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

1、定义理想开关函数S a ，S b 如下：S a =1（VT 1开通，VT 2关断）0（VT 1关断，VT 2开通! ）S b =1（VT 3开通，VT 4关断）0 （VT 3关断，VT 4 ） $#$%（1）根据式（1）易知，理想开关函数S a ，S b 有4种有效组合，即S a S b =00，01，10，114种逻辑，图1中的u ab 有U dc ，0，-U dc 3个电平，则u ab =（S a -S b ）U dc 。将VT 1，VD 1用开关S a 代替；VT 2，VD 2用开关S b 代替，可得到四象限变流器的数学模型为：C d d U dc /dt=（S a -S b ）I n

2、-U dc /R L -i 2L n d i s /dt =u s -（S a -S b ）U dc -i s R n L 2d i 2/dt =U dc -u C 2，C 2d u C 2/dt =i 2 $#$%（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U dc 跟踪给定值U dc *，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i s *的相位和频率。与电网电压同频同相的i s *作为电基于DSP

3、 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）08-0037-02Transient Current Con

4、trol of Four Quadrant Converter Based on DSPDAI Yun -zhong ，XU Jian -ping ，YANG Ping ，ZHANG Fei（Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China ）Abstract ：A Matlab simulation method is introduced to realize the transient current control of four quadrant converter andits mathematical mode is esta

5、blished.Analysis the dynamic response ，traction condition and regeneration condition are per -formed.A prototype based on TMS320F2812is built to verify the performance of the control scheme.The simulation and experimental results show that the harmonic is restrained effectively and power factor corr

6、ection can be achieved by using the control scheme.Keywords ：converter ；power factor correction ；transient current control ；digital signal processorFoundation Project ：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.50677056）；National Key Technolo -gies R &D Program of China （No.2009BA

7、G12A05）图1四象限变流器主电路Vol.44，No.8August ，201037流内环的输入信号，使网侧电流i s 跟踪i s *，从而实现网侧输入端PFC 。由图2可得：i s1*=K p（U dc *-U dc ）+1/T i 乙（U dc *-U dc ）d t i s2*=姨I dc U dc /U nm ，i s *=i s1*+i s2*u ab （t ）=u s （t ）-Li s *cos t -R N i s *sin t -u i 姨姨姨姨姨（3）式中：u i 为牵引变压器次级绕组电流偏差所带来的感应电压，u i =Ki s *sin t -i s （t ），K 为比

8、例放大系数；T i 和K p 为PI 调节器的参数；U nm 为网侧电压峰值；为网侧电压角频率。u i 用于对u ab （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I dc 来计算给定电流的有效分量i s2*，其结果与i s1*相加后作为交流电流的给定值i s *，从而获得参考电压信号即调制信号u ab （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10，预充电到输出电压为

9、180V 时切断预充电电阻，L n =5mH ，R n =0.2，直流侧支撑电容C d =1410F/450V ；次级滤波电路参数为：L 2=0.76mH ，C 2=3300F/450V 。系统仿真结构如图3所示，限压斩波器由开关VT 5，VD 5和100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（R 1，R 2）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22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（R

10、3，R 4）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S 1闭合，切除限流电阻，进入稳态后U dc 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U dc 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U dc 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U dc

11、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U dc 进行测试，两次加负载时，U dc 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：U n =55V ，L n =5mH/10A ，C d =1410F/450V ，开关频率f n =1250Hz ，负载电阻R L =

12、400。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）u br （t ）=姨m sin （t -/3）u cr （t ）=姨m sin （t -2/3姨）（11）可见，FS -SVPWM 实质是两个相位相差/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/3电角度的正弦波与三角载波相调

13、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 =3.5；d ，q 轴电感L d =Lq =11.5mH ，极对数P n =3，转子转动惯量J =4.410-4kg m 2，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

14、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：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；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；从PWM 的原理出发，揭示出FS -SVPWM 控制实质是以两路相位相差/3电角度的正弦波为隐含调制函数的SPWM 调制，为FS -SVPWM 提

15、供了简单的等效实现方法。参考文献1Welchko B A ，Lipo T A ，Jahns T M ，et al.Fault Tolerant Three -phase AC Motor Drive Topologies ：a Comparison of Fea -tures ，Cost ，and limitationsJ.IEEETrans. on Power Elec -tronics ，2004，19（4）：1108-1116. 2Frede Blaabjerg ，SigurSun Dan ，He Zongyuan,et al.A NewOptimized Space Vector Mo

16、dulation Strategy for a Compo -nent Minimized Voltage Source InverterJ.IEEETrans. onPower Electronics ，1995，12（4）：577-585. 3蒋志坚，徐殿国，朱香娟. 感应电动机四开关低成本逆变器的磁链轨迹改进控制研究J.中国电机工程学报，2003，23（11）：74-79. 4孙丹，何宗元，Ivonne Yznaga Blanco ，等. 四开关逆变器供电永磁同步电机直接转矩控制系统转矩脉动抑制J.中国电机工程学报，2007，27（21）：47-52.5周卫平，吴正国，唐劲松，等.SVP

17、WM 的等效算法及SVPWM 与SPWM 的本质联系J.中国电机工程学报，2006，26（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，

18、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。1宋文胜，冯晓云，刘志敏，等. 基于DSP 单相两电平整流器的PWM 控制方法J.电力电子技术，2008，42（4）：18-24. 2李守智，潘永湘，陆剑秋. 一种有效的三相PWM 整流控制方案J.电力电子技术，2002，36（5）：17-18.3张雷，薛小军，张桢琦，等. 一种制动能量回收系统的仿真研究J.电力机车与城轨车辆，2007，32（2）：23-25. 4李伟，张黎. 交/直/交传动系统网侧变流器预测电流控制方法的计算机仿真与实现J.中国铁道科学，2002，23（6）：49-54.5邹任. 四象限变流器瞬态电流控制的仿真研究J.机车电传动，2003，10（6）：17-20.46