三相雙PWM四象限交流電力傳動系統(tǒng)仿真

黃敏瑤,楊文煥,候甜甜,李登科

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上?！?00093)

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三相雙PWM四象限交流電力傳動系統(tǒng)仿真

黃敏瑤,楊文煥,候甜甜,李登科

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093)

摘要傳統(tǒng)的功率變換器由于整流環(huán)節(jié)不可控,而存在網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低,諧波含量高等且應用范圍有限,控制系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性與精確性較差,不能四象限運行問題。文中利用Matlab建立起雙PWM變換器的交流調(diào)速系統(tǒng)模型并進行了仿真,利用矢量控制方法讓電機四象限運行。系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)均較好,改善了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低,諧波含量高等缺點,電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性與精確性也較好,驗證了控制策略的可用性和控制器的有效性。

關(guān)鍵詞PWM變換器;Matlab;交流調(diào)速;矢量控制

雙PWM 變流器是由兩個全控型器件為基礎的電壓源型變流器,背靠背連接構(gòu)成,中間采用電容器做電壓支撐。該裝置擁有多項優(yōu)點,比如變流器兩側(cè)的無功功率可單獨控制,交流側(cè)功率因數(shù)可調(diào),輸出諧波少,直流電壓可控,能量雙向流動等[1],因而其應用廣泛,在風力發(fā)電,柔性直流輸電,變頻調(diào)速等許多領(lǐng)域都有其重要的參與[2]。在交流傳動系統(tǒng)變頻調(diào)速領(lǐng)域,傳統(tǒng)控制策略控制性能差,尤其是參數(shù)時變、網(wǎng)側(cè)和機側(cè)獨立控制、負載不確定性等增加了控制難度,交流傳動系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能總需提高。在此運用矢量控制對兩個變流器所需實現(xiàn)的不同功能分別設計了控制器,并且對變流器的整流環(huán)節(jié)的控制提出了新的控制策略。

1四象限交流傳動系統(tǒng)工作原理

四象限交流傳動系統(tǒng)主要由網(wǎng)側(cè)PWM變流器(VSC1)、機側(cè)PWM變流器(VSC2)、直流側(cè)電容c等組成,通過產(chǎn)生SVPWM波控制變流器工作,從而產(chǎn)生電動機需要的三相電壓。四象限交流傳動系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,展現(xiàn)四象限交流傳動系統(tǒng)運行狀態(tài)與能量流向關(guān)系,VSC1和VSC2結(jié)構(gòu)相同。

在四象限交流傳動系統(tǒng)中,功率傳輸?shù)姆较驔Q定了 PWM變流器工作狀態(tài)的切換方式。具體分析如下:當能量由VSC1流向VSC2時,網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)向機側(cè)系統(tǒng)提供能量,機側(cè)PWM變流器工作在逆變狀態(tài),直流側(cè)電壓因電容放電而下降,為保持電壓穩(wěn)定,網(wǎng)側(cè)PWM變流器VSC1工作于整流狀態(tài)。當能量由VSC2流向VSC1時,機側(cè)系統(tǒng)向網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)釋放能量,機側(cè)PWM變流器工作在整流狀態(tài),直流側(cè)電壓因電容充電而上升,為保持電壓穩(wěn)定,網(wǎng)側(cè)PWM變流器VSC1工作于逆變狀態(tài)[3]。在電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都>0時,能量由電網(wǎng)經(jīng)過網(wǎng)側(cè)變流器、電容和機側(cè)變流器等傳遞到電機,電機處于正轉(zhuǎn)電動狀態(tài),工作在第一象限;電磁轉(zhuǎn)矩<0,轉(zhuǎn)速>0時,能量由電動機經(jīng)過機側(cè)變流器、電容和網(wǎng)側(cè)變流器等回饋至電網(wǎng),電機處于正轉(zhuǎn)制動狀態(tài),工作在第二象限;電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都<0時,能量由電網(wǎng)經(jīng)過網(wǎng)側(cè)變流器、電容和機側(cè)變流器等傳遞到電機,電機處于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài),工作在第三象限;當電磁轉(zhuǎn)矩>0時,轉(zhuǎn)矩<0時,能量由電動機經(jīng)過機側(cè)變流器、電容和網(wǎng)側(cè)變流器等回饋至電網(wǎng),電機處于反轉(zhuǎn)制動狀態(tài),工作在第四象限。由此實現(xiàn)能量的雙向流動。

圖1　四象限交流傳動系統(tǒng)運行狀態(tài)圖

2雙PWM調(diào)速系統(tǒng)建立

在雙 PWM 結(jié)構(gòu),整流橋和逆變橋都采樣全控的IGBT管控制,由于IGBT管的全控性可任意控制其關(guān)斷,這樣當出現(xiàn)能量回饋時,能進行快速關(guān)斷,不會產(chǎn)生過電流,實現(xiàn)交流電機快速四象限運行。

本文采用電壓源型PWM變流器,其可保持直流母線電壓的穩(wěn)定并使網(wǎng)側(cè)電流波形為正弦波。同時使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1或-1。當電機做電動機運行時,該變流器做整流器運行;當電機做發(fā)電機運行時,該變流器則作為逆變器講電機發(fā)出的電能回饋到電網(wǎng),根據(jù)三相VSR特性分析需要,可采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學模型。其主電路拓撲如圖2所示,前端電網(wǎng)側(cè)主要有電感、電路等效電阻R和PWM整流器。中間直流側(cè)電容濾波,后端為PWM逆變器和異步交流電動機。

圖2　雙PWM變頻調(diào)速主電路拓撲

其中交流側(cè)包括電網(wǎng)三相交流電壓ua,ub,uc、電感L、等效電阻R和交流電動機;功率開關(guān)管均為全控型,每一個均并聯(lián)一個續(xù)流二極管;直流側(cè)包括直流電容c、負載電阻RD和負載側(cè)電壓eD等。在工作狀態(tài)時,三相VSR交流側(cè)輸入三相電壓,功率開關(guān)管在PWM波的控制下開通或者關(guān)斷,使三相VSR輸出穩(wěn)定的直流電壓,電能消耗在負載電阻上,然后經(jīng)逆變供交流電機運行[4-5]。

VSR中的同一橋臂的上下開關(guān)管不能同時導通,否則直通會損壞開關(guān)管,圖2中當上橋臂的開關(guān)管關(guān)斷的時侯,其對應下橋臂上的開關(guān)管必須是導通的,反之亦然。根據(jù)此規(guī)律定義開關(guān)管的開關(guān)函數(shù)為

(1)

由此得出VSR的8種開關(guān)模式,定義為sa,sb,sc,即000,001,010,011,100,101,110,11l這8種開關(guān)模式,其中有兩個零矢量000和111。三相的分析中以a相為例,上橋臂導通,而下橋臂關(guān)斷時sa為1,UaN=Udc,其中Udc為直流側(cè)電壓。上橋臂關(guān)斷,而下橋臂導通時,那么sa=0,UaN=0。則B相與C相為UbN=sbUdc,UcN=scUdc。直流輸出側(cè)電流為idc=saia+sbib+scic,假設電網(wǎng)電壓為穩(wěn)定且對稱的正弦波,并由KCL與KVL推出VSR在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型

(2)

從三相靜止坐標系(a,b,c)向兩相極坐標系αβ進行坐標變換,用通用矢量X來表示電流、電壓等矢量,變換過程如下

(3)

得出VSR在αβ坐標系下的數(shù)學模型

(4)

另一方面,網(wǎng)側(cè)電流整流后經(jīng)PWM逆變器進行逆變流入交流電機側(cè),三相異步電機電壓方程式如下

(5)

式中,P為微分算子;Ls為定子自感;LM為互感;LR轉(zhuǎn)子自感;Rs為定子電阻;RR為轉(zhuǎn)子電阻;usd、usq分別為定子電壓的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量;Isd、Isq分別為定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量;Ird、Irq分別為轉(zhuǎn)子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量[6]。電機轉(zhuǎn)矩為

(6)

其中,Ω1為同步角頻率,隨變頻調(diào)速改變;IAO為定子基波電流;f1電機供電頻率,隨變頻調(diào)速改變;P為電機極對數(shù);n為電機轉(zhuǎn)速;RR轉(zhuǎn)子折算電阻。

3控制策略及參數(shù)設定

3.1雙閉環(huán)控制與矢量控制

針對電機轉(zhuǎn)速精確性與穩(wěn)定性較差這個問題,本文網(wǎng)側(cè)PWM 變換器采用雙閉環(huán)控制,主要結(jié)構(gòu)包括電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán),電壓外環(huán)主要用來控制三相VSR直流側(cè)電壓,而電流內(nèi)環(huán)的主要作用未按照電壓外環(huán)輸出的目標電流指令進行電流控制,其中轉(zhuǎn)矩電流解耦內(nèi)環(huán)控制如圖3所示。

圖3　iq解耦內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

矢量控制通過測量異步電機定子電流矢量,根據(jù)坐標變換原理進行磁場定向。然后分別對異步電機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制,勵磁電流id與轉(zhuǎn)矩電流iq,通過等效變換得到等效的三相交流控制電流ia,ib,ic進而可控制逆變電路[7]。電動機在工作狀態(tài)時,測量到的三相交流信號可等效成兩個互相垂直的直流電流,反饋回控制側(cè),用來修正勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流。在進行控制時,可使轉(zhuǎn)矩電流只控制勵磁電流,由此便可達到與直流電動機調(diào)速類似的控制效果[8-9]?？刂颇Ｐ腿鐖D4所示。

圖4　矢量控制系統(tǒng)圖

3.2參數(shù)設定

4仿真分析

在MatlabSimulink中建立系統(tǒng)仿真模型[3]如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)仿真圖

以正弦波為輸入信號,并進行測量,相關(guān)坐標變換,參數(shù)設置和PI調(diào)節(jié),整流完成后進行逆變,將電壓電流信號輸入電機進行交流調(diào)速,最后將關(guān)鍵輸出波形:電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形和磁鏈軌跡波形通過示波器顯示出來。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩波形圖

圖7　定子磁鏈軌跡

圖8　轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡

分析可得采用電壓型變流器,雙閉環(huán)控制與矢量控制使得交流側(cè)功率因數(shù)可調(diào),網(wǎng)側(cè)電壓電流波形輸出諧波少,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)>0.95,相電流不超過額定值的20%,波形穩(wěn)定。電機轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩成函數(shù)關(guān)系,轉(zhuǎn)速為正電機正向運行,為負反向運行。轉(zhuǎn)速相應過調(diào)量<0.015,系統(tǒng)啟動到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時間<0.4 s,且相比較而言,轉(zhuǎn)子磁鏈圓外軌跡較為密集,而定子磁鏈軌跡則圓中心更為密集,符合系統(tǒng)技術(shù)指標。

5結(jié)束語

本文建立了雙PWM四象限交流調(diào)速系統(tǒng)的各個模塊的數(shù)學模型,并利用Matlab/Simulink搭建出仿真模型,并根據(jù)PWM變流器在各個不同時間段的不同功能,分別設計控制器采用雙閉環(huán)和矢量控制,最終達到了讓電機四象限運行的目的。同時改善了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低,諧波含量高等缺點。仿真結(jié)果顯示,系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性較好,驗證了控制策略的正確性和控制器的可用性。

參考文獻

[1]Li s,Li y.a novel fast current-control method for the back-back converters[c].Hammamet,Tunisia:IEEE International Conference on Industrial Technology(ICIT),2004.

[2]Chen Yiqiang,Ooi Boon-Teek.Multimodularmultilevel rectifier/inverter link withindepend relative power control[j].IEEE Transactions on Power Delive,1998,13(3):902-908.

[3]張興,張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[4]丁輝,胡協(xié)和.交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)控制策略綜述[j].浙江大學學報:工學版,2011,45(1):50-58.

[5]Abbondanti a,Brennen M.Variable speed induction motor drive use electronic slip calculator based on motor voltages and currents[j].IEEE Transactions on Industry Application,1975(3):483-488.

[6]王斯然.異步電機高性能變頻器若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學,2011.

[7]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[8]伍小杰,羅悅?cè)A,喬樹通.三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)綜述[j].電工技術(shù)學報,2005,20(12):7-12.

[9]陳耀軍,鐘炎平.基于合成矢量的電壓型PWM整流器電流控制研究[j].中國電機工程學報,2006,26(2):143-148.

[10]洪乃剛.電力電子電機控制系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

Three-Phase Double PWM Four Quadrant AC Power Transmission System

HUANG Minyao,YANG Wenhuan,HOU Tiantian,LI Dengke

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractBecause of uncontrolled rectifier link,traditional power converter suffers low network side power factor and high harmonic content,thus its limited application and poor speed stability and accuracy of the motor control system.Besides,it can not operate for four quadrants.This paper,a dual PWM converter system model is built by using Matlab and simulated.Then the simulation model runs while the asynchronous motor running in four quadrants based on the method of vector control.The results show that the system overcomes the disadvantages of low power and high harmonic content and that the motor had good speed stability and accuracy,indicating that the control strategy is correct and effective.

KeywordsPWM converter;Matlab;AC speed regulation;vector control

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.049

收稿日期:2015-09-29

作者簡介:黃敏瑤(1991—),男,碩士研究生。研究方向:電力電子與電力傳動。楊文煥(1954—),男,教授,碩士生導師。研究方向:電力電子與電力傳動。

中圖分類號TM461

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)05-183-04