基于DSP的四象限變流器瞬態(tài)直接電流控制研究

1、基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50677056）；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2009BAG12A05）定稿日期：2010-02-25作者簡介：代云中（1984-），男，四川瀘州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏恳涣鱾鲃?dòng)及其控制技術(shù)。1引言我國電氣化鐵路普遍采用單相工頻25kV 供電，作為交流傳動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分的四象限變流器既要實(shí)現(xiàn)中間直流環(huán)節(jié)電壓的控制，還要實(shí)現(xiàn)供電接觸網(wǎng)或牽引變壓器初級(jí)功率因數(shù)校正（PFC ）1-2。當(dāng)四象限變流器工作在再生制動(dòng)工況時(shí)，經(jīng)脈寬調(diào)制后的網(wǎng)側(cè)輸入電流相位與網(wǎng)側(cè)電壓反相，在保持中間直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定的同時(shí)，將中間直流電路剩余的能量回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)四象限變流器能量的

2、雙向流動(dòng)。對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行測試結(jié)果表明，再生制動(dòng)給動(dòng)力蓄電池補(bǔ)充的能量，使電動(dòng)汽車充電后行駛里程增加10%25%。因此，利用再生制動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量回收有很大的發(fā)展?jié)摿?。2工作原理及數(shù)學(xué)模型圖1示出兩電平單相四象限變流器主電路。圖中IGBT 和二極管反并聯(lián)構(gòu)成功率開關(guān)單元，L n ，R n 分別為網(wǎng)側(cè)等效電感、電阻；C d 為直流側(cè)支撐電容；C 2，L 2分別為次級(jí)濾波電容和電感；u ab 為輸入端電壓。定義理想開關(guān)函數(shù)S a ，S b 如下：S a =1（VT 1開通，VT 2關(guān)斷）0（VT 1關(guān)斷，VT 2開通! ）S b =1（VT 3開通，VT 4關(guān)斷）0 （VT 3關(guān)斷，VT 4開通!

3、）" $#$%（1）根據(jù)式（1）易知，理想開關(guān)函數(shù)S a ，S b 有4種有效組合，即S a S b =00，01，10，114種邏輯，圖1中的u ab 有U dc ，0，-U dc 3個(gè)電平，則u ab =（S a -S b ）U dc 。將VT 1，VD 1用開關(guān)S a 代替；VT 2，VD 2用開關(guān)S b 代替，可得到四象限變流器的數(shù)學(xué)模型為：C d d U dc /dt=（S a -S b ）I n -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

4、 u C 2/dt =i 2" $#$%（2）3瞬態(tài)直接電流控制四象限變流器瞬態(tài)直接電流控制原理如圖2所示。瞬態(tài)直接電流控制采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。電壓外環(huán)采用PI 電壓控制器，使U dc 跟蹤給定值U dc *，從而保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)采用電流控制，鎖相環(huán)（PLL ）檢測網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓，所得到的網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓的相位和頻率作為電流給定值i s *的相位和頻率。與電網(wǎng)電壓同頻同相的i s *作為電基于DSP 的四象限變流器瞬態(tài)直接電流控制研究代云中，許建平，楊平，張斐（西南交通大學(xué)，四川成都610031）摘要：介紹了四象限變流器瞬態(tài)直接電流控制的Matlab 建模和仿真

5、方法，建立了四象限變流器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)四象限變流器的牽引工況和再生工況進(jìn)行了分析。仿真和基于TMS320F2812的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了該控制算法不但能有效抑制注入電網(wǎng)的諧波電流，獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓，而且實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正和能量雙向流動(dòng)。關(guān)鍵詞：變流器；功率因數(shù)校正；瞬態(tài)電流控制；數(shù)字信號(hào)處理器中圖分類號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-100X （2010）08-0037-02Transient Current Control of Four Quadrant Converter Based on DSPDAI Yun -zhong ，XU Jian -ping ，YANG Pin

6、g ，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 established.Analysis the dynamic response ，traction condition and regeneration conditio

7、n 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 correction can be achieved by using the control scheme.Keywords ：converter ；power facto

8、r 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.2009BAG12A05）圖1四象限變流器主電路Vol.44，No.8August ，201037流內(nèi)環(huán)的輸入信號(hào)，使網(wǎng)側(cè)電流i s 跟蹤i s *，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)輸入端

9、PFC 。由圖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 為牽引變壓器次級(jí)繞組電流偏差所帶來的感應(yīng)電壓，u i =Ki s *sin t -i s （t ），K 為比例放大系數(shù)；T i 和K p 為PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)；U nm 為網(wǎng)側(cè)電壓峰值；為網(wǎng)側(cè)電壓角頻率。u i 用于對(duì)u ab （t ）進(jìn)行修正。為減輕直流環(huán)節(jié)電壓

10、PI 調(diào)節(jié)器的負(fù)荷，改善PI 調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)4-5，采用I dc 來計(jì)算給定電流的有效分量i s2*，其結(jié)果與i s1*相加后作為交流電流的給定值i s *，從而獲得參考電壓信號(hào)即調(diào)制信號(hào)u ab （t ）。4Matlab 仿真結(jié)果與分析為研究電力機(jī)車牽引四象限變流器在各種運(yùn)行工況的控制特性，設(shè)計(jì)功率樣機(jī)參數(shù)為：輸入電壓為110V/50Hz ，額定容量500W （再生工況1kW ），額定直流電壓200V ，預(yù)充電電阻10，預(yù)充電到輸出電壓為180V 時(shí)切斷預(yù)充電電阻，L n =5mH ，R n =0.2，直流側(cè)支撐電容C d =1410F/450V ；次級(jí)濾波電路參數(shù)為：L 2=0.76mH

11、 ，C 2=3300F/450V 。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示，限壓斬波器由開關(guān)VT 5，VD 5和100的放電電阻組成。仿真中，采用直流側(cè)投切電阻來模擬負(fù)載突變。分兩次投入負(fù)載，每次投入一個(gè)電阻，系統(tǒng)輸出功率相應(yīng)增加250W ，兩個(gè)電阻（R 1，R 2）全部投入時(shí)總功率達(dá)500W ；然后，將兩個(gè)電阻全部同時(shí)切除，并同時(shí)將一個(gè)310V 直流電壓源和22電阻的串聯(lián)支路投入， 模擬滿功率牽引突變?yōu)闈M功率再生的工作情況；最后，切除再生支路，負(fù)載電阻（R 3，R 4）分兩次投入，模擬滿功率再生分兩次轉(zhuǎn)換到滿功率牽引工作情況。 啟動(dòng)過程仿真波形如圖4所示。啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)對(duì)中間直流環(huán)節(jié)充電，當(dāng)直流側(cè)電壓充電到18

12、0V 時(shí)，開關(guān)S 1閉合，切除限流電阻，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后U dc 的脈動(dòng)很小，超調(diào)量小于0.5%。負(fù)載從250W 增加到500W 時(shí)，模擬牽引工況加大負(fù)載時(shí)的情況下，瞬態(tài)直接電流控制時(shí)U dc 波動(dòng)較小, 最大、最小電壓分別為201V ，196V ，波動(dòng)范圍不超過5%。牽引工況向再生工況切換時(shí)U dc 波形經(jīng)過3個(gè)工頻周期，即可實(shí)現(xiàn)由牽引工況向再生工況的平滑切換，功率因數(shù)從1變?yōu)?1。為模擬四象限變流器，再生工況下投入限壓斬波器和放電電阻，對(duì)U dc 進(jìn)行測試，限壓斬波器可把輸出電壓限制在210V 以下。滿功率再生分兩次轉(zhuǎn)入滿功率牽引時(shí)，對(duì)U dc 進(jìn)行測試，兩次加負(fù)載時(shí)，U dc 的波動(dòng)比較小，最

13、大、最小電壓分別為201V ，190V ，波動(dòng)范圍小于5%。滿功率再生轉(zhuǎn)入50%額定牽引功率時(shí)，測試了電網(wǎng)輸入電壓、電流，經(jīng)1.5個(gè)工頻周期，實(shí)現(xiàn)由再生工況向牽引工況的平滑切換。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。功率器件選擇IPM （PS21869）600V/20A ，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要電路參數(shù)：U n =55V ，L n =5mH/10A ，C d =1410F/450V ，開關(guān)頻率f n =1250Hz ，負(fù)載電阻R L =400。對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)10%時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流與直流側(cè)電壓進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，10%的電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)四象限變流器直流側(cè)電壓影響較小，直流輸出電壓經(jīng)過很小的

14、波動(dòng)后，很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，表明系統(tǒng)具有良好的抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)性能。四象限變流器工作于牽引工況下的穩(wěn)態(tài)電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流波形如圖5a 所示。圖4四象限變流器的啟動(dòng)過程波形圖5實(shí)驗(yàn)波形（上接第38頁）u br （t ）=姨m sin （t -/3）u cr （t ）=姨m sin （t -2/3姨）（11）可見，F(xiàn)S -SVPWM 實(shí)質(zhì)是兩個(gè)相位相差/3電角度的正弦波與三角載波調(diào)制出的SPWM 波。這樣，通過兩路滿足相位相差/3電角度的正弦波與三角載波相調(diào)制，即可等效地實(shí)現(xiàn)FS -SVPWM 。4仿真與實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證四開關(guān)逆變器SVPWM 理論分析和算法正確性，利用Matlab/Simulink建立四開關(guān)逆

15、變器SVPWM 控制模型，并基于TMS320F2812搭建四開關(guān)逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中的SVPWM 算法通過DSP 程序?qū)崿F(xiàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)：定子電阻R =3.5；d ，q 軸電感L d =Lq =11.5mH ，極對(duì)數(shù)P n =3，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J =4.4×10-4kg ·m 2，額定轉(zhuǎn)矩為3N ·m ，直流母線電流為300V ，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r ·min -1，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1.5N ·m ，開關(guān)頻率15kHz 。圖5示出實(shí)驗(yàn)波形。在FS -SVPWM 的控制下，圖5所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了四開

16、關(guān)逆變器輸出為三相對(duì)稱的正弦基波電流，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。5結(jié)論在對(duì)四開關(guān)逆變器的SVPWM 控制方法進(jìn)行理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)后，得出以下結(jié)論：從磁鏈控制角度出發(fā)，利用SVPWM 調(diào)制可對(duì)四開關(guān)逆變器進(jìn)行有效控制，滿足逆變器容錯(cuò)和低成本的要求；為減少功率器件的開關(guān)頻率、減小磁鏈波動(dòng)，提出了FS -SVPWM 的“七段式”實(shí)現(xiàn)方法；從PWM 的原理出發(fā)，揭示出FS -SVPWM 控制實(shí)質(zhì)是以兩路相位相差/3電角度的正弦波為隱含調(diào)制函數(shù)的SPWM 調(diào)制，為FS -SVPWM 提供了簡單的等效實(shí)現(xiàn)方法。參考文獻(xiàn)1Welchko B A ，Lipo T A ，Jahns

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18、 Voltage Source InverterJ.IEEETrans. onPower Electronics ，1995，12（4）：577-585. 3蔣志堅(jiān)，徐殿國，朱香娟. 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)四開關(guān)低成本逆變器的磁鏈軌跡改進(jìn)控制研究J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（11）：74-79. 4孫丹，何宗元，Ivonne Yznaga Blanco ，等. 四開關(guān)逆變器供電永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（21）：47-52.5周衛(wèi)平，吳正國，唐勁松，等.SVPWM 的等效算法及SVPWM 與 SPWM 的本質(zhì)聯(lián)系J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（2）：133-137.圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖5a 可見電壓與電流同相位，系統(tǒng)功率因數(shù)較高，約為0.98。如圖5b 可見網(wǎng)側(cè)電流諧波含量低。網(wǎng)側(cè)輸入端電壓如圖5c 所示，輸入端電壓為兩電平波形并保持穩(wěn)定，電流正弦性好。如圖5d 可見輸出直流電壓穩(wěn)定