三相PWM整流器空間矢量控制簡(jiǎn)化算法的研究

1、 第21卷第2期2002年4月電工電能新技術(shù)V ol. 21,N o. 2Apr. 2002三相PWM 整流器空間矢量控制簡(jiǎn)化算法的研究浦志勇, 黃立培, 吳學(xué)智(清華大學(xué)電機(jī)系, 北京100084摘要:常規(guī)的空間矢量控制方法需要進(jìn)行復(fù)雜的正弦函數(shù)、反正切函數(shù)運(yùn)算, 由低成本的單片機(jī)控坐制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為困難。本文提出了一種空間矢量的簡(jiǎn)化算法。該方法根據(jù)參考電壓矢量在標(biāo)系上的分量, 直接計(jì)算電壓空間矢量在各個(gè)扇區(qū)內(nèi)的作用時(shí)間, 簡(jiǎn)化了運(yùn)算過程。并以Intel80C196MC 單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)制作了一套三相PW M 整流器的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出電壓空間矢量控制簡(jiǎn)化算法的有效性。關(guān)鍵

2、詞:PW M ; 整流器; 空間矢量調(diào)制中圖分類號(hào):T M461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100323076(2002 02200562051概述, 1,2數(shù), 。為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行, 目前許多工業(yè)國(guó)、國(guó)際電工組織都制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn), 如IEEE519, IEC55522等。我國(guó)于1993年由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量及公用電網(wǎng)諧(G 波B T 14549293 , 并于1994年3月1日起正式執(zhí)行。為了解決電力電子裝置的諧波污染問題, 可以裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置, 或者設(shè)計(jì)新型的電力電子裝置, 使其不產(chǎn)生諧波, 且功率因數(shù)為1。這種變流器被稱為單位功率因數(shù)變換器(U

3、nity P ower Factor C on 2verter 。PW M 整流器就是可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的新3,4型變換器。根據(jù)是否檢測(cè)整流器的輸入電流并將電流信號(hào)作為反饋量進(jìn)行控制,PW M 整流器的控制策略可分56為直接電流控制和間接電流控制。三相電壓空間矢量控制PW M 整流器, 屬于直接電流控制, 其主要特點(diǎn)有:每個(gè)矢量切換區(qū)間都是以零矢量開始和結(jié)束; 每個(gè)區(qū)間雖有多次開關(guān)狀況的切換, 但是每次切換只涉及一個(gè)開關(guān)器件等。然而, 要實(shí)現(xiàn)PW M 整流器的電壓空間矢量控制, 常規(guī)方法中需要解決正弦函數(shù)、反正切函數(shù)查表收稿日期:2001208215, 所以一般使用( 。本文通過, 提出了空間

4、矢量的簡(jiǎn)化算法, 以一片Intel 80C196MC 單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)了三相PW M 整流器的控制。72空間矢量控制的簡(jiǎn)化算法電壓空間矢量控制的三相PW M 整流器如圖1所示。由于輸入電流i sk (k =a , b , c 和直流電壓U dc 互相影響, 這給控制帶來了困難, 同時(shí)也就產(chǎn)生了不同的控制方法。本文采用PI 調(diào)節(jié)器分別對(duì)直流電壓和輸入電流進(jìn)行控制:直流電壓PI 調(diào)節(jié)器輸3出得到的三相參考電流幅值I m 與交流電壓相位信號(hào)相乘后得到參考電流信號(hào)i sk , i sk 與實(shí)際電流i sk 比較得到電流誤差; 對(duì)電流誤差進(jìn)行的PI 調(diào)節(jié), 用以減緩電流在動(dòng)態(tài)過程中的突變。在采用電壓空間

5、矢量PW M 控制系統(tǒng)中, 定義如下空間矢量:1 電網(wǎng)電壓空間矢量U S =U S =+jU s332(u sa +u sb +u sc (1 32(i sa +i sb +i sc 32 線電流空間矢量I S =i S +ji s =(2作者簡(jiǎn)介:浦志勇(19762 , 男, 江蘇籍, 碩士, 主攻電力電子應(yīng)用技術(shù);黃立培(19472 , 男, 江蘇籍, 教授, 博士, 主攻電力電子變流技術(shù)和電動(dòng)機(jī)控制。 第2期浦志勇, 等:三相PW M 整流器空間矢量控制簡(jiǎn)化算法的研究57圖1三相PW M 整流器的電壓空間矢量控制Fig. 1S pace 2vector 2 control of thre

6、e 2phase rectifier3 參考電壓空間矢量U R f =U R f +jU R f j232R (3, 并U R f T S =V 1T 1+V 2T 2(5T 0=T S -T 1-T 2圖3中, U R f 、U R f 、為U R f 在, 軸上的坐標(biāo)值。矢量U R f 與軸夾角為, 且tan =U R f U R f 。通常情況下, 由tan 確定U R f 在空間矢量圖上的角度, 進(jìn)而通過反正切、正弦函數(shù)求出矢量作用時(shí)間T 1、T 2。其中:=e設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡, 且只考慮基波分量, 則空間矢量U S , I S , U R f 的關(guān)系如圖2所示, 并有: U R f

7、 =U S -R S I S -L S I S T S其中T S 為采樣周期。(4圖2空間矢量的關(guān)系圖Fig. 2Relationship of space vectors圖3電壓矢量空間分布圖Fig. 3V oltage space vectors in a com plex plane211矢量作用時(shí)間的確定如圖3所示, 三相PW M 整流器有6個(gè)有效空間電壓矢量(V i , i =16 和兩個(gè)零矢量(V 0, V 7 。參考電壓空間矢量U R f , 由它所在的扇區(qū)中相鄰的兩本文根據(jù)參考電壓矢量在, 軸上的坐標(biāo)系上的分量, 直接計(jì)算空間矢量在各個(gè)扇區(qū)內(nèi)的作用時(shí)間。由圖3, 在扇區(qū)I 中,

8、 滿足: 58V T 1+3dcV sin60° T 23dc電工電能新技術(shù)V cos60°T 23dc第21卷U R f T S =U R f T S =則扇區(qū)分別對(duì)應(yīng)如下區(qū)域:R =S ab S bc S caR =S ab S bc S ca R =S ab S bc S ca R =S ab S bc S ca R =S ab S bc S ca R =S ab S bc S ca(6(9根據(jù)式(6 , 可計(jì)算出T 1和T 2。在其余各扇區(qū)內(nèi)均有此類似關(guān)系。如果定義:T 1X =T S其中S ab 表示S ab =1, S bc 表示S bc =1, S ca 表示

9、S ca|U R f |(7=0, 第I 扇區(qū)對(duì)應(yīng)所有S ab =1、S bc =1、S ca =0的區(qū)V 3dcT ST 2X =|U Rf |V sin60°3dc域; 其余類似。213開關(guān)矢量的確定根據(jù)一個(gè)開關(guān)周期中插入零矢量方式的不同, 常用的空間電壓矢量有三段式和七段式合成方法, 七段式合成方法如圖4所示, , 本文采用的(000 , (111 , 非零矢量的順, 如表2所示。由于后三段矢量及其作用時(shí)間與前三段關(guān)于中間零矢量(111 對(duì)稱, 為簡(jiǎn)化計(jì), 表中沒有列入后三段矢量。則合成參考電壓矢量的空間矢量在各個(gè)扇區(qū)內(nèi)的作用時(shí)間如表1所示。T 1和T 2在各個(gè)扇區(qū)的值具有規(guī)律

10、性:第扇區(qū)的矢量作用時(shí)間T 1、T 2和第扇區(qū)的T 1、T 2相同, 第和第、T 1、T 2分別和第T 21, 其余各扇區(qū)也均有此類似規(guī)律。該方法不必計(jì)算, 避免了正弦函數(shù)、反正切函數(shù)的查表問題。表1空間矢量在各扇區(qū)內(nèi)的開關(guān)時(shí)間T ab. 1Duty cycles of space vectors in each sector扇區(qū)U R f T 1T 1X -T 2X 2T 2T 2X 1X +T 2X 任意0<0任意任意0<0任意-T 1X +T 2X T 1X +T 2X T 2X T 2X1X +T 2X T 1X -T 2X T 1X -T 2X T 1X +T 2X -T

11、 1X +T 2X T 1X +T 2X 圖4第I 扇區(qū)內(nèi)空間矢量作用時(shí)間圖Fig. 4Duty cycles of space vectors in sector I1X +T 2X 2XT 1X -T 2X 表2各扇區(qū)內(nèi)空間矢量及其開關(guān)時(shí)間表T ab. 2S pace vectors and duty cycles in each sector212扇區(qū)的確定在空間矢量控制中, 通常根據(jù)計(jì)算出的夾角來確定扇區(qū)。由于本文不計(jì)算, 所以采用了如下方法確定矢量所在扇區(qū)。S ab =sign (U R fa -U R fb 時(shí)間扇區(qū)T 0/4T 1/2T 2/2T 0/2零矢量(000 (000

12、(000 (000 (000 (000矢量1(100 (010 (010 (001 (001 (100矢量2(110 (110 (011 (011 (101 (101零矢量(111 (111 (111 (111 (111 (111定義S bc =sign (U R fb -U R fc S ca =sign (U R fc -U R fa 其中sign (x 函數(shù)定義如下:sign (x =10x 0x <0(8 第2期浦志勇, 等:三相PW M 整流器空間矢量控制簡(jiǎn)化算法的研究593實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文采用Intel 80C196MC 作為系統(tǒng)控制的核心, 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。采樣板分別對(duì)

13、輸入電壓、輸入電流和直流電壓進(jìn)行檢測(cè), 保護(hù)板實(shí)現(xiàn)交流電流過流, 直流電壓過壓和散熱器過熱等保護(hù)。單片機(jī)與PC 機(jī)通過串口RS232通訊, 80C196MC 系列單片機(jī)特有的波形發(fā)生器WFG 發(fā)出6路PW M 脈沖, 通過驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路IG BT 的控制。圖中EXTI NT 為單片機(jī)外部中斷信號(hào)?；赑I 調(diào)節(jié)的PW M 整流器空間矢量控制器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6(a 中, 上部分為交流電壓波形, 下部分為與該相對(duì)應(yīng)的交流電流波形, 可以看到, 輸入電流和電壓基本同相位, 電流波形接近正弦, 所以功率因數(shù)近似為1; 圖6(b 中, 上部分為直流電壓波形, 可以看到, 直流電壓基本維持恒

14、定。4結(jié)論本文針對(duì)常規(guī)方法中正弦函數(shù)、反正切函數(shù)查表的問題, 采用直接計(jì)算合成參考電壓矢量的電壓空間矢量在各個(gè)扇區(qū)內(nèi)作用時(shí)間的方法, 簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。并以Intel 80C196MC , 。實(shí)驗(yàn)結(jié)。圖5Fig. 5 of PI 行了很好的控制, 實(shí)現(xiàn)了輸入電流正弦的高功率因數(shù)整流。論文所提出的簡(jiǎn)化控制算法, 不僅可以用于PW M 整流, 亦可以用于PW M 逆變控制。參考文獻(xiàn):1董曉鵬, 王兆安. 降低PW M 整流器開關(guān)損耗的控制新方法J.電工電能新技術(shù), 1998, 17(4 :124.2曾江, 倪以信, 陳壽孫, 等. 有源濾波器電流控制性方法J.電工電能新技術(shù), 2000,19(4 :

15、27232.3S tankovic A V , Lipo T A. A generalized control method forinput 2output harm onic elimination for the PW M boost rectifier under simultaneous unbalanced input v oltages and input im 2pedances A.IEEE PESC 2001C.130921314. 4Matsuse K ouki , K ubota Hisao , Huang Lipei. Per formance ofPW M 2con

16、trolled thyristor rectifier operating at unity funda 2mental power factor in PW M current s ource G T O inverter sys 2tem for induction m otor drives J.IEEE T rans. on Industry Applications , 1994, 30(3 :6992706.5Marian P K azmierkowski , Luigi Malesani. Current controltechniques for three 2phase v

17、oltage 2s ource PW M converters :A survey J.IEEE T rans. on Industrial E lectronics , 1998, 48(5 :6912703.6Dix on Juan W , O oi Boon 2T eck. Indirect current control of aunity power factor sinus oidal current boost type three 2phase rectifier J.IEEE T rans. on Industrial E lectronics , 1988, 35(4 :5

18、082515.圖6穩(wěn)態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 6S teady 2state experimental results7詹長(zhǎng)江, 劉平, 康勇, 等. 基于空間矢量SPW M 控制的高頻整流器J.電力電子技術(shù). 1997, 31(2 :57259. 60電工電能新技術(shù)第21卷R esearch on simplified algorithm of the three 2phasePWM rectifier with space vector controlPU Zhi 2y ong , H UANGLi 2pei ,W U Xue 2zhi(Dept. of E lectrical Engine

19、ering , Tsinghua University , Beijing 100084, China Abstract :A sim plified alg orithm is proposed in this paper for space vector PW M rectifier. This alg orithm av oids the look 2up tables of sine and or arc 2tangent and com plex calculations needed in the conventional methods by directly calcu 2la

20、ting the duty cycles of space v oltage vectors tracking the reference v oltage vector in each sector in the space vector plane. Experimental results with an Intel 162bit microprocess or of 80C196MC validate the proposed alg orithm. K ey w ords :PW M ; rectifier ; space vector m odulation (S VM (上接第4

21、8頁(yè), cont. from p. 48除這個(gè)反沖窄脈沖。圖3(a (b 分別是在相同負(fù)載條件下, 選擇不同的緩沖吸收電容, 來的逆變器輸出波形, 我們把沖擊脈沖的波形分為三段。第一段從Q1變?yōu)榻刂? 即t =0時(shí)刻起; 到t =t 1, 即波形開始以正弦規(guī)律上升止。第二段是從t =t 1起, 到脈沖達(dá)到最大值為止的一段。第三段是脈沖從最大值開始下降為(7 、起點(diǎn); 到降至零為止。根據(jù)圖3和公式(1 、(8 , 我們可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1 增大緩沖吸收電容可以減小開關(guān)上附加的那部分電壓V m 和輸出波形中的反沖脈沖;(2 緩沖吸收電容越大則能量恢復(fù)的時(shí)間越長(zhǎng),常數(shù)均與C 有關(guān);(3 , ,

22、 但負(fù)載的。從理論分析其原I o 也大。從前I o 的大小成正比。參考文獻(xiàn):1Daniel W Hart. Introduction to power electronics M.Pren 2tice 2Hall , 1997.2M Malengret. Design of sinewave inverter for alternative ener 2gy A .AFRIC ON 92Proceedings C .3rd AFRIC ON C on ference , Sept. 1992. 95298.3LI U Chaoying , Joe Zhu , V S Ramsden. A push 2pull v oltages ource inverter with loss less