三相异步电机双PWM驱动控制系统

上海理工大学

研究生试题

2010 /2011 学年第二学期

课程名称：电力传动系统驱动与控制技术

教师签章：年月日教研室主任审查意见：

签章：年月日

1.试题原稿请于考试前2周送研究生部。

2.编号栏由研究生部填写。

上海理工大学研究生课程试题* 2010/2011 学年第二学期考试课程

电力传动系统驱动与控制技术学号姓名得分

三相异步电机双PWM驱动控制系统设计与仿真

常规功率变换器能实现交流电压幅值、频率和相数的改变，并能改善电能质量，在实际中得到非常广泛的应用。但常见的功率变换器，由于其整流环节不可控，存在网侧功率因数低、谐波含量高等缺点，因而限制了它的应用范围。双PWM变换器采用全控型功率开关器件，并引入PWM控制技术实现对整流部分的控制，能有效地消除变频装置对电网的谐波污染，提高功率因数，实现再生能量向电网回馈。

三相双PWM变频电源可分为PWM整流器和PWM逆变器两部分。本文在双PWM变换器拓扑结构的基础上，分析了三相PWM整流器结构及其控制方法和三相PWM逆变器结构及其控制方法。分析了PWM变换器能运行在整流和逆变状态的原理。PWM整流器采用双闭环的控制结构，即电压外环和电流内环。PWM逆变器采用电压滞环比较控制方案实现控制目标。在理论分析的基础上，利用MATLAB simulink建双PWM功率变换器的系统仿真模型，并进行了系统仿真。仿真结果表明能对PWM整流器输出直流电压和网侧输入交流电流进行有效控制，使他们的相位基本一致，三相交流输入的功率因数接近1，PWM逆变器也能实现逆变输出电压的频率和幅值均可调，并且逆变波形为三相准正弦波。

一、引言

能源短缺是全球人类所面临的世纪性难题，节能减排也成为我国的基本国策。国家制定了《节能中长期专项规划》，为实现规划目标，国家发展和改革委员会启动了“十一五”国家重点节能工程，电动机系统节能工程是其中之- [1]。电动机是电能消耗的最大户，也是节电潜力最大的用户。据统计，我国电动机总装机容量4亿多千瓦，其年用电量约为15000亿千瓦时，约占全国总发电量的65%～70%[2]。因此，研究电动机系统的节能问题具有重大的现实意义和深远的可持续发展意义。电动机系统能耗大、效率低的原因有两个方面。其一是由于大

*注：考题全部写在框内，不要超出边界。内容一律用黑色墨水书写或计算机打印，以便复印。

部分电动机系统为直接拖动，造成大量的能源浪费。其二是在牵引、矿井等需要频繁四象限运行的场合，大量的电动机制动时的再生能量通常被直接消耗掉，在大功率场合同样造成了能源的极大浪费。

随着电力电子技术的不断发展，功率器件的不断更新，控制技术的不断完善，针对第一个问题，目前越来越多的场合采用PWM(PulseWidt hModulation)逆变器对电机实施调速，能够有效地改善系统运行效率，极大地节约了能源。然而，大多数的交流调速系统前端整流器采用二极管整流，对于上述第二个问题束手无策。因此，用PWM逆变器取代二极管整流，与PWM逆变器一起，构成双PWM变换器，则不但能够解决第一个问题，而且能在负载制动时将能量直接回馈给电网，实现真正高性能的、高效的电动机系统。

二、双PWM变换器基本原理及发展现状

2.1双PWM变换器原理

双PWM拓扑结构如下图所示

图1.1

在双PWM结构，整流桥和逆变桥都采样全控的IGBT管，由于IGBT管的全控性，可任意控制其关断，这样当出现能量回馈时，能进行快速关断，不会产生过电流，实现交流电机快速四象限运行。通过PWM整流控制，可以实现整流环节网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，且能实现能量的双向流动。电压型PWM可逆整流器采用全控器件，器件工作在高频状态，用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲，由于开关器件的开通和关断均是可控的，所以PWM整流器的电流波形也是可控的，其理想状态是交流输入电压和电流可保持同相位或反相位，即整流时为同相位，逆变时为反相位。此时网侧功率因数近似为1，输入电流的谐波含量接近零，消除对电网的谐波污染。由于PWM整流器采样直流输出电，因此还能对直流电压进行调整，在负载变化时，具有较快的响应速度，使直流输出电压稳定在一定的设定值。因此说采用PWM整流器取代传统交一直一交变频器中不可控整流部分，不仅克服了上述传统变频器的缺点，还具有网侧电流为正弦波，网侧功率因数近似为1，

较快的动态响应，易于模块化，易于冗余设计和电能双向传输等诸多优点，实现了调速节能和“绿色环保”的高度结合。

2.2国内外研究现状

1964年，德国学者A.Sch?nung和H.Stemmler在《BBC评表》上发表文章，率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广应用于交流传动系统。经过四十年的发展，脉宽调制(PWM)技术已发展成为现代功率变换器共同的和核心的技术，引起人们的高度重视，并得到深入的研究。目前已经提出并得到应用的PWM控制方案不下十种。从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程，目前所有新的方案不断提出，针对多电平逆变器电路的PWM控制技术方兴未艾。

双PWM变频调速系统关键技术之一的PWM整流器研究始于20世纪80年代，这一时期由于自关断期间的日趋成熟及应用，推动了PWM技术的应用与研究。1982年Busse Altred、Holtz Joachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其网侧电沆幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984年Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿控制策略，这实际上就是电压型PWM整流器早期设计思想。到20世纪80年代末，随着A.W.Green等提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到一个新的高度[29”32]。自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点。随着研究的深入，基于PWM拓扑结构及控制的拓扑的拓展，相关的应用研究也发展起来，如前文所述有源滤波器、超导储能、交流传动等。这些应用技术的研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。

对于双PWM变频调速系统的研究同样开始于20世纪80年代，Kohlmeier等在1987年研制出基于GTO的高性能双PWM变频系统，开关频率为1.5KHz以下。Blaabjerg等在1993年研制出基于IGBT的双PWM变频系统，开关频率4.8KHz。目前来说，国外已有类似产品上市[13-16]，例如富士公司生产的RHC系列双PWM交流传动系统，输入侧功率因数近似为1，可以高效率地进行能量再生，ABB公司生产的四象限运行的交流调速系统，如ACS611ACS617(容量1.5kW-1.12MW)。

国内对于双PWM变频调速系统的研究起步较晚，但发展比较迅速，目前其产品还很不成熟，不能满足要求。同时，国外的此类装置价格昂贵，有的对电网的要求比较高，应用起来不方便。