基于预测电流控制的双PWM变频器的研1

基于预测电流控制的双PWM变频器的研究
摘要：这里介绍一种新的双PWM变频转换器，因为传统的转换器含有一些缺点，比如网侧功率因数低，能量不可逆等。

在通用变频器的基础上，在二静止参考系上通过引入控制整流器采用预测电流控制策略，双PWM变频转换器可以积极地消除逆变器的交流侧谐波污染，提高功率因数，并且很好的输出稳定电压和双向功率流。

实验结果被证实是正确的和可行的。

关键词：预测电流控制，变频转换器，电压空间矢量。

1简介
在自动化领域中，交流调速系统这是一个关键议题。

随着矢量控制，脉宽调制技术，微型计算机技术，电力电子装置其他相关领域的发展，，国内外学者提出了不同的解决方案，但大多数仍然只占据理论，实际上是很少被用于商业化。

整流技术在技术领域如自动调速系统中备受关注。

近年来，随着电力电子装置的应用的日益广泛使用，谐波和无功对电力系统的污染日益严重。

在电力电子技术中消除谐波污染，提高功率因数，节约能源成为一个伟大的主题。

作为解决这个问题的方法之一的脉宽调制整流器，在任意功率因数的运行性能，直流电压稳定，反应迅速，低谐波和传输双向，都已经得到了广泛的研究。

对调速系统的整流的研究具有重要的价值和应用前景。

本文提出了一种新型的双PWM变频调速系统，结合整流和变频控制系统，取代了传统整流。

2传统频率转换器的问题
传统的转换器的结构是交-直-交，它是部分整流器中的无控和半控整流。

但结构有很多缺点：1.严重的畸变波形的高谐波会对公共电网产生污染。

2. 整流器深度控制的功率因数低，大型反应减少了发电和输电设备的利用率，产生了额外的损失。

3. 该系统不能在逆状态运转，实现能量再生。

为了解决上述问题，有人采用在通用变频器的直流侧烘烤电阻器来消耗电动马达的反馈能量。

其缺点是，能量将消耗在无效电阻上，将不利于节约能源。

如果在直流侧增加了将电机的能量反馈到电网的还款单元，该电机可实现在电机运行的四象限运行，但它需要选择自耦变压器并且容易导致失败逆转。

当务之急是提高频率转换器。

从根本上消除上述缺点，本文提出了一种新型的频率变换器，就是需要在网络侧实现正弦电流波形的整流环节，在功率因数单元运行，并实现能量双向流动。

3脉宽调制频率转换器的基本原则
双PWM变频调速系统是交-直-交变频调速系统的一种。

整流环节在双PWM变频器构成的逆频率控制系统的变换器结构中取代了传统的，由于脉冲宽度调制（脉宽调制）技术采用了两次，所以它被称为双PWM变频调速系统。

图1 双PWM变换器的主电路
双PWM变频器的主电路如图1所示。

u
a ,u
b
,u
c
——三相电压,e
a
,e
b
,e
c
——转
子力反电动势，L
1——网络侧电抗器，R
1
——网络侧等值电阻，L
2
——漏电感。

为了实现双PWM控制，主电路系统的整流和逆变桥必须采用自行关闭的电力电子装置。

脉宽调制整流器一般采用升压结构，为了实现能量传输，串联反应器作为储能元件需要在交流侧，它不同于传统的整流电路。

整流环节，采用脉宽调制技术可以得到最好的整流性能，注重整流控制是必要的。

目前的采样周期的时滞存在和数字控制基础上的三型脉宽调制整流器的控制使三型交流电流控制存在滞后，它会影响电流跟踪控制的动态性能。

为解决现有快速跟踪问题，根据电压矢量合成电流预测控制stragdy介绍为：在静态参考帧中电流预测控制是电流控制方法，电压空间矢量脉宽调制是脉冲宽度调制方法。

主要表现在以下方面：空间矢量脉宽调制提高了电压型整流器的电压利用率和电机的动态响应性能，同时还降低了电机的转矩脉动等。

此外，它容易实现数字化，简单的矢量模式切换。

4.脉宽调制整流器的电流预测控制
三相P WM整流电路如图1所示。

采用开关函数来描述振动时效的数学模型，第一单极开关函数sk定义为：
(1)
以下在二维静态参考框架（α-β）中数学模型由α，β元素表示。

(2)
(3)
在公式（2），（3）中，是控制交流电流分量的唯一可变量，我们对公式（2），（3）进行了和的时间平均，然后
（4）
（5）AV是一个控制周期的平均值,是控制周期，
假定每个控制周期的平均值,和参考数据，都是相同的，忽略,由公式（4）、（5）我们可以得到参考数据如下：
（6）
（7）假设交流电流可以在一个控制周期遵循参考电流，即在控制周期的结束有：
，
则公式（6）、（7）变为：
（8）
（9）矢量的组成部分是，,由两相旋转坐标系和两相静止坐标（2r/2s）改造，则、在两相的静态坐标中的组件可得到。

在三相静止坐标中，，
组件通过2s/3s获得。

然后根据，，的极性和图2，可以得到预期电压矢量部分。

通过2s/3s转型，如果
（10）
根据，，的波形和，得：
①Ⅰ、Ⅲ区域，＞0，则＞0；
②在Ⅲ、Ⅳ区域，＜0，则＜0；
③在Ⅱ区域，从正到负，那么从正到负；
④在Ⅴ区域，从负到正，那么从负到正。

根据上述分析，六个区域的分布如图4所示，则判断该区域在图4中的逻辑关系可推导出。

如果
（12）
（13）参照“（4）”关系如图4（b）所示，结合图4（a），向量V*的逻辑操作关系，区的判断，可以得到如下
表1发送向量的序列
时，Q
V (i)=1,否则Q
V
(i)=0，i∈〔Ⅰ～Ⅵ〕。

根据上述逻辑关系，可以判断预期
电压矢量区域。

采用零矢量V0（或者V7），并一次切换一个设备，发送的顺序如表1所示。

在一段时间内，每相桥在负的1200时是没有开关的，则切换时间减少三分之一。

在没有开关时间时，相的幅度是正还是负是主要的，大部分开关电流是可以避免
的，设备损耗大大降低，通过数参照（6）,Q
V (Ⅰ)～Q
V
(Ⅵ)是Ⅰ～Ⅵ区域中的逻
辑变量。

当向量V*在区域i中字，这很容易验证。

图2 νa *，νb*，νc *的波形和V*的检测与判断5.控制系统设计
控制系统原理图如图3所示。

参考电流iα*(t
k+1),iβ*(t
k+1
)的幅度是通过PI调节
器在电压回路中获得，相是通过检测交流电压的相位获得，交流电流
iα(t
k ),iβ(t
k
)的实际值是在电流传感器检测后通过3/2变换后得到，交流电压
的平均值uα
AV,uβAV
在一个周期内经过电压传感器检测后通过计算得出，参照由公式（8）、（9）得到的uα*、uβ*我们可以得到整流桥的中点电压，uα、uβ是通过电压空间矢量调制得到的，则我们可以使交流电流遵循参考电流。

如果参考电流的相与交流电流是一致的，实际交流电流的相和交流电压之间的差异是一个控制周期，所以交流输入功率因数的方法如1。

图3控制系统原理图
6.实验结果与分析
根据上述结果，一个10千瓦的PWM整流装置已开发。

实验参数：
=660V;
直流输出电压：V
dc
=10KW；
直流输出功率：P
图5 直流电压的波形
图6 交流侧波形频谱图
相交流输入电压：U =220V；
开关频率：f=10kHz；
加入电感：L=2.2mH；
整流器的直接电流母线电压波形如图 5所示。

结果表明：直流输出电压的纹波非常小，输出电压是不变的。

图6显示了网络侧的谐波内容和功率因数。

实验结果表明，3次，5次谐波的含量分别为1.95％，1.32％。

7.结论
本文介绍了一种新型的双PWM变频器，整流部分由开关设备组成，采用电流预测控制策略，它是解决传统变频器的网侧功率因数低，谐波污染大，能量传输等缺点，能量不能双向，实现单位的电源后运行，直流电流稳定，能量可再生，可大量的节约能源，具有改善性能的频率转换器。