基于多驅動的變頻調速系統(tǒng)的控制策略*

胡小鋒

(湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001)

多驅動變頻調速系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的交-直-交間接變頻調速系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的.在實際工業(yè)應用中，將不同功率等級的逆變單元接在同一個直流母線上.根據(jù)實際工況要求，選用盡可能大的功率等級整流單元，不僅可以節(jié)省投資,還可以降低能耗，最大化運用能源.所以多驅動的變頻調速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運用到了工業(yè)領域.但是，由于直流母線上的電容器組體積較大，使傳統(tǒng)多驅動變頻調速系統(tǒng)難以滿足要求集成度高、體積小的應用場合.筆者提出了一種新型的多驅動的變頻調速系統(tǒng)的拓撲電路，并分析拓撲電路的換流策略和控制策略，最后通過Matlab仿真來證實了本拓撲電路的有效性和可靠性.

1 拓撲電路

傳統(tǒng)使用的多驅動變頻調速系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 傳統(tǒng)的多驅動變頻調速系統(tǒng)

當前最新的多驅動變頻調速系統(tǒng)的拓撲電路，包括整流和逆流兩部分，其中含有直流環(huán)節(jié)，但是卻沒有儲能元件.逆變部分由多個傳統(tǒng)三相PWM逆變器組成，如圖2所示.整流部分由12開關組成，能量可以雙向流動，整個系統(tǒng)拓撲電路如圖3所示.

圖2 三相PWM逆變電路

圖3 新型多驅動調速系統(tǒng)的拓撲電路

2 換流策略

因為輸出側是使用的傳統(tǒng)三相DC/AC逆變器，逆變器里面的逆變部分換流問題可以通過使用插入死區(qū)時間未解決.輸入側開關采用零電流換流法[1]，它的基本原理是：輸入側開關換流時，先使逆變部分工作在零矢量狀態(tài)，直流電流idc為零，從而減少了開關損耗.以a相換b相為例，在斷開a相之前，先使各逆變單元工作零矢量v0或v7，idc=0，然后b相接通，從而實現(xiàn)安全換流，如圖4所示.

圖4 12型開關整流電路的零電流換流

3 控制原理

本系統(tǒng)的控制原理包括單位輸入功率因數(shù)的PWM整流控制，其次還包括輸出電壓的空間矢量的逆變控制.為了簡化問題的分析，作如下假定：

(1)輸入側無LC濾波器：

Lf=0,Cf=0，usx=ux,Isx=Ix,X=a,b,c.

(2)三相輸入電壓：

(1)

(3)負載1三相輸出電流：

(2)

(4)負載2三相輸出電流：

(3)

(5)負載3三相輸出電流：

(4)

(6)三個負載的功率因數(shù)角分別為φ1,φ2,φ3.

方程組(1)～(4)中：wi是輸入電壓及電流的角頻率;w01，w02，w03分別是1，2，3路負載的輸出電壓及電流的角頻率;φ01，φ02，φ03分別是1，2，3路負載u相輸出電流的初相角；U1是輸入相電壓的最大幅值；I01，I02，I03分別是1，2，3路負載輸出相電流的最大幅值.

3.1 PWM整流控制

首先將三相輸入電壓分成六個區(qū)間，其中每個區(qū)間的三相電壓的極性都保持不變，在三相中，有一相電壓具有正相或負相的最大的幅值，如圖5所示.

圖5 一個周期內三相輸入電壓的六個區(qū)間

然后將一個開關周期ts分為兩部分，其中兩部分的輸入側開關的組合是不同的.為了獲得最大輸出的電壓和減小開關的損耗，因此每個區(qū)間內都固定一相輸入的電壓于直流正極p端或負極n端，如表1所示.

表1 輸入相電壓的鉗位表

下文以第3區(qū)間為例，論述單位輸入功率因數(shù)的PWM整流控制.因為b相固定直流的正極p端，在開關周期內的直流電壓udc，分別為線電壓ubc和uba，可以計算出一個開關周期內直流電壓的平均值,

(5)

dbc+dba=1.

(6)

其中dbc，dba分別為ubc和uba在一個開關周期內的導通率.

想獲得單位輸入功率的因數(shù)，一定要保證其中基波的輸入電壓和輸入電流之間成比例關系：

(7)

由式(3)～(6)可求得

(8)

3.2 SVPWM逆變控制

(9)

同理可求得負載2和3的有效矢量和零矢量的作用時間，從而

(10)

(11)

綜合式(9)～(11)可求得

(12)

由式(7)，(12)可求得

圖6以負載1為例說明了一個開關周期的PWM調制過程以及零電流換流的實現(xiàn)過程.為了使整流側安全換流，逆變側必須具有最小零矢量作用時間tmin，因此最大電壓傳輸比Mmax<0.866.

圖6 負載1的PWM調制過程

4 仿真結果

通過MATLAB/SIMULINK對圖5拓撲電路做了如下仿真實驗.本仿真使用的變換器參數(shù)如下：

輸入部分：UN= 380 V，fN=60 Hz，Lf=200 μH，Cf=30 μF，輸入電阻Rin= 0.2 Ω；

輸出負載1為三相異步感應電機簡單模型：PN=4 kW，UN=380 V，fN=50 Hz，R1=1.79 Ω，L1=7 mH，IN=6.9 A，nN=1 430 r/min，K1=0.8；

輸出負載2：R2=100 Ω,L2=30 mH,fout2=40 Hz，K2=0.6；

輸出負載3：R3=100 Ω,L3=50 mH,fout3=20 Hz，K3=0.4；

調制頻率：8 kHz.

仿真分為兩個階段：第一階段t≤0.9 s，電機在電動運行指令下運行，輸出功率為3 kW；第二階段t>0.9 s，電機在發(fā)電運行指令下運行，負載功率為3 kW.

仿真結果如圖7所示.

圖7 多驅動變頻調速系統(tǒng)的仿真結果

仿真結果分析：

(2)由于電機損耗，發(fā)電運行狀態(tài)時的電機定子電流小于電動運行狀態(tài)時的定子電流.

(3)在電動運行時，a相輸入功率因數(shù)接近于1；在發(fā)電的運行過程中，a相的輸入功率因數(shù)接近于-1，但是由于有濾波電容的作用,所以使輸入電流的相位略超前于輸入的電壓.

5 結論

本文研究了一種多驅動變頻調速系統(tǒng)的控制策略和換流策略，仿真實驗驗證了理論分析結果，可得到以下基本結論：

(1)PWM整流控制和輸出電壓空間矢量的逆變控制可以應用于多驅動系統(tǒng)調速系統(tǒng).

(2)零電流換流策略可以解決輸入側的換流問題.