基于DSP的四象限变流器瞬态直接电流控制研究Word文件下载.docx
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定义理想开关函数Sa，Sb如下：
Sa=1（VT1开通，VT2关断）0（VT1
关断，VT2
开通!
）Sb=1（VT3开通，VT4关断）0
（VT3
关断，VT4
）
"
$#$%
（1）
根据式
（1）易知，理想开关函数Sa，Sb有4种有
效组合，即SaSb=00，01，10，114种逻辑，图1中的
uab有Udc，0，-Udc3个电平，则uab=（Sa-Sb）Udc。
将VT1，VD1用开关Sa代替；
VT2，VD2用开关Sb代替，可得到四象限变流器的数学模型为：
CddUdc/dt=（Sa-Sb）In-Udc/RL-i2Lndis/dt=us-（Sa-Sb）Udc-isRnL2di2/dt=Udc-uC2，C2duC2/dt=i2"
$
#
$
%
（2）3瞬态直接电流控制
四象限变流器瞬态直接电流控制原理如图2所
示。
瞬态直接电流控制采用电压外环和电流内环的
双闭环控制。
电压外环采用PI电压控制器，使Udc跟踪给定值Udc*，从而保持直流侧电压稳定；
电流内环采用电流控制，锁相环（PLL）检测网侧电网电压，所得到的网侧电网电压的相位和频率作为电流给定值is*的相位和频率。
与电网电压同频同相的is*作为电
基于DSP的四象限变流器瞬态直接电流控制研究
代云中，许建平，杨
平，张
斐
（西南交通大学，四川成都610031）
摘要：
介绍了四象限变流器瞬态直接电流控制的Matlab建模和仿真方法，建立了四象限变流器的数学模型，并对四
象限变流器的牵引工况和再生工况进行了分析。
仿真和基于TMS320F2812的实验样机验证了该控制算法不但能有效抑制注入电网的谐波电流，获得稳定的直流输出电压，而且实现了功率因数校正和能量双向流动。
关键词：
变流器；
功率因数校正；
瞬态电流控制；
数字信号处理器中图分类号：
TM46
文献标识码：
A
文章编号：
1000-100X（2010）08-0037-02
TransientCurrentControlofFourQuadrantConverterBasedonDSP
DAIYun-zhong，XUJian-ping，YANGPing，ZHANGFei
（SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China）
Abstract：
AMatlabsimulationmethodisintroducedtorealizethetransientcurrentcontroloffourquadrantconverterand
itsmathematicalmodeisestablished.Analysisthedynamicresponse，tractionconditionandregenerationconditionareper-formed.AprototypebasedonTMS320F2812isbuilttoverifytheperformanceofthecontrolscheme.Thesimulationandexperimentalresultsshowthattheharmonicisrestrainedeffectivelyandpowerfactorcorrectioncanbeachievedbyusingthecontrolscheme.
Keywords：
converter；
powerfactorcorrection；
transientcurrentcontrol；
digitalsignalprocessor
FoundationProject：
SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.50677056）；
NationalKeyTechnolo-giesR&
DProgramofChina（No.2009BAG12A05）
图1四象限变流器主电路
Vol.44，No.8August，2010
37
流内环的输入信号，使网侧电流is跟踪is*，从而实现网侧输入端
PFC。
由图2可得：
is1
*
=Kp
（Udc*-Udc）+1/Ti乙
（Udc*-Udc）dtis2*=姨IdcUdc/Unm，is*=is1*+is2*uab（t）=us（t）-ωLis*cosωt-RNis*sinωt-ui姨姨姨姨姨
（3）
式中：
ui为牵引变压器次级绕组电流偏差所带来的感应电压，
ui=K[is*sinωt-is（t）]，K为比例放大系数；
Ti和Kp为PI调节器的参数；
Unm为网侧电压峰值；
ω为网侧电压角频率。
ui用于对uab（t）
进行修正。
为减轻直流环节电压PI调节器的负荷，
改善PI调节器的动态响应[4-5]，采用Idc来计算给定电流的有效分量is2*，
其结果与is1*相加后作为交流电流的给定值is*，从而获得参考电压信
号即调制信号uab（t）
4Matlab仿真结果与分析
为研究电力机车牵引四象限变流器在各种运行
工况的控制特性，设计功率样机参数为：
输入电压为
110V/50Hz，
额定容量500W（再生工况1kW），额定直流电压200V，预充电电阻10Ω，预充电到输出电压为180V时切断预充电电阻，Ln=5mH，Rn=0.2Ω，直流侧支撑电容Cd=1410μF/450V；
次级滤波电路参数为：
L2=0.76mH，C2=3300μF/450V。
系统仿真结构如图3所示，限压斩波器由开关
VT5，VD5和100Ω的放电电阻组成。
仿真中，采用直流侧投切电阻来模拟负载突变。
分两次投入负载，每次投入一个电阻，系统输出功率相应增加250W，两个电阻（R1，R2）
全部投入时总功率达500W；
然后，将两个电阻全部同时切除，并同时将一个310V直
流电压源和22Ω电阻的串联支路投入，
模拟满功率牵引突变为满功率再生的工作情况；
最后，切除再生支路，负载电阻（R3，R4）
分两次投入，模拟满功率再生分两次转换到满功率牵引工作情况。
启动过程仿真波形如图4所示。
启动时电网对中间直流环节充电，当直流侧电压充电到180V时，
开关S1闭合，
切除限流电阻，进入稳态后Udc的脉动很小，超调量小于0.5%。
负载从250W增加到500W时，模拟牵引工况加大负载时的情况下，瞬态直接电流控制时Udc波
动较小,最大、最小电压分别为201V，196V，
波动范围不超过5%。
牵引工况向再生工况切换时Udc波形经过3个工频周期，即可实现由牵引工况向再生工况的平滑切换，功率因数从1变为-1。
为模拟四象限变流器，再生工况下投入限压斩波器和放电电阻，对
Udc进行测试，
限压斩波器可把输出电压限制在210V以下。
满功率再生分两次转入满功率牵引时，对Udc进行测试，两次加负载时，Udc的波动比较小，最大、最小电压分别为201V，190V，波动范围小于5%。
满功率再生转入50%额定牵引功率时，测试了电网
输入电压、
电流，经1.5个工频周期，实现由再生工况向牵引工况的平滑切换。
5实验结果分析
设计了基于TMS320F2812的实验样机。
功率器件选择IPM（PS21869）600V/20A，实验样机主要电路参数：
Un=55V，Ln=5mH/10A，Cd=1410μF/450V，
开关频率fn=1250Hz，
负载电阻RL=400Ω。
对电网电压波动10%时，网侧电流与直流侧电
压进行了测试。
结果表明，10%的电网电压扰动对四
象限变流器直流侧电压影响较小，直流输出电压经过很小的波动后，很快达到稳态，表明系统具有良好的抗电网电压扰动性能。
四象限变流器工作于牵引工况下的稳态电网电压与电网电流波形如图5a所示。
图4四象限变流器的启动过程波形
图5实验波形
（上接第
38
页）
ubr（t）=姨msin（ωt-π/3）
ucr（t）=姨msin（ωt-2π/3姨
）（11）
可见，FS-SVPWM实质是两个相位相差π/3电角度的正弦波与三角载波调制出的SPWM波。
这样，通过两路满足相位相差π/3电角度的正弦波与三角载波相调制，即可等效地实现FS-SVPWM。
4仿真与实验
为验证四开关逆变器SVPWM理论分析和算法正确性，利用Matlab/Simulink建立四开关逆变器SVPWM控制模型，并基于TMS320F2812搭建四开关逆变器供电的永磁同步电动机矢量控制系统实验平台，进行仿真和实验研究。
实验中的SVPWM算法
通过DSP程序实现。
仿真和实验参数：
定子电阻R=3.5Ω；
d，q轴电感Ld=Lq=11.5mH，极对数Pn=3，转子转动惯量J=4.4×
10-4kg·
m2，额定转矩为3N·
m，直流母线电流为300V，电机转速为1000r·
min-1，
负载转矩为1.5N·
m，
开关频率15kHz。
图5示出实验波形。
在FS-SVPWM的控制下，图5所示实验结果
证明了四开关逆变器输出为三相对称的正弦基波
电流，电机运行平稳。
实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。
5结论
在对四开关逆变器的SVPWM控制方法进行理
论分析及仿真实验后，得出以下结论：
①从磁链控制角度出发，利用SVPWM调制可对四开关逆变器进行有效控制，满足逆变器容错和低成本的要求；
②为减少功率器件的开关频率、减小磁链波动，提出了
FS-SVPWM的“七段式”实现方法；
③从PWM的原
理出发，揭示出FS-SVPWM控制实质是以两路相位相差π/3电角度的正弦波为隐含调制函数的SPWM调制，为FS-SVPWM提供了简单的等效实现方法。
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（2）
：
133-137.
图5实验结果
由图5a可见电压与电流同相位，系统功率因数
较高，约为0.98。
如图5b可见网侧电流谐波含量低。
网侧输入端电压如图5c所示，输入端电压为两电平波形并保持稳定，电流正弦性好。
如图5d可见输出直流电压稳定在100V，脉动小。
实验结果表明系统运行稳定、可靠，验证了四象限变流器瞬态直接电流控制的有效性和Matlab仿真结果。
6结论
通过仿真对四象限变流器系统的结构、系统的
稳定性、系统的动静态响应以及系统的参数对系统
的可靠性、
稳定等性能的影响进行了研究。
仿真和实验结果表明，建立在瞬态模型基础上的瞬态直接电流控制，具有良好的动态响应和稳态特性。
基于数字信号处理器TMS320F2812和全控开关元件模块IPM的实验系统的实验结果表明，该控制策略不仅实现了单位功率因数校正，有效抑制了注入电网的
谐波，还实现了直流侧电压稳定和能量双向流动。
系统具有良好的稳定性、动静态特性和抗电网扰动等性能，功率样机实验验证了该控制算法的正确性。
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46
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