基于SVPWM控制的三相电压型PWM整流器系统的研究

系统 主 电 路 选 用 三 菱 公 司 的 IPM 产 品 PM20CSJ 060 智能功率模块 , 整个系统采用双闭环 控制 ,即电流内环和电压外环 。电压外环的作用是 控制三相 PWM 整流器直流侧电压 udc , 根据 udc 的 大小决定整流器输出功率的大小和方向以及三相电 流给定信号 。电流内环的作用是按电压外环输出的 电流指令进行电流控制 , 使整流器的实际输入电流 能够跟踪电流给定 , 如实现单位功率因数正弦波电 流控制 。 3. 1 电流内环设计 电流内环的重要作用就是获得较快的电流跟随 性能 ,抑制超调量 , 所以笔者把电流环校正为典型 Ⅰ 阶系统 ,按二阶最佳系统设计 ,即ξ= 0. 707 , 超调 量σ% ≤ 5 % 。假定给定电压在 PWM 线性调制区 没有饱和 ,完全被解耦 ,同时根据小惯性环节的处理 方法 ,得到电流内环简化结构 ,如图 4 所示 。 图 4 中 , T s 为电流内环电流采样周期 ( 亦即 PWM 开关周期 ) , Kpwm 为桥路 PWM 的等效增益 , 这里取 Kpwm = 20 。取 R = 0. 5 Ω , L = 3 m H ,开关频 率 f = 10 k Hz , 采用二阶最佳设计方案 , 得电流环
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PI 调节器参数为
Kip = 0 . 5 L τ = 6 i ms = R
工矿自动化
2008 年 8 月 ( 4) 在 4 扇区时 υ , a3 < 0 υ , b3 > 0 υ , c3 < 0 ; ( 5) 在 5 扇区时 υ , a3 < 0 υ , b3 > 0 υ , c3 > 0 ; ( 6) 在 6 扇区时 υ , a3 < 0 υ , b3 < 0 υ , c3 > 0 。
得指令电压矢量 U 3 ,并通过矢量 U x ( x = 1 , 2 , 3 , 4 ,
5 , 6 ) 的合成实现对 U 3 的跟踪 控制 , 从而 可控 制 V SR 电流 。三相对称的整流器开关输入电压可被
视作一个空间电压矢量来处理 , 利用整流器在不同 开关状态下形成的 8 个空间矢量 ,形成 SV PWM 触 发波 。8 个基本电压空间矢量的位置及开关状态如 图 2 所示 。
∫
nT
( n+1) T
1 ( 3 U ( t) d t = T1 U x + T2 U x ± 60 ) T
式中 : T1 、 T2 分别为 U x 、 U x ±60 的作用时间 。如 果 T1 、 T2 的和小于脉冲周期 T , 则用静止的零矢量
(U0 、 U 7 ) 填充周期 T 内的剩余时间 。
T值 P值
4 SVPWM 算法的实现 4. 1 指令电压的生成
1
Z Y
2
Y
3 - Z
X
4 - Z
对于任何三相物理量 , 可以引入复平面的矢量 空间概念 。根据三相静止坐标 、 两相静止坐标 、 两相 旋转坐标系统之间的转换关系 ,按照上文所述电压 、 电流双闭环控制即可获得指令电压 U 3 。
3 系统结构
容量为 8 kW 的基于 SV PWM 控制的三相电压 型 PWM 整流器系统结构框图如图 3 所示 。
图1 三相电压型 PWM 整流器的拓扑结构图
2 SVPWM 的原理 SV PWM控制主要是通过电流调节环的运算获
图3 基于 SV PWM 控制的三相电压型
PWM 整流器系统结构框图
3 3 3 υ α = υ c 2 3 令 P = 4sign (υ b 表 1 确定扇区号 。
表 1 P 值与扇区号对应关系表
P
1 2
2 6
3 1
4 4
5 3
6 5
扇区号
图5 电压外环简化结构图
4. 3 相邻开关矢量的作用时间
令: υ X = 3k α
Y = Z =
3
图 5 中 ,τ v 为电压采样小惯性环节时间常数 ; Tv 为积分时间常数 ; Tev =τ v + 3 T s 。按照三阶最佳 设计原则及工程上考虑系统的抗扰性和跟随性要 求 ,一般取中频宽 , 令 τ v = T s , 电容 C = 1. 1 mF , 可 得电压环 PI 调节器参数为
译 . 北京 : 电子工业出版社 ,1999.
[2] 周 宁 . 集散结构在数据采集系统中的应用 [J ] . 北京
稳定而准确地采集风机工作时的运行状态信号 , 以 实现风机故障监测和故障预警 ; 针对数据记录的存 储需要而开发的数据压缩算法 , 能够高效而可靠地 对数据进行压缩 , 不但压缩效率达到了 55 % , 误差 也被限制在 0. 78 %以内 。这将使记录仪的连续工 作时间倍增 ,可用性大大增加 ,推广也更为方便 。
1 三相电压型 PWM 整流器的拓扑结构
空间矢量技术的目的就是将指令电压矢量瞬态由相 应的基本空间矢量合成 ,在脉冲周期 T 时间内使整 流器输入端电压的平均值等于指令电压 U 3 , 使空 间电压矢量轨迹逼近圆形 。 也就是说 , 在任意小的周期时间 T 内 , 使得整 流器的输出跟指令电压 U 3 的平均输出一样 :
Abstract : The paper int roduced f undamental p rinciple of SV PWM , expo unded design of st ruct ure of t hree2p hase voltage t ype PWM rectifier system based o n SV PWM co nt rol. It al so gave design parameter s
整流技术已成为电力电子技术研究的热点和亮点 。
PWM 整流技术具有输入电压恒定 、 能实现单位功
常规整流环节广泛采用的二极管整流电路和晶 闸管相控整流电路向电网注入了大量谐波 , 给电网 造 成污染 。 随着绿色能源技术的快速发展 , PWM
收稿日期 :2008 - 04 - 02 作者简介 : 胡应占 (1972 - ) ,男 , 河南舞钢人 , 讲师 , 河南理工大 学在读硕士研究生 ,主要研究方向为工业过程微机控制 、 电气传动 。
图2 电压空间矢量的位置及开关状态示意图
图 2 中 ,有 6 个非零电压矢量 U x ( x = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6) 和 2 个零矢量 ( U 0 、 U 7 ) 。6 个非零电压矢量幅 值都为 2 udc / 3 ,相位角互差π/ 3 , 并且将复平面均分 成 6 个扇形区域 ,6 个扇区分别标识为 1 、 2、 3、 4、 5、 3 6 。任一扇形区域中的电压矢量 U 均可由该扇形 区两边的空间电压矢量 ( U x 、 U x ±60 ) 合成 。使用电压
胡应占 , 赵德申
( 河南工业职业技术学院电气工程系 ,河南 南阳 473009)
摘要 : 文章介绍了电压空间矢量脉宽调制 ( SV PWM ) 的基本原理 , 阐述了基于 SV PWM 控制的三相电 压型 PWM 整流器系统结构的设计 ,给出了电压 、 电流双闭环控制的设计参数及 SV PWM 控制算法的实现 。 仿真结果表明该系统性能优良 。 关键词 : 整流器 ; 三相电压 ; PWM ; SV PWM 中图分类号 :TM461 文献标识码 :A
参考文献 :
[1] DAV ID S. 数据压缩原理与应用 [ M ] . 2 版 . 吴乐南 ,
理工大学学报 ,1997 ( 3) .
[3] 胡少青 . 应用高分辨率 A/ D 和 DSP 实现的加速度计
并 行 数 据 采 集 系 统 [J ]. 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 ,
2002 ( 1) :13～17. [4] 詹辛农 . 运载火箭遥测数据压缩技术研究 [J ] . 导弹与
4. 2 判断 U 3 所在的扇区
3 3 由坐标变换得到的 2 个电压分量 υ α 和υ β 确
T1 T2
- X
- Y
如果 T1 + T2 > T , 应对 T1 、 T2 按如下方法修 正:
T1 = T1 T2 T , T2 = T T1 + T2 T1 + T2
定了空间电压矢量指令值 U 3 ,但只有明确了 U 3 所 在的扇区 ,才可以利用该扇形区两边的空间电压矢 量来合成 。将三相电压按 600 划分区间 ,1 个波形 周期被划分为 6 个区间 , 并将电压过零处作为 1 个 扇区的始 、 终点 ,根据每一个区间中有两相电压幅值 符号相同 、 而与另一相的符号相反的特点 ,即可按如 下方法判断扇区 : ( 1) 在 1 扇区时 υ , a3 > 0 υ , b3 < 0 υ , c3 > 0 ; ( 2) 在 2 扇区时 υ , a3 > 0 υ , b3 < 0 υ , c3 < 0 ; ( 3) 在 3 扇区时 υ , a3 > 0 υ , b3 > 0 υ , c3 < 0 ;
率因 数 运 行 的 特 点 。空 间 电 压 矢 量 控 制 PWM ( Space Vecto r Pulse Widt h Modulatio n , SV PWM ) 即磁通正弦 PWM 法 , 以三相波形整体生成效果为 前提 ,以逼近电动机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹 为目的 ,用逆变器的不同开关模式所产生的实际磁 通去逼近基准圆磁通 , 由它们的比较结果决定整流 器的开关 , 形成 PWM 波形 。把 SV PWM 运用 在
当然 ,在此之前要进行如下反 Clarke 变换 : 3 3 υ =υ β a
3 υ =b
图4 电流内环简化结构图
3υ 1υ 3 3 α β 2 2 1υ 3 β 2 3 3 ) + 2sign (υ υ c ) + sign ( a ) ,按
3. 2 电压外环设计
为简化控制系统设计 , 当开关频率远高于电网 电动势基波频率时 , 可忽略 PWM 谐波分量 。考虑 电压环的抗干扰性能 , 按照典型 Ⅱ 阶系统设计电压 调节器 ,简化处理后的电压外环结构如图 5 所示 。