1、電壓型P WM 整流器的雙閉環控制模型的研究謝丹雄劉惠康熊廣軍(武漢科技大學信息與工程學院湖北武漢430081摘要與目前廣泛應用交一直一交變頻調速系統相比,用P WM 整流器取代了晶閘管可控整流部分,并對P WM 整流器(VSR 的雙閉環控制模型的研究。通過仿真結果表明,該系統不僅能使直流電壓在一定范圍內可調,而且使整流器交流側電流正弦化,實現單位功率因數運行和電能雙向傳輸。關鍵詞電源整流器雙閉環脈沖寬幅調制功率因數變頻中圖分類號T M461文獻標識碼AResearch on the Dual 2Close 2Loop Controlli n g M odelof the P WM Volt

2、age Source Recti fi erXie Danxi ong L iu Huikang Xi ong Guangjun(W uhan University of Science and Technol ogy,W uhan 430081ABSTRACT Compare t o the AC 2DC 2AC in the conventi onal VF s peed regulati on,the P WM rectifier is intr o 2duced in the paper t o take p lace of the thyrist or rectifier and h

3、ave a research of the dual 2cl ose 2l oop contr ol model of the P WM .According t o the si m ulati on,the P WM syste m not only adjusts the DC voltage in a certain range,but als o makes the current in AC side of the rectifier be sinus oid,creates unity power fact or and make power reversible .KE YWO

4、 R D S Voltage s ource rectifier Dual 2cl ose 2l oop Pulse width modulati on Power fact or Variable frequency1引言在工業應用中,整流技術(AC DC 已不斷發展,現行的整流裝置如晶閘管可控整流,就能夠得到較為平滑的直流電壓,但對電網注入了大量的無功功率和諧波電流,給電網造成了嚴重的“污染”。解決這一問題的根本途徑就是控制輸入側交流電網的電流。利用電壓型P WM 整流器(VSR 能夠實現對整流側電流的控制。2電壓型P WM 整流器(VSR的基本結構圖1為電壓型P WM 控制的整流部分,e

5、 a ,e b ,e c 為三相電網電動勢,L 為交流側濾波電感,電阻R 為濾波電感L 的等效電阻和功率開關損耗等效電阻的合并,C 為直流側電容,R L 為負載,e L 為直流電動勢。V a ,V b ,V c 為上橋臂I G BT 管,V 3a ,V 3b ,V 3c 為下橋臂I G BT 管 。圖1電壓型P WM 整流器結構圖(VSR65Total No .173February 2009冶金設備M ET ALLURGI C AL E QU I P ME NT 總第173期2009年2月第1期作者簡介:謝丹雄,男,1982年出生,武漢科技大學信息科學與工程學院控制理論與控制工程專業碩士在讀

6、研究生,研究方向為新型電氣傳動系統3電壓型P WM 整流器(VSR的數學模型對三相靜止對稱坐標系a,b,c 的VSR 一般數學模型研究發現,雖然它具有物理意義清晰、直觀等特點,但其VSR 交流側均為時變交流量,不利于控制系統的設計。為此通過坐標變換將三相對稱靜止坐標系a,b,c 轉換成以電網基波頻率同步旋轉的d,q 坐標系。這樣,三相對稱靜止 坐標系中的基波正弦變量將轉化成同步旋轉坐標系中的直流量,從而簡化了控制系統設計。如圖2所示。其中通用電流矢量I 。圖2靜止坐標系a,b,c,同步旋轉坐標(d,q 及矢量分解三相VSR dq 模型可描敘為:e d e q=L P +R -L L L P +

7、Ri d i q+d q(1式中e d ,e q 電網電動勢矢量E dq 的d,q 分量;d ,q 三相VSR 交流側電壓矢量V dq 的d,q 分量;i d ,i q 三相VSR 交流側電流矢量I dq 的d,q 分量;p 微分算子;電網基波角頻率。4三相VSR 雙閉環控制系統設計采用前饋解耦控制策略,電流調節器采用P I 調節器時,d ,q 的控制方程如下:q =-K ip +K iI s(i 3q -i q -L i d +e q(2d =-K ip +K iI s(i 3d -i d -L i q +e d (3式中K iP ,K iI 電流內環的比例調節增益和積分調節增益(下標表示i

8、 電流環;i 3q ,i 3d i q ,i d 電流指令值。這樣,三相VSR 網側的有功、無功分量可實現獨立控制。以電壓外環P I 調節器控制直流側電壓和電流內環的給定。電流內環P I 調節器進行快速電流追蹤,并實行網側單位因數正弦波電流控制。系統控制結構如圖3。圖3電壓電流雙閉環系統結構模型圖圖中,a 、為三相VSR 交流側電壓矢量V 的,分量;S VP WM 為電壓空間矢量P WM;3dc ,dc 為直流電壓指令值和實際值。4.1電流內環的設計由于i q 、i d 兩電流內環的對稱性,因而下面以i q 的控制來設計。考慮電流內環信號采用的延遲和P WM 控制的小慣性特性,已解耦的i q

9、電流內環結構如圖4。圖4電流內環結構圖圖4中,T s 為電流內環電流采樣周期,K P WM為橋路P WM 等效增益。在不考慮擾動的情況下,且將P I 調節器的傳遞函數寫成零極點的形式,即K ip +K iIs=K ip i s +1i s 、K iI =K iP i。為了是使電流內環獲得較快的跟隨性能,按典型型來設計電流調節器,取i =LR校正后,電流內環的傳遞函數可簡化為W oi (s =K iP K P WM R i s (1.5T s +1(5由典型型系統參數整定關系,取系統阻尼比=0.707,當開關頻率足夠高時,T s 足夠小,電流內環的閉環傳遞函數簡化為W ci (s =11+R i

10、K iP K P WMs=11+3T s s(64.2電壓外環的設計電壓外環控制的目的是為了穩定VSR 直流75謝丹雄等:電壓型P WM 整流器的雙閉環控制模型的研究2009年2月第1期側電壓dc ,控制結構圖如圖5,時變環節0.75m cos(為開關函數基波初始相位角,m 為P WM 調制比,取最大增益0.75,此時對整個電壓環穩定性影響最大。為簡化控制結構將電壓采樣小慣性時間常數和電流內環等效小時間常數3T s 合并,即T e =+3T s ,且不考慮負載電流i L 擾動。得出電壓開環傳遞函數為W o (s =0.75K (T s +1CT s 2(T e s +1 圖5三相VSR 電壓外

11、環控制結構圖由此,電壓環中頻寬h =T T e ,根據典型型系統控制器參數整定關系有0.75K CT =h +12h 2T 2e (7綜合考慮電壓環控制系統的抗擾性及跟隨性,工程上一般取h =T T e =5,代入到式(7中得T =5T ev =5(+3T s K =4C /(+3T s 。5系統仿真仿真軟件采用MAT LAB 中的Si m ulink 。輸入電壓220V 、頻率50Hz,電感L 為7.5mH,R 為10歐,負載電阻R L 為50歐,直流電動勢e L 為350V,電容100F 。開關頻率取5KHZ 。在圖6中,x 軸單位為時間S,y 軸單位為電壓V 和電流A 。6結論采用了雙閉

12、環控制策略P WM 整流器具有電流諧波小,輸入電流正弦波,功率因數趨于1,直流側電壓可調,實現能量雙向流動。在投入運行的磁力吊車系統中減少了諧波“污染”,節省了耗電量,效果顯著 。圖6系統仿真圖參考文獻1張崇巍,張興.P WM 整流器及其控制M .北京:機械工業出版社,20032陳伯時.電力拖動自動控制系統M .北京:機械工業出版社,20003MAR I A N P Current contr ol techniques f or three phasevoltage -s ource P WM converters:A Surrey J .I EEE Trans and Electr onics,1998,Vol .45(5:691703(收稿日期:2008-09-28業界動態首創鋼管及冷彎型鋼用新型軋輥通過鑒定山東省科學技術廳委托山東省冶金工業總公司,組織相關領域的兩位院士及研究員、博導、教授、高工等13位專家,于2008年11月17日在濟南市對山東省四方技術開發有限公司完成的"鋼管及冷彎型鋼用新型軋輥的研制與應用"項目進行了鑒定,鑒定委員會對該成果給予充分肯定。該項目研發的多元素復合變質的鑄造高鉻合金材料,從本質上改善了