基于滑模变结构控制的三相有源电力滤波器

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1    概述

    矩阵式变换器是一种强迫换相的交-交变换器,它由9个可控的双向开关,利用PWM控制将交流供电电源直接变换成负载所需的变压变频电源,其结构如图1所示。双向开关使用两个IGBT共集电极反向串联,利用器件内部的续流二极管以阻挡反向电压,结构紧凑,方便简单,开关损耗也较低。输入侧的LC滤波器可有效减少输入电流的开关频率谐波。

图1    矩阵式变换器的原理性结构图

2    EMI分析

    矩阵式变换器是AC/AC直接变换,电网和负载会相互直接影响,电网的波动会直接对负载(如异步电机)产生干扰;用IGBT和反并联二极管构成的双向开关,以及它们的控制电路DSP和CPLD等高速集成电路,都存在着高的di/dt,它们通过线路或元器件的引线电感引起瞬态电磁噪声,其频率为几千Hz,成为不可忽略的噪声源;PWM调制技术在各种电力电子装置中的广泛应用,在它们的主功率电路中,通常会流过一系列的PWM功率脉冲,其重复频率视应用场合可达几千Hz,因而这些脉冲电流中所包含的谐波可以达到几MHz乃至几十MHz的范围,而且它们产生的电磁噪声强度很大;而周围的设备和装置也会辐射电磁波,它们也成为不可忽视的干扰源。这些干扰源通过传导和辐射等方式对输出和输入电流、电压产生影响,必须想办法将其抑制或减少在可以接受的范围之内。

    世界各国对电气设备的电磁兼容性均制定了相应的标准,特别是西欧,从1996年1月开始已强制严格执行其标准,我国也有相应的标准和法规,因此,必须采用输入滤波器减少矩阵式变换器产生的开关频率谐波,本文重点介绍输入滤波器的设计。

3    减少开关过程干扰

    为了保证开关之间的安全切换,同一相输出的任意两组开关不能同时导通,否则将造成输入两相短路而产生电流峰值;三相开关也不能同时断开,否则就造成感性负载开路而感应高电压。但实际所采用的半导体开关器件IGBT不可能达到理想的瞬时导通和关断,在即将关断的器件退出导通之前,即将导通的器件不能达到理想状况的瞬时导通状态,换流时无法避免短暂的开通重叠或关断死区,因此,为了减少开关过程的干扰,安全的换流通常不能一步完成。

    四步安全换流的思想是尽量减少短路和开路的危险开关状态。从开关S1到开关S2换流过程如图2所示。

图2    同一相负载两组开关的换流示意图

    当iL>0时,四步开关顺序是:关S1n,开S2p,关S1p,开S2n

    当iL<0时,四步开关顺序是:关S1p,开S2n,关S1n,开S2p

    可见,四步换流成功地构成了对两个双向开关的换向控制,既阻止了可能使电源发生短路的开关组合,又保证了在任意时刻给负载提供至少一条流通路径,而且即将关断的器件被即将开通的器件施以反压时可以实现零电流开关,因此,采用四步换流方案可以减少50%的平均开关损耗。

    优化开关顺序是将开关顺序设置为S1,S2,S3,S0,S3,S2,S1,即采用半对称PWM开关顺序,采用优化后的开关顺序可以减少33%的平均开关损耗。