基于PWM整流器的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

陳 靜 張 能

（1.淮陰師范學(xué)院物電學(xué)院，安徽 淮安 223300；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074）

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于礦山惡劣的開(kāi)采環(huán)境。全數(shù)字控制的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（SRD），具有較好的調(diào)速性能，大大的提高了系統(tǒng)工作效率。目前，大部分SRD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍采用不控整流或相控整流方式，對(duì)電網(wǎng)污染較大，諧波較嚴(yán)重[1-3]。本文以某礦矸石山絞車(chē)電控系統(tǒng)改造為背景，研究一種基于 PWM整流器的SRD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成

基于PWM整流器的SRD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用 TMS320F2812 DSP作為電機(jī)主控芯片，整流環(huán)節(jié)采用三相全橋 PWM整流器，將三相電網(wǎng)電壓變?yōu)橹绷鳎荒孀儹h(huán)節(jié)為帶滯環(huán)控制的不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)，控制功率器件開(kāi)通和關(guān)斷。

2 鎖相環(huán)控制

圖1 基于PWM整流器的SRD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)坐標(biāo)變換，可以得出

由于φ≠0，造成Vq不為零，系統(tǒng)不能工作在單位功率因數(shù)，對(duì)電網(wǎng)造成一定的污染。鎖相環(huán)技術(shù)，就是通過(guò)對(duì)Vq的處理，使其非常逼近0，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度的時(shí)候，認(rèn)為其能鎖定電網(wǎng)角度，進(jìn)而能夠時(shí)刻檢測(cè)出電網(wǎng)的角度[4-5]。圖2為鎖相環(huán)控制原理框圖。

圖2 鎖相環(huán)控制原理框圖

圖2中，由于Vq可能不為0，把經(jīng)過(guò)濾波后的相位誤差 PLL_ERR經(jīng)過(guò)一個(gè) PI調(diào)節(jié)器后，得到了一個(gè)偏差頻率。而通過(guò)將偏差頻率疊加在電網(wǎng)的工頻50Hz后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)積分環(huán)節(jié)，就得到了所需要的相角PLL.out，鎖定了電網(wǎng)角度[6]。通過(guò)鎖相環(huán)控制，能夠始終保持PLL.out與電網(wǎng)角度相同，并且能夠保證Vq= 0 ，使系統(tǒng)一直運(yùn)行在單位功率因數(shù)。

3 負(fù)載前饋控制

將負(fù)載電流i0作為一個(gè)外部擾動(dòng)，i0的變化會(huì)導(dǎo)致直流電壓v0波動(dòng)，使v0與設(shè)置值不同。而通過(guò)電壓反饋，再經(jīng)過(guò)了電壓環(huán)調(diào)節(jié)后，能慢慢的使v0逼近設(shè)置值，使系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)。電壓環(huán)控制框圖如圖3所示。

圖3 電壓環(huán)控制框圖

對(duì)于直流電壓的波動(dòng)，可以通過(guò)系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償控制來(lái)消除負(fù)載突變所產(chǎn)生的影響[6-7]。當(dāng)加入前饋控制后，前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為，如圖3中的虛線所示，則直流母線電壓的輸出表達(dá)式

若選取前饋補(bǔ)償?shù)膫鬟f函數(shù)

可以得出直流電壓

此時(shí)，系統(tǒng)輸出直流電壓與負(fù)載電流i0沒(méi)有關(guān)系，能夠消除負(fù)載突變對(duì)系統(tǒng)直流電壓的影響。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用簡(jiǎn)化的方法，來(lái)盡量消除負(fù)載的影響。根據(jù)整流器輸入輸出功率相等原則，可以計(jì)算出負(fù)載側(cè)電流：

使用負(fù)載電流作為系統(tǒng)的電流前饋，就能減小對(duì)系統(tǒng)直流電壓的擾動(dòng)。負(fù)載前饋控制系統(tǒng)的解耦框圖，如圖4所示。

圖4 負(fù)載前饋的控制系統(tǒng)

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真結(jié)果

利用Matlab/Simulink搭建基于PWM整流器的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，驗(yàn)證以上控制算法。整流側(cè)，采用 PWM整流器將三相輸入電壓整成直流；逆變側(cè)，根據(jù)CCC控制方法，控制功率開(kāi)關(guān)器件通斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

具體仿真參數(shù)設(shè)置如下：變頻器額定輸出容量100kW；網(wǎng)側(cè)電壓 220V；輸入電壓頻率 50Hz；交流進(jìn)線電阻R= 0.05Ω；直流側(cè)電壓：仿真波形如圖5和圖6所示。

圖5 負(fù)載突加時(shí)v0的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖6 有鎖相環(huán)時(shí)網(wǎng)側(cè)電流電壓波形

圖5可以看出，使用負(fù)載前饋時(shí)，系統(tǒng)直流電壓的波動(dòng)約為8V，很大程度上的降低直流電壓的脈動(dòng)。圖6中，當(dāng)電網(wǎng)電壓相位發(fā)生突變時(shí)，采用了鎖相環(huán)技術(shù)的網(wǎng)側(cè)電流變化平穩(wěn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用鎖相環(huán)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性能更好。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以絞車(chē)電控系統(tǒng)改造為背景，研究出一種具備四象限運(yùn)行特性并且具有能量回饋電網(wǎng)的SRD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行如圖7所示。

圖7 網(wǎng)側(cè)電壓電流波形與電機(jī)側(cè)電流波形

圖7（a）為電動(dòng)模式時(shí)的電網(wǎng)電壓電流波形，及電機(jī)側(cè)電流波形?？梢钥闯?，在電動(dòng)模式時(shí)，交流側(cè)的電壓與電流基本同相位，系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)。而電機(jī)側(cè)電流波形近似為一個(gè)方波平穩(wěn)，波動(dòng)很小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能較好。

圖7（b）所示為回饋制動(dòng)時(shí)的電壓電流波形。從圖中可以看出，電網(wǎng)側(cè)電壓電流呈反相位，單位功率因數(shù)為-1。直流側(cè)電壓穩(wěn)定，電機(jī)側(cè)電流平穩(wěn)。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于 PWM整流器的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與前級(jí)采用不控整流的方法相比，可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，減少了電網(wǎng)污染。同時(shí)，系統(tǒng)采用鎖相環(huán)負(fù)載前饋控制的方法，極大的減小了電機(jī)的脈動(dòng)，提高了控制效果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了基于 PWM整流器的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可行性與優(yōu)良性。

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