基于空间矢量控制的双PWM变频器研究_陶海军

基于空间矢量控制的双P WM 变频器研究陶海军,郑 征(河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作 454003)摘要:针对传统变频器网侧功率因数低,能量不可逆等缺点,介绍了一种新型的双P WM 变频器.它是在通用变频器的基础上,引进可逆P WM 整流器来取代不控整流,并采用空间矢量控制策略,实现了单位功率因数运行,直流输出稳定,动态性能好,几乎不产生谐波,且能量可以双向传输.实验结果证明了这种理论的正确性和可行性.关 键 词:双P WM;变频器;空间矢量中图分类号:TN 786 文献标识码:A 文章编号:1673-9798(2007)05-0540-05Study on dual-P WM converter on t he basi s of space vect or controlTAO H ai-j u n,Z H E NG Zheng(School of E lectric a lE ng ineeri ng and Au to ma tion,H enan Pol y te chnic Universit y ,J i aozuo 454003,China )Abst ract :A ne w dua l-P WM converter is introduced because o f trad itional converter has so m e dra w backs ,such as l o w ac-si d e po w er facto r ,un-reversi b le po w er flo w etc .On the base o f general converter ,by in -troduc i n g uncontro lled rectifier w ith P WM rectifier and e m ploy i n g space vector contro l strategy ,dua l-P WM converter can active l y eli m inate ac-side har monic po ll u ti o n o f i n verter ,raise ac-side po w er facto r ,andw ork w ellw ith steady outpu t vo ltage and b i-d irecti o na l po w er fl o w .The experi m ent resu lts are proved correctand feasible .K ey w ords :dua l-P WM;converter ;space-vector0 引 言交流调速系统是自动化领域研究的重点课题之一.随着矢量控制理论的提出、P WM 技术的不断完善,微机技术、电力电子器件和其他相关技术领域的发展,国内外学者设计了许多不同的方案[1-3].国内学者提出的多种不同的实现方法,多数仍然处在理论阶段,可用于产品化开发的并不多.与交流调速系统一样,P WM 整流技术在自动化领域中也备受关注[4-5].近几年来,随着电力电子装置的应用日益广泛,电网中谐波电流和无功功率对电力系统的污染也日益严重.消除谐波污染、提高功率因数、节约能源已经成为电力电子技术中的一个重大课题.作为解决这一问题的途径之一,能够实现任意功率因数运行,直流输出稳定,动态响应好,几乎不产生谐波,且能量可以双向传输的P WM 整流器已成为重要研究对象.P WM 整流电机调速系统具有重要的实际价值和应用前景[7-9].本文介绍将P WM 整流和P WM 变频调速系统进行整合,用P WM 整流取代传统的整流方式,与P WM 逆变器组成交一直一交变频器,再结合交流电机变频调速理论设计电机控制器,构成双P WM 变频调速系统的方法.第26卷第5期2007年10月河南理工大学学报(自然科学版)J OURNA L O F HENAN PO LYTEC HN IC UN IVERS I TY (NATURAL SC IE N CE)V o.l 26 N o .5O ct .2007收稿日期:2007-04-07基金项目:河南省自然科学基金资助项目(2006510005);河南理工大学青年基金资助项目(Q2006-48) 作者简介:陶海军(1980-),男,河南驻马店人,讲师,从事电力电子与电力传动研究.E -m ai:l taoh j 99@hpu .edu .cn1 传统变频器存在的问题进入21世纪后,在全球经济发展中,能源与环保成为人们日益关注的焦点,但通用变频器大都为交一直一交电压型结构,整流端为二极管不可控整流或晶闸管相控整流.这种结构具有以下缺点:(1)电网侧电流波形严重畸变,谐波大,对公共电网造成污染.在不控整流侧,输入电流是非正弦的,因此电流的高次谐波注入电网;而一般的相控整流电路在额定工作状态下,如果没有输入滤波器,输入电流的谐波含量将达到28%以上,严重干扰附近的用电设备.(2)整流器处于深度相控状态时,电网侧功率因数低,与电网交换大量的无功功率,降低了发电和输电设备的利用率,同时产生大量的附加损耗.(3)由于器件结构的单向性,功率传递只能从网侧到负载侧,使系统不能在再生状态下运行,无法实现能量的再生利用.为了解决这些问题,有人采取在通用变频器的直流侧加制动电阻来消耗电机的回馈能量,从节能的角度来看,能量将被白白地消耗在电阻上,不利于节约能源,此种方案不好.若在整流器侧加回馈单元把电机的回馈能量反馈到电网,实现电机的四象限运行,一般需选择一自耦变压器,但此方案易造成逆变失败.因此,对通用变频器进行改进变得非常迫切.从适应环保的要求来看,新型的变频器应着重考虑变频器的低能耗,低电磁和低谐波干扰.电磁干扰和谐波污染已成为现代变频器设计时必须考虑的问题.从节能概念上看,应考虑变频器的效率及功率因数等.要从根本上消除通用变频器的上述缺陷,要求新型变频调速系统的整流环节能实现网侧电流正弦化,运行于单位功率因数,且能实现能量双向流动.P WM 控制为减少谐波提供了一个技术性的方案,随着高频电力电子器件如GTO,GTR,I GBT 价格的降低,以及电压和电流等级的提高,该控制方法越来越成为减少谐波污染的首选技术方案.电压型P WM 可逆整流器采用全控型器件,器件工作在高频状态,由于开关器件的开通和关断都可以控制,所以整流器的电流波形是可以控制的,其理想的状态是和输入相电压同相(或反相)的正弦波,此时网侧功率因数接近1,输入电流的谐波含量接近零,而且能够对直流电压进行调整,使之稳定在一定的设定值,在负载变化时,具有较快的响应速度.因为具备上述优点,将其作为交一直一交变频调速系统中的整流环节,构成高功率因数双P WM 变频调速系统,使该变频调速系统具有输入电压、电流频率固定,波形均为正弦,功率因数接近1,输出电压、电流频率可变,电流波形也为正弦的特点,可实现四象限运行,从而达到能量双向传送的目的,实现调速节能和绿色环保的高度结合.2 双P WM 变频器的基本原理双P WM 交流变频调速系统是已广泛应用的交-直-交变频调速系统的一个分支.在双P WM 变频调速系统中P WM 整流环节取代了传统的整流方式,与P WM 逆变变频调速系统共同构成交-直-交变频结构,由于在两次变换过程中均采用了脉宽调制(P WM )技术,因此称为双P WM 变频调速系统[15].双P WM 变频器主电路如图1所示,图中u a ,u b ,u c 为三相电网电压,e a ,e b ,e c 为转子三相绕组的反电动势,L 1,R 1分别为交流进线电抗器的电感和等效电阻,L 2,R 2分别为转子一相绕组的漏感和电阻.为了实现双P WM 控制,系统主回路中的整流桥和逆变桥都必须采用可控自关断电力电子器件.P WM 整流器一般采用B OOST 型电路结构,为实现能量传递需要在交流侧串联电抗器作为储能元件,这是和传统整流电路不同的.在双P WM 交流变频调速系统中,整流部分采用P WM 技术,为得到最佳的整流性能,必须对整流部分的控制给予足够的重视.电压空间矢量P WM (SVP WM )控制策略是依据变流器空间电压矢量切换来控制变流器的一种新颖思路的控制策略.空间矢量控制策略早期由日本学者在20世纪80年代初针对交流电动机变频驱动而提出,其主要思路在于抛弃了原有的正弦波脉宽调制(SP WM ),而是采用逆变器空间矢量的切换来获得准圆形旋转磁场,从而在不高的开关频率下,使交流电机获得了较SP WM 控制更好的性能.主要表现在SVP WM 提高了电压型整流器的电压利541第5期 陶海军等:基于空间矢量控制的双P WM 变频器研究用率和电动机的动态响应性能,同时还减小了电动机的转矩脉动等.另外,简单的矢量模式切换更易于数字化实现.3 P WM 整流器的空间矢量控制3.1 空间矢量调制算法空间矢量脉宽调制(SVP WM )是把三相整流器的输入端电压在复平面上合成为空间电压矢量,并利用整流器不同开关状态形成的8个空间矢量去逼近电压圆,以形成SVP WM 触发波.三相电压型整流器6个开关共有8个可能的运行状态,即(000),(001),(010),(011),(100),(101),(110),(111).由此得到8个基本空间矢量V k =23u d e j(k-1)P3(k =1,2,,,6)V 0=V 7=0.(1)从式(1)可以看出,三相整流器不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为2u d /3空间电压矢量在复平面上表示出来,如图2所示.除2条零矢量外,其余6条非零矢量对称分布在复平面上,将复平面均分成6个扇形区域.对于任一扇形区域中的电压矢量V *均可由该扇形区两边的空间电压矢量来合成[9].三相VSR P WM 整流器的SVP WM 调制步骤为:(1)计算整流桥输入端合成指令电压矢量V *.(2)判断V *所在扇区.(3)选择开关矢量及其发送顺序.(4)计算开关矢量作用时间,合成三相P WM 触发信号.3.2 新颖SVP WM 算法的实现3.2.1 电压矢量所在扇区判断经过坐标变换,可求出矢量V *的两相静止坐标系分量V *a ,V *b .由V *a ,V *b 可求出该矢量在三相静止坐标系(a,b ,c)上的投影分别为V *a ,V *b ,V *c ,再根据V *a ,V *b ,V *c ,的极性以及矢量分布图即可确定V *所在扇区[3].进行坐标变换可得V *a =V *a , V *b =-12V *a +32V *B , V *c =-12V *a -32V *B .(2)根据V *a ,V *b ,V *c 的波形可知:¹在Ñ,Ö扇区时,V *a >0,则V *a >0;º在Ó,Ô扇区时,V *a <0,则V *a <0;542河南理工大学学报(自然科学版) 2007年第26卷»在Ò扇区时,V *a 由正向负过渡,V *a 也应由正向负过渡;¼在Õ扇区时,V *a 由负向正过渡,V *a 也应由负向正过渡.根据以上分析可得图3中6个扇区的分布情况.下面推导由图3判断扇区的逻辑关系.令X ab =si g n (V *a -V *b ), X bc =si g n (V *b -V *c ), X ca =si g n (V *c -V *a ).(3)式中si g n (x )=1 (x >0)0(x <0).(4)画出式(3)的关系曲线如图3所示,可总结出获得V *区域判别的逻辑运算关系如下:R V (1)=X ab #X bc # X ca , R V (2)= X a b #X bc # X ca , R V (3)= X ab #X bc #X ca , R V (4)= X ab # X bc #X ca , R V (5)=X ab # X bc #X ca , R V (6)=X ab # X bc # X ca .(5)式中R V (1)~R V (6)为V *区域Ñ~Ö的逻辑变量.若V *位于i 区域时,R V (i)=1,否则R V (i)=0,其中i :[Ñ~Ö].3.2.2 合成方法及最佳脉冲发送顺序(1)合成方法.对于任一扇区中的电压矢量V *,均可由该扇区两边的标准空间矢量和零矢量来合成.零矢量的作用时间只是为了形成一个P WM 控制周期,从而使得开关周期固定.这样一来我们可以对零矢量有不同的处理方法,从而形成了不同的SVP WM 控制方式.对于零矢量的选择,主要考虑选择V 0或V 7应使开关状态变化尽可能少,以降低开关损耗,在1个开关周期中,令零矢量插入时间为T 0,7,若其中插入V 0的时间为T 0=kT 0,7,则插入V 7的时间则为T 7=(1-k )T 0,7,其中0[k [1为常数.从图4可以看出,该调制方法在1个开关周期中,C 相功率管不动作,分析可知每相开关在1个周期里分别有120b 时间不动作,所以有效开关次数可减少1/3,开关损耗降低33%.每1个采样周期里选择矢量的原则是遵循开关次数最小,保证每次转换只有1个开关动作.这样,矢量作用顺序只能以固定的方式作用,即1个采样周期内有1个桥臂不动作,而另外2个分别动作2次,因而也就降低了变流器的开关损耗.(2)最佳矢量发送顺序的确表1 单一零矢量(V 0)时矢量发送顺序Tab .1 V ecto r d ispa tch i n g sequence w ith si n g le zero vector (V 0)扇区开关矢量发送顺序100010011010000020000101100100003000010011010000400010110010100050000010110010006000100101100000定.固定选用零矢量V 0(或V 7),每次只切换1只开关管,矢量发送顺序如表1所示.在一个周期内每相桥臂在该相电压的负半周都有120b 的扇区不动作,从而将开关总次数减少1/3.在不动作区域,该相为正或负且幅值最大,从而避开了最大开关电流,大大减小了管子损耗,且543第5期 陶海军等:基于空间矢量控制的双P WM 变频器研究容易实现数字化.4 实验结果及分析根据上述分析,研制了10k W 的P WM 整流器装置.实验参数为:直流输出电压V d c =660V;直流输出功率P 0=10k W;交流输入电压U a =220V;开关频率f =10k H z ;连接电感L = 2.2mH;图5为整流器直流母线电压波形.图中显示,直流输出电压的纹波非常小,满足输出恒定直流的要求.图6给出了网侧电网电流的谐波含量和电网功率因数.从实验结果可以看出,电网电流中的3次、5次谐波含量分别为1.95%,1.32%,取得了很好的效果.5 结 论本文介绍了一种新型的双P WM 变频器,整流部分由开关器件组成,采用空间矢量P WM 控制策略,克服了传统变频器网侧功率因数低、谐波污染大、能量不能双向传输等缺点,实现了单位功率运行,直流电压稳定,大大节约了能源,提高了变频器的性能.参考文献:[1] 余天明,冼伟伦.双P WM 变频器在船舶上的应用前景[J].船电技术,2006,26(5):12-14.[2] 白 晶,赵广山,叶延亮,等.双P WM 变频器整流控制策略的研究[J].北华大学学报:自然科学版,2006,7(4):371-373.[3] 邱 涛,陈林康.变频器中P WM 整流器的设计及仿真[J].微特电机,2006,34(5):17-19,46.[4] 李 宋,陈 梅.交流励磁双馈风力发电机双P WM 控制系统的仿真研究[J].防爆电机,2006,41(1):11-14.[5] 田 丰,彭晓南.基于TM S320LF2407的小型变频器设计[J].河南科技大学学报:自然科学版,2005,26(6):11-14.[6] 任吉林,伍家驹,刘桂英,等.MAT LAB 环境下变频器系统仿真的研究与实现[J].计算机仿真,2000,17(5):53-55.[7] 刘 玮,沈传文,张 琳.基于功率直接反馈的双P WM 变频器仿真研究[J].电气传动自动化,2005,27(6):1-5.[8] 沈安文,朱晓琳,郑定富.用于磁场定向矢量控制的空间电压矢量PWM [J].电力电子技术,2005,39(5):118-119.[9] 郑 征,史祥翠,张 科.三相P WM 整流器空间矢量简化算法[J].河南理工大学学报:自然科学版,2006(6):502-506.(责任编辑 王得胜)544河南理工大学学报(自然科学版) 2007年第26卷。