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1、专业好文档三相双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
2、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
3、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、直流侧均可控的四象限运行的变流装置。图1-2PWM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，（j=a,b,c），直流侧电压、电流为，由交直流功率平衡关系，有 （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）式中E为电网电动势，为电感两端的
4、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| =L| I |也固定不变，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PWM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1-3PWM整流
5、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：（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
6、是线性的，其内阻为且不考虑饱和。（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。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。采用基尔霍夫定律建立三相VSR回路方程，可以得到： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）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 （3-5） （3-6）（2）三
7、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：其模型结构图1-4：图1-4dq模型结构图（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： （2-7）是转子磁场轴与坐标之间的电角度。图1-5空间矢量图
8、其扇区计算公式为：如果，则，否则 ；如果，则，否则 ；如果，则，否则 .则扇区为：令：每个扇区中电压矢量的作用时间如表1-1所示。 123456表1-1不同扇区中电压矢量的作用时间另外定义：DSP内相应的寄存器设置如表1-2。扇区123456CMPR1CMPR2CMPR3表1-2DSP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
9、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。（二）数字PID原理简介图2-5 所示是PID控
10、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PID2）增量式PID 其中为调节器第个周期的输出信号；为调节器的误差信号；为比例系数；为积分系数，；为积分时间常数；为微分时间常数。PID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1）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，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，提高控制精度，但加大只减小误差，却不能完全消除稳态误差。2
11、 积分系数对控制性能的影响1）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；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。2）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。但若太大，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。3 微分系数对控制性能的影响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。
12、但当偏大时，超调量较大，调节时间较长。当偏小时，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。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。Winger Tuivasa-Sheck, who scored two tries in the Kiwis 20-18 semi-final win over England, has been passed fit after a lower-leg injury, while Slater has been named
13、 at full-back but is still recovering from a knee injury aggravated against USA.Both sides boast 100% records heading into the encounter but Australia have not conceded a try since Josh Charnleys effort in their first pool match against England on the opening day.Aussie winger Jarryd Hayne is the co
14、mpetitions top try scorer with nine, closely followed by Tuivasa-Sheck with eight.But it is recently named Rugby League International Federation player of the year Sonny Bill Williams who has attracted the most interest in the tournament so far.The Kiwi - with a tournament high 17 offloads - has the chance of becoming the first player to win the World Cup in both rugby league and rugby union after triumphing with the All Blacks in 2011.Id give every award back in a heartbeat just to get across the line this weekend, said
