的情况下，有着较好的适用性。

图1 过零相锁电路

图2 过零锁相程序

3.试验结果及分析

基于图3的控制框图，针对于其电流和电压检测，改成网流重构环节，以及网压锁相环节，以此形成三相整流器，而且功率器件是分立的，将功率设为10千瓦。对于所采用的分立器件而言，是附带续流二极管的。基于期望输出电压，将其平均值设为650伏特，开关频率大小为10千赫兹。在整流器末端接上逆变器，以此形成交直交变频器。针对于锰铜合金电阻，将其分流电阻设为每5瓦4兆欧，采用贴片安装的方式，公差处于上下0.5%的范围。电平转换器的型号为73HC450D，电压值介于3.3伏特至5.0伏特之间。在电容器组方面，使用了6只的电解电容，将其中3只电解电容进行并联之后，才能进行串联。在电源供电上，采用三相交流程控方式，三相电压数值为380伏特，工频大小为50赫兹。在网侧添加滤波器，对于3只升压电感而言，实质上是硅钢电感，电流数值为20安。在逆变器的输出端，将RL串联负载进行连接，功率达到最大时为1千瓦，额定电流大小为25安，电阻为5欧姆。通过RS485通信，能对输出功率进行调节。结合变频空调的设计标准，来对控制与功率电路进行开发，通过试验的进行，实现了整流器样机，功率可达到10千瓦。对于电流和电压闭环而言，使用了PI调节器，然而在参数选取方面存在一定的差异。针对输出电压，可将其平均值维持在659伏特左右，在重载的情况下，纹波电压低至15伏，有着较好的动态性。对于网测电流而言，有着很高的正弦度，功率因素能至0.99。通过试验得知，对于过零锁相来讲，在软件计算方面有着较好的稳定性，而且抗扰能力是很强的。在对网流进行测量时，通过下管分流电阻方式，能实现对三相网流的精准重构，可对过流进行有效的保护。

图3 矢量控制框图

结论：通过以上分析得知，在对三相网流进行检测时，主要包括两种检测方法，一种是直流重构，另一种是直接检测；对于过零锁相而言，其硬软件结构较为简单，在电气上采用隔离的方式，在电网频率波动不大的情况下，有着较好的适用性；结合变频空调的设计标准，来对控制与功率电路进行开发，通过试验的进行，实现了整流器样机，功率可达到10千瓦。

参考文献：

[1]李晖,台流臣.一种用于三相电压型PWM整流器的新型三矢量模型预测直接功率控制[J].广东电力,2020,33(07):64-71.

[2]卢广震,李明冬,雷淮刚,杨喜军,唐厚君.三相电压源整流器的低成本设计[J].电气自动化,2019,41(01):90-93.