基于DSP的四象限变流器瞬态直接电流控制研究.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50677056）；国家科技支撑计划项目（2009BAG12A05）定稿日期：2010-02-25
作者简介：代云中（1984-），男，四川泸州人，硕士研究生，研究方向为电力牵引交流传动及其控制技术。

1引言
我国电气化铁路普遍采用单相工频25kV 供
电，作为交流传动系统重要组成部分的四象限变流器既要实现中间直流环节电压的控制，还要实现供
电接触网或牵引变压器初级功率因数校正（PFC ）
[1-2]。

当四象限变流器工作在再生制动工况时，经脉宽调制后的网侧输入电流相位与网侧电压反相，在保持中间直流环节电压稳定的同时，将中间直流电路剩余的能量回馈到电网，实现四象限变流器能量的双
向流动。

对电动汽车实际运行测试结果表明，再生制动给动力蓄电池补充的能量，使电动汽车充电后行驶里程增加10%～25%。

因此，利用再生制动实现能量回收有很大的发展潜力[3]。

2工作原理及数学模型
图1示出两电平单相四象限变流器主电路。

图中
IGBT 和二极管反并联构成功率开关单元，L n ，R n 分别为网侧等效电感、电阻；C d 为直流侧支撑电容；C 2，L 2分别为次级滤波电容和电感；u ab 为输入端电压。

定义理想开关函数S a ，S b 如下：
S a =1（VT 1开通，VT 2关断）0（VT 1
关断，VT 2
开通! ）S b =1（VT 3开通，VT 4关断）0
（VT 3
关断，VT 4
开通! ）
" $#$%
（1）
根据式（1）易知，理想开关函数S a ，S b 有4种有
效组合，即S a S b =00，01，10，114种逻辑，图1中的
u ab 有U dc ，0，-U dc 3个电平，则u ab =（S a -S b ）U dc 。

将VT 1，VD 1用开关S a 代替；VT 2，VD 2用开关S b 代替，可得到四象限变流器的数学模型为：
C d d U dc /dt=（S a -S b ）I n -U dc /R L -i 2L n d i s /dt =u s -（S a -S b ）U dc -i s R n L 2d i 2/dt =U dc -u C 2，C 2d u C 2/dt =i 2" $
#
$
%
（2）3瞬态直接电流控制
四象限变流器瞬态直接电流控制原理如图2所
示。

瞬态直接电流控制采用电压外环和电流内环的
双闭环控制。

电压外环采用PI 电压控制器，使U dc 跟踪给定值U dc *，从而保持直流侧电压稳定；电流内环采用电流控制，锁相环（PLL ）检测网侧电网电压，所得到的网侧电网电压的相位和频率作为电流给定值i s *的相位和频率。

与电网电压同频同相的i s *作为电
基于DSP 的四象限变流器瞬态直接电流控制研究
代云中，许建平，杨
平，张
斐
（西南交通大学，四川成都610031）
摘要：介绍了四象限变流器瞬态直接电流控制的Matlab 建模和仿真方法，建立了四象限变流器的数学模型，并对四
象限变流器的牵引工况和再生工况进行了分析。

仿真和基于TMS320F2812的实验样机验证了该控制算法不但能有效抑制注入电网的谐波电流，获得稳定的直流输出电压，而且实现了功率因数校正和能量双向流动。

关键词：变流器；功率因数校正；瞬态电流控制；数字信号处理器中图分类号：TM46
文献标识码：A
文章编号：1000-100X （2010）08-0037-02
Transient Current Control of Four Quadrant Converter Based on DSP
DAI Yun -zhong ，XU Jian -ping ，YANG Ping ，ZHANG Fei
（Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China ）
Abstract ：A Matlab simulation method is introduced to realize the transient current control of four quadrant converter and
its mathematical mode is established.Analysis the dynamic response ，traction condition and regeneration condition are per -formed.A prototype based on
TMS320F2812is built to verify the performance of the control scheme.The simulation and experimental results show that the harmonic is restrained effectively and power factor correction can be achieved by using the control scheme.
Keywords ：converter ；power factor correction ；transient current control ；digital signal processor
Foundation Project ：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.50677056）；National Key Technolo -gies R &D Program of China
（No.2009BAG12A05）
图1四象限变流器主电路
Vol.44，No.8August ，2010
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流内环的输入信号，使网侧电流i s 跟踪i s *，从而实现网侧输入端
PFC 。

由图2可得：
i s1
*
=K p
（U dc *-U dc ）+1/T i 乙
（U dc *-U dc ）d t i s2*=姨I dc U dc /U nm ，i s *=i s1*+i s2*u ab （t ）=u s （t ）-ωLi s *cos ωt -R N i s *sin ωt -u i 姨姨姨姨姨
（3）
式中：u i 为牵引变压器次级绕组电流偏差所带来的感应电压，
u i =K[i s *sin ωt -i s （t ）]，K 为比例放大系数；T i 和K p 为PI 调节器的参数；U nm 为网侧电压峰值；ω为网侧电压角频率。

u i 用于对u ab （t ）
进行修正。

为减轻直流环节电压PI 调节器的负荷，
改善PI 调节器的动态响应[4-5]，采用I dc 来计算给定电流的有效分量i s2*，
其结果与i s1*相加后作为交流电流的给定值i s *，从而获得参考电压信
号即调制信号u ab （t ）。

4Matlab 仿真结果与分析
为研究电力机车牵引四象限变流器在各种运行
工况的控制特性，设计功率样机参数为：输入电压为
110V/50Hz ，
额定容量500W （再生工况1kW ），额定直流电压200V ，预充电电阻
10Ω，预充电到输出电压为180V 时切断预充电电阻，L n =5mH ，R n =0.2Ω，直
流侧支撑电容C d =1410μF/450V ；次级滤波电路参数为：L 2=0.76mH ，C
2=3300μF/450V 。

系统仿真结构如图3所示，限压斩波器由开关
VT 5，VD 5和100Ω的放电电阻组成。

仿真中，采用直流侧投切电阻来模拟负载突变。

分两次投入负载，每次投入一个电阻，系统输出功率相应增加250W ，两个电阻（R 1，R 2）
全部投入时总功率达500W ；然后，将两个电阻全部同时切除，并同时将一个310V 直
流电压源和22Ω电阻的串联支路投入，
模拟满功率牵引突变为满功率再生的工作情况；最后，切除再生支路，负载电阻（R 3，R 4）
分两次投入，模拟满功率再生分两次转换到满功率牵引工作情况。

启动过程仿真波形如图4所示。

启动时电网对中间直流环节充电，当直流侧电压充电到180V 时，
开关S 1闭合，
切除限流电阻，进入稳态后U dc 的脉动很小，超调量小于0.5%。

负载从250W 增加到500W 时，模拟牵引工况加大负载时的情况下，瞬态直接电流控制时U dc 波
动较小, 最大、最小电压分别为201V ，196V ，
波动范围不超过5%。

牵引工况向再生工况切换时U dc 波形经过3个工频周期，即可实现由牵引工况向再生工况的平滑切换，功率因数从1变为-1。

为模拟四象限变流器，再生工况下投入限压斩波器和放电电阻，对
U dc 进行测试，
限压斩波器可把输出电压限制在210V 以下。

满功率再生分两次转入满功率牵引时，对U dc 进行测试，两次加负载时，U dc 的波动比较小，最大、最小电压分别为201V ，190V ，波动范围小于5%。

满功率再生转入50%额定牵引功率时，测试了电网
输入电压、
电流，经1.5个工频周期，实现由再生工况向牵引工况的平滑切换。

5实验结果分析
设计了基于TMS320F2812的实验样机。

功率器件选择IPM （PS21869）
600V/20A ，实验样机主要电路参数：U n =55V ，L n =5mH/10A ，C d
=1410μF/450V ，
开关频率f n =1250Hz ，
负载电阻R L =400Ω。

对电网电压波动10%时，网侧电流与直流侧电
压进行了测试。

结果表明，10%的电网电压扰动对四
象限变流器直流侧电压影响较小，直流输出电压经过很小的波动后，很快达到稳态，表明系统具有良好的抗电网电压扰动性能。

四象限变流器工作于牵引工况下的稳态电网电压与电网电流波形如图5a 所示。

图4四象限变流器的启动过程波形
图5实验波形
（上接第
38
页）
u br （t ）=姨m sin （ωt -π/3）
u cr （t ）=姨m sin （ωt -2π/3姨
）（11）
可见，FS -SVPWM 实质是两个相位相差π/3电角度的正弦波与三角载波调制出的SPWM 波。

这样，通过两路满足相位相差π/3电角度的正弦波与三角载波相调制，即可等效地实现FS -SVPWM 。

4仿真与实验
为验证四开关逆变器SVPWM 理论分析和算法正确性，利用Matlab/Simulink 建立四开关逆变器SVPWM 控制模型，并基于TMS320F2812搭建四开关逆变器供电的永磁同步电动机矢量控制系统实验平台，进行仿真和实验研究。

实验中的SVPWM 算法
通过DSP 程序实现。

仿真和实验参数：
定子电阻R =3.5Ω；
d ，q 轴电感L d =Lq =11.5mH ，极对数P n =3，转子转动惯量J =4.4×10-
4kg ·m 2，额定转矩为3N ·m ，直流母线电流为300V ，电机转速为1000r ·min -1，
负载转矩为1.5N ·m ，
开关频率15kHz 。

图5示出实验波形。

在FS -SVPWM 的控制下，图5所示实验结果
证明了四开关逆变器输出为三相对称的正弦基波
电流，电机运行平稳。

实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。

5结论
在对四开关逆变器的SVPWM 控制方法进行理
论分析及仿真实验后，得出以下结论：①从磁链控制角度出发，利用SVPWM 调制可对四开关逆变器进行有效控制，满足逆变器容错和低成本的要求；②为减少功率器件的开关频率、减小磁链波动，提出了
FS -SVPWM 的“七段式”实现方法；③从PWM 的原
理出发，揭示出FS -SVPWM 控制实质是以两路相位相差π/3电角度的正弦波为隐含调制函数的SPWM 调制，为FS -SVPWM 提供了简单的等效实现方法。

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图5实验结果
由图5a 可见电压与电流同相位，系统功率因数
较高，约为0.98。

如图5b 可见网侧电流谐波含量低。

网侧输入端电压如图5c 所示，输入端电压为两电平波形并保持稳定，电流正弦性好。

如图5d 可见输出直流电压稳定在100V ，脉动小。

实验结果表明系统运行稳定、可靠，验证了四象限变流器瞬态直接电流控制的有效性和Matlab 仿真结果。

6结论
通过仿真对四象限变流器系统的结构、系统的
稳定性、系统的动静态响应以及系统的参数对系统
的可靠性、
稳定等性能的影响进行了研究。

仿真和实验结果表明，建立在瞬态模型基础上的瞬态直接电流控制，具有良好的动态响应和稳态特性。

基于数字信号处理器TMS320F2812和全控开关元件模块IPM 的实验系统的实验结果表明，该控制策略不仅实现了单位功率因数校正，有效抑制了注入电网的
谐波，还实现了直流侧电压稳定和能量双向流动。

系统具有良好的稳定性、动静态特性和抗电网扰动等性能，功率样机实验验证了该控制算法的正确性。

参考文献
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