维普资讯 http://www.cqvip.com 《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第２期 电气传动 Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｒｉｖｅｓ Ｐ Ｗ Ｍ整流器直接电流控制 技术 郑 征。田俊祥 （河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作４５４０００） 摘要：总结了ＰＷＭ整流器直接电流控制的几种控制策略，分析了其工作原理和优缺点，展望了直接电流控制技术的发展趋势。 ．文章编号：１００３—７２４１（２００７）０２—００７３—０３ 关键词：ＰＷＭ整流器；直接电流控制 中图分类号：ＴＮ３５ 文献标识码：Ｂ Ｔｈｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＰＷＭ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ＺＨＥＮＧ Ｚｈｅｎｇ，ＴＩＡＮ Ｊｕｎ－ｘｉａｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｉｒｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４０００ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ＰＷＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ａｌｓｏ ｏｕｔｌｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＷＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ １引言 随着电力电子技术的发展，功率电子设备的应用越来越广 括交流电动势Ｅ、网侧电阻以及网侧电感Ｌ等；直流回路包括电容 Ｃ、负载电阻ＲＬ及负载电动势ｅＬ等；功率开关管桥路由六个带反 并联二极管的ＩＧＢＴ组成【ｌ１。 泛，致使大量的非线性负载涌入电网，给电力系统的电压和电流 都带来了越来越严重的谐波污染。而ＰＷＭ整流器提高了系统的 功率因数，降低了对电网的谐波污染，得到了人们的重视【ｌｌ。 根据输入电感电流状态ＰＷＭ整流器可分为电流断续工作模 式（ＤＣＭ）和电流连续工作模式（ＣＣＭ），由于ＣＣＭ模式具有 输入输出电流纹波小、滤波容易、器件导通损耗小、适用于大功 率场合等优点，得到了更多地关注。在ＣＣＭ模式中，根据是否 直接选取瞬态电感电流作为反馈量，又可分为直接电流控制和间 接电流控制。间接电流控制结构简单、无需电流传感器，但是它 最大的缺点是电流动态响应缓慢，甚至交流侧电流中含有直流分 图１三相电压型Ｐ州整流器拓扑结构图 量，且对系统参数波动较敏感。相对于间接电流控制，直接电流 控制把整流器的输入电流作为反馈和被控量，形成电流闭环控 制，使电流动、静态性能得到了提高，同时也是网侧电流控制对 系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性［２Ｉ 。所以， 直接电流控制技术有着非常广阔的应用前景和使用价值。 ＰＷＭ整流器的控制思路是在保证直流侧电压稳定的情况 下，使交流侧的电流与电压尽可能地保持同相位，从而使交流侧 的功率因数为１。 ３ ＰＷＭ整流器直接电流控制技术分析 直接电流控制根据控制方式的不同，又可分为峰值电流控 制、滞环电流控制、平均电流控制、预测电流控制、单周控制、 ２ ＰＷＭ整流器拓扑结构图 电压型ＰＷＭ整流器的拓扑结构如图１所示，它主要由三部 分组成：交流回路、功率开关桥路、直流回路。其中交流回路包 ・基金项目：河南省自然科学基金项目（０ ４ｌ１ ０ ５ ０ ６ ０ ０） 收稿日期：２ ００６－０８－２ ２ 无差拍控制、滑模变结构控制、状态反馈控制、模糊控制等。 ３．１峰值电流控制 峰值电流控制的原理是实时比较实际电流和指令电流瞬时 维普资讯 http://www.cqvip.com ，誓≯ 蘸曩 电气传动 《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第２期 一 ｌ 一 ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ｄｒｉｖｅｓ 值的大小，指令电流值是实际电流的上限，实际电流一旦达到这个 上限，立刻转而向下衰减，电感值的大小，线路的阻抗和脉宽调制 的开关频率影响了这一衰减的最终值。其控制原理框图如下。 图２峰值电流控制原理框图 峰值电流的优点：①暂态闭环响应较快，对输入电压的变化 和输出负载的变化的瞬态响应蚜陕；②控制环易于设计；③输入电 压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美；④简单 自动的磁通平衡功能；⑤瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐 个脉冲限流功能；⑥自动均流并联功能。缺点有：①占空比大于 ５ 时开环不稳定陛，峰值电流与平均电流的误差难以校正；②闭 环响应不如平均电流模式控制理想；③占空比大于０．５时系统产生 次谐波振荡；④对噪声敏感，抗噪声性差；⑤电路拓扑受；⑥ 对多路输出电源的交互调节性能不好Ｉ４ｊ。 ３。２滞环电流控制 滞环电流控制方式作为峰值电流控制方式的改进，只是增 加了一条电流衰减的下限。其原理仍然是指令电流和实际电 流的实时值比较，实际电流达到上限指令电流，随即转人衰减， 衰减至下限指令电流，重新开始上升，如此反复，实际电流将是 图５预测电流控制原理框图 一条在上下限指令电流跳动的锯齿波。 ３．５无差拍控制 无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术基础之上发展 起来的全数字化控制技术，利用前一时刻的电流参考值和各种开 关状态下变流器的电流输出值，根据空间矢量理论计算出整流器 下一时刻应满足的开关模式，选择这种开关模式作为下一时刻的 图３滞环电流控制原理框图 开关状态，从而达到电流误差等于零的目标。采用无差拍控制的 其控制原理图如图３所示，图中将指令电流 和实际电流 优点数学推导严密、跟踪无过冲、动态性能好，易于计算机执行， 进行ＩＺ较，两者的偏差△ｆ 作为滞环比较器的输人，通过滞环 可以消除稳态误差，并在最短的时间内结束过渡过程但它也存 比较器产生控制电路主电路中开关通断的ＰＷＩＶ［信号，该ＰＷＭ 在鲁棒性较差、瞬态响应超调量大、计算实时『生强因而对硬件要 信号经驱动电路控制功率器件的通断，从而控制电流 的变化。 求很高等缺点。随着数字信号处理器应用的不断普及，这是一种 滞环电流控制的优点是结构简单，实现容易，具有很强的鲁 很有前途的控制方法【７ｌ。 棒性和快速动态响应能力。缺点是开关频率不固定，滤波器设计 ３．６单周控制 困难，需要对电感电流全周期的检测和控制。 单周控制又称为积分复位控制，其基本思想是通过控制开 ３．３平均电流控制 关占空比，在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相 平均电流控制的工作原理是将电感电流信号与锯齿波信号 相加，当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，当其和小于 基准电流时，开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开 关电流。其控制原理图如图４。 平均电流控制的优点是：①平均电感电流能够高度精确地跟 踪电流编程信号；②调试好的电路抗噪声性能优越；③适合于任何 图６单周控制原理图 维普资讯 http://www.cqvip.com 《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第２期 电气传动 ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ｄｒｉｖｅｓ 等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差， 前一周期的误差不会带到下一周期。其控制原理图如图６所示。 单周控制能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有 反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗电源干扰、控 制电路简单等优点，是一种很有前途的控制方法。缺点：需要快 速复位的积分电路【８】。 ４总结与展望 直接电流控制是三相高功率因数整流器的主要控制方式， 也是我们以后研究的重心。利用各种控制策略的优缺点，采用多 种控制策略相结合，形成互补关系，达到理想的效果，这也是控 制技术发展的一个方向。新的直接电流控制策略的研究将是另一 个方向。随着数字信号处理器的普遍应用和人工智能技术的逐渐 成熟，数字控制和智能控制也将是我们研究的目标，这将是直接 电流控制技术的发展的主流。 ３．７滑模变结构控制 滑模变结构控制作为一种非线性控制，与常规控制的根本 区别在于控制的不连续性。它利用一种特殊的滑模控制方式，强 迫系统的状态沿着人为规定的相轨迹滑到期望点，由于给定的相 参考文献： 【ｌ】张崇巍，张兴．ＰｗＭ整流器及其控制【Ｍ】．北京：机械工业 出版社，２００３． 轨迹与控制对象参数以及外部干扰变化无关，因而在滑模面上运 动时系统具有比鲁棒性更加优越的不变性，可保证系统是渐近稳 定的。尤其可贵的是其算法简单，易于工程实现［９１１ ｏ】。 【２】 张笑微，李永东，刘军．ＰＷＭ整流器电流控制策略的研 ３．８状态反馈控制 状态反馈控制是针对电流型可逆整流器输入滤波器容易出 现振荡以消除振荡的控制方式。其控制原理图如下。 究【Ｊ】．电工技术杂志，２００３，（１２）：５７—５９． 【３】 王也仿．Ｐ Ｗ Ｍ整流器的直接电流控制策略和控制器的 设计【Ｊ】．科技通报，２００５，（９）：５８０—５８３． 【４】吴振军，鲁静，赵坤，高金峰．降低Ｂｏｏｓｔ型变换器电磁干 扰水平的峰值电流控制方法【Ｊ】．郑州轻工业学院学报，２００４，ｌ９（１） ．３４－３７． 【５】杨汝．平均电流模式的控制电路设计【Ｊ】．电力电子技术， ２００２。３６（４）：６６—６９． 【６】朱俊杰，王辉，周凯．三相ＰＷＭ高功率因数整流器控制 技术综述【Ｊ】．湖南工程学院学报，２００４，（９）：ｌ９—２２． 【７】张志刚，黄守道，任光法，陈继华．三相电压型ＳＶＰＷＭ整 流器控制策略研究【Ｊ】．长沙大学学报，２００４，（１２）：３３—３６． 【８】 周雒维，罗全明，杜雄，苏向丰．高效率积分复位控制三 相Ｂｏｏｓｔ型功率因数校正【Ｊ】．中国机电工程学报，２００３，２３（１）：ｌ６一ｌ９． 【９】 王风岩，许峻峰，许建平．开关电源控制方法综述【Ｊ】．机 车电传动，２００６，（１）：６一ｌ０． 【ｌ０】李正熙，李久和，李华德．电压型ＰｗＭ整流器非线性控 制策略综述【Ｊ】．电器传动，２００６，３６（１）：９一ｌ３． 【ｌｌ】姜静，伍清河．模糊滑模变结构控制技术的应用研究【Ｊ】． 电光与控制，２００６，ｌ３（２）：４ｌ－４４． 【ｌ２】朱桂萍，王树民．电能质量控制技术综述【Ｊ】．电力系统自 动化，２００２，（１０）：２８－３１． 图７状态反馈控制原理框图 ３．９模糊控制 １９９８年，Ｄ．Ａ．Ｔｏｒｒｅｙ等将模糊控制引入到ＰＷＭ整流器领 域。模糊控制是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻 辑的规则推理为理论基础的一种计算机控制方法。其控制原理是 先将确定性的输入量进行模糊化，利用模糊推理得到模糊输出， 再用清晰化的方法得到输出的确定量。其中，输入输出之间的关 系是一组控制规则，而不是传统的数学表达式。目前模糊控制还 需要和其他控制相结合，才能达到较好的效果［１ＯｌＩＩ］。 另外还有一些其他的控制策略，比如基于Ｌｙａｐｕｎｏｖｑ￣线性 大信号方法控制、二次型最优控制、神经网络控制等，这些控制 方法都还不很成熟，还需要人们进行研究［１２】。 作者简介：郑征（１ ９ ６ ５一），女，副教授，研究方向：电气传动与 电力电子。 （上接第７５页） 析网络通信中的时廷及其产生原因，并结构实现了以网络作为媒介 制系统的研究．中国电工技术学会第七界学术年会论文集【Ｃ】． ２００１：１９３—１９７． 进行远程控制的系统。本文从Ｓ域输入输出模型分析了网络时延 的特性和补偿方法，设计了相应的时延补偿器，补偿效果良好。 目前因特网已经成长为世界上规模最大、应用最广泛的计 算机网络，并且有着开放、互连的特性，这为真正意义上的远程 【２】ＤＯＵＧＬＡＳ Ｅ ＣＯＭＥＲ．Ｉｎｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ＴＣＰ／ＩＰ Ｖｏ Ｉ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［Ｍ】，Ｆｏｕｒｔｈ Ｅｄｉｉｏｎ，ｔ ＥｎｇｌｅＷｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ－Ｈａｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ｆｎｃ，２０００Ｉｉ １２３－１３１． Ｉ３】Ｗ．Ｒ．ＦＥＲＲＥＬ，ＲＥＭＯＴＥ．Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｔｒａｎｓｍｉｓ－ ｓｉｏｎ Ｄｅ］ａ．ｙ［Ｊ】，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃ￣ｏｎ ｏｎ Ｈｕｍａｎ Ｆａｃｔｏｒｓ ｉＩｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｌ９６５（３）：２４－３２． 控制提供了必要的技术平台，使远程控制技术的发展进入了一个 新时代。 【４】 柯于辉，李红艳，李承军．基于互连网的过程控制系统的 安全性设ⅢＪ】．华中科技大学学报，２００４（９）：２２—２４． 参考文献： 【ｌ】任长清，吴平东，王晓峰，等．基于ＴＣＰ／ＩＰ网络的远程控 作者简介：仲志燕（１ ９ ７ ７一），女，江苏镇江人，讲师。主要 从事信号检测与控制方向的研究。
