上海电机学院 三相双 PWM 控制变流系统张海燕一 概述传统的整流器由二极管或晶闸管组成，由于其控制简单，工作可靠，故作为电力电子设备的电网接口在工业领域得到了广泛的应用，然而这类整流器存在以下主要缺点：（1）输入电流谐波含量较高，成为电网主要的谐波污染源；（2）从电网吸收无功功率，输入功率因数较低；（3）能量单向传递，只能从交流侧传递到直流侧；而 PWM 整流器技术较好地同时解决了以上问题，其主要特点有：（1）输入电流高度正弦化；（2）输入功率因数可调，既可运行于单位功率因数，也可完成无功补偿；（3）能量可在交流侧、直流侧间双向流动；因此研制高性能 PWM 整流器，对于未来实现传动领域大容量、高效能的电机调速系统有深远意义1． PWM 整流器工作原理（1）主电路拓扑电压型 PWM 整流器包括单相、三相以及半波、全波 PWM 整流器，它们有个共同特点就是在 PWM 整流器直流输出侧有一个电容作为储能元件图 1-1 给出了三相 VSR 的主电路拓扑结构，可以看出，主电路中采用了 6 个开关管，此结构与三相逆变器的结构非常相似，但是，其主电路的输出是直流侧，而三相逆变器的输出是交流侧。
主电路中交流侧有 3 个滤波电感，用来滤除网侧电流的谐波图 1-1 三相 VSR 主电路拓扑图（2）工作原理PWM 整流器采用了全控器件，不同于一般传统意义上的 AC/DC 变换器由于电流在其主电路中具有双向流动性，这就决定了 PWM 整流器能够工作于不同的状态当 PWM 整流器从电网吸收能量时，它就运行于整流状态反之，若 PWM 整流器向电网传输能量时，PWM 整流器就工作于有源逆变状态实际上，PWM 整流器是一个其交、直流上海电机学院 侧均可控的四象限运行的变流装置图 1-2 PWM 整流器等效模型PWM 整流器可以等效为如图 1-2 所示的模型电路从图 1-2 可以看出：PWM 整流器模型电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成交流侧电压、网侧电流分别为 ，)(tVjN， （j=a,b,c） ，直流侧电压、电流为 ， 由交直流功率平衡关系，有tIj dcV)(ti（2-1 ）所以，从交流侧就能控制直流侧的各个量对于交流侧，根据图 1-2，可以得到式（2-2 ）E= +V （2-2）LV式中 E 为电网电动势， 为电感两端的电压，V 为交流侧电压，从而可以得到如图 1-3的静态矢量关系。
忽略各量的谐波分量，并且忽略交流侧电阻，若保持| I |不变，则| | =ωL| I |也固定不变，LV随着 V 的变化， 的变化轨迹将是一个以 | |为半径的圆对于（图 1-3）a，可以看到，当L LPWM 整流器纯电感特性运行时，网侧电流 I 与电网电压 E 相位角为 90 度此时 V 处于与 E同相位；若改变 V，使之处于（图 1-3）b 的位置，此时可以看到 I 与 E 同相位，此时就是所说的单位功率因数运行状态；若 V 到达（图 1-3）c 的位置时，I 超前于 E 的相位角 90 度，此时处于纯电容特性运行；（图 1-3）d 所示的是 V 处于 D 点时，其电流与 E 反相位，处于负阻性运行状态图 1-3 PWM 整流器交流侧静态矢量关系从图中还可以看出，当 V 矢量的端点在 AB 圆弧运动时，PWM 整流器运行于整流状态，需从电网中吸收有功及感性无功功率，电能从电网流向负载并在 B 点实现单位功率因数运行，只吸收有功功率；而在 A 点只吸收无功功率；在 BC 圆弧上运动时，PWM 整流器运行于整流状态，需从电网中吸收有功及容性无功功率，电能从电网流向负载；在 CD 圆弧上运动时，处于有源逆变状态，向电网传输有功功率及感性无功功率；在 DA 段运动时，处于有源逆变状态，向电网传输有功功率及容性无功功率。
2． PWM 整流器数学模型与控制策略（1）三相 PWM 整流器的数学模型假设：上海电机学院 （a）电网电动势为三相平衡的、纯正弦波电动势b）网侧滤波电感 是线性的，其内阻为 且不考虑饱和LLR（c）功率开关管的导通电阻为 ，实际的开关等效为理想开关与 串联模型三相电网s sR电动势为[ ]，三相网侧电流分别为[ ]，直流侧负载为电阻 ，直流电动势为 aebc aibc LLe将三相 VSR 功率开关管的损耗等效电阻与电感内阻合并为 ，即 采用基尔霍夫s定律建立三相 VSR 回路方程，可以得到：（3-1）)(0Nadcaa vSeRidtL（3-2）bcbb（3-3）)(0Ncdcc vSeidt（3-4）cbaLc iivC式中 ， ， 是三相桥臂的开关函数，其值为 0 或 1， =1 表示下标对应的桥臂上aSb S管导通，下管关闭， =0 表示下标对应的桥臂上管关闭，下管导通，Vn0 是电源中心线和直流电容中点的电压差 ，电流方程的节点是直流侧电容一端的节点考虑到三相平衡， + + =0， + + =0，则有aebcaibc（3-5）cbkdNSv,03（3-6）cadcii（2）三相 VSR dq 控制策略结合式（3-1）到（3-6） ，将三相静止坐标系转化为两相同步旋转坐标系，得到：dcdqd Ldqdc SveRiLti iitvC)_(3其模型结构图 1-4：图 1-4 dq 模型结构图上海电机学院 （3）SPWM 空间矢量控制策略在目前的 PWM 调制方法中，空间矢量调制法可以获得更高的直流电压利用率和更低的输出谐波，因而得到广泛的应用。
另外，由于目前 TI 2000 系列 DSP 内部都有空间矢量发生器，从而使得这一调制方法应用更为方便下面介绍一种软件生成空间矢量调制的方法图 1-5 画出了几个基本的空间矢量以及扇区分布，图中所示的是两相固定坐标 ，可以从旋转坐标 经坐标变换得来，具体变换公式如下所示：dq（2-7 ）cosindquu是转子磁场轴 与 坐标之间的电角度图 1-5 空间矢量图其扇区计算公式为： avu1(3)2bc如果 ，则 ，否则 ；0av:1A:0如果 ，则 ，否则 ；bB如果 ，则 ，否则 .c:C:则扇区为： 24nABC令： 312XuYZ每个扇区中电压矢量的作用时间如表 1-1 所示 n1 2 3 4 5 61tYXY2XZZ表 1-1 不同扇区中电压矢量的作用时间另外定义：上海电机学院 12aonPWMRDttbaon2cttDSP 内相应的寄存器设置如表 1-2扇区 n1 2 3 4 5 6CMPR1 bontaontaontcontcontbontCMPR2 acbbacCMPR3 ctbtctatbtat表 1-2 DSP 内比较寄存器的设置3． 系统控制原理框图PWM 整流器系统控制原理框图如图 1-6 所示。
图 1-6 三相 PWM 控制器原理框图由于输入电感的滤波作用，整流器交流侧的输入可近似认为是三相正弦电流，输出呈直流电压源特性，稳态时的输出直流电压可保持不变一般情况下，要求控制输入电流与输入电压同相位，即输入功率因数为 1通常采用直流电压外环和输入电流内环的双闭环控制方式从图中可知：主电路中三相电网输入电压通过自耦调压器调压，经过 RL 滤波后送到 AC/DC变换器中本系统中 AC/DC 变换器为内部集成有六个 IGBT 管的预驱动、过压、过流、过温保护于一体的智能 IPM，控制简单，体积小变换器输出直流电压通过电容平波，最后连接负载控制电路部分以 TMS320LF2812 DSP 为核心，周边电路包含三相交流电压采样电路，三相交流电流采样电路，直流输出电压采样电路，PWM 输出整形电路，PWM 波形隔离与驱动电路，保护处理电路等控制算法全部在 DSP 内完成图 1-6 虚线框内为控制算法部分上海电机学院 （二）数字 PID 原理简介图 2-5 所示是 PID 控制框图图 2-5 PI 调节器控制框图目前常用的数字 PID 算法主要有以下两种：1）位置式 PID 1()()()[())]KpiduKTeeTeKT2）增量式 PID ()()()()[()2()(2)]p ideT A其中 为调节器第 个周期的输出信号； 为调节器的误差信号； 为比例系ep数； 为积分系数， ； 为积分时间常数； ； 为微分时间常数。
iK/ipii pdPID 调节器参数对控制性能会造成很大的影响，以下进行简要分析：1． 比例系数 对系统性能的影响p1）对动态特性的影响：比例控制 加大，使系统的动作灵敏，速度加快； 偏大，pKpK振荡次数加多，调节时间加长；当 太大时，系统会趋于不稳定若 太小，又会使系统p的动作缓慢2）稳态特性的影响：加大比例控制 ，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，提高p控制精度，但加大 只减小误差，却不能完全消除稳态误差pK2． 积分系数 对控制性能的影响i1）对动态特性的影响：积分控制 通常使系统的稳定性下降， 太小，系统将不稳定；ii偏小，振荡次数较多； 太大，对系统性能的影响减少但 合适时，过渡特性比较理想ii i2）静态特性的影响：积分控制 能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度但i若 太大，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差i3． 微分系数 对控制性能的影响d微分控制不能单独使用，经常与比例控制或积分控制联合作用，构成 PD 控制或 PID 控制微分控制的作用，实质上是跟偏差的变化速率有关，通过微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，可以较好地改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减少，提高控制精度等。
但当 偏大时，超调量较大，调节时间较长当 偏小时，d d上海电机学院 同样超调量和调节时间都较大只有 取得合适，才能得到比较满意地控制效果d把三者的控制作用综合起来考虑，不同控制规律地组合，对于相同地控制对象，会有不同地控制效果一般来说，对于控制精度要求较高地系统，大多采用 PI 或 PID 控制。