三相异步电机双PWM驱动控制系统
光电学院10级 电力电子与电力拖动研究生考试日期：月日印刷份数：份形式开卷闭卷密编号：上海理工大学研究生试题2010 /2011 学年第 二 学期课程名称：电力传动系统驱动与控制技术教师签章：年 月 日教研室主任审查意见：签 章：年 月 日1.试题原稿请于考试前2周送研究生部2.编号栏由研究生部填写。上海理工大学研究生课程试题*共2页第2 页2010/2011学年第二学期考试课程电力传动系统驱动与控制技术学号_姓名得分三相异步电机双PWM驱动控制系统设计与仿真常规功率变换器能实现交流电压幅值、频率和相数的改变，并能改善电能质量，在实际 中得到非常广泛的应用。但常见的功率变换器，由于其整流环节不可控，存在网侧功率因数 低、谐波含量高等缺点，因而限制了它的应用范围。双PWM变换器采用全控型功率开关器 件，并引入PWM控制技术实现对整流部分的控制，能有效地消除变频装置对电网的谐波污 染，提高功率因数，实现再生能量向电网回馈。三相双PWM变频电源可分为PWM整流器和PWM逆变器两部分。本文在双PWM变 换器拓扑结构的基础上，分析了三相PWM整流器结构及其控制方法和三相PWM逆变器结 构及其控制方法。分析了 PWM变换器能运行在整流和逆变状态的原理。PWM整流器采用 双闭环的控制结构，即电压外环和电流内环。PWM逆变器采用电压滞环比较控制方案实现 控制目标。在理论分析的基础上，利用MATLAB simulink建双PWM功率变换器的系统仿 真模型，并进行了系统仿真。仿真结果表明能对PWM整流器输出直流电压和网侧输入交流 电流进行有效控制，使他们的相位基本一致，三相交流输入的功率因数接近1， PWM 逆变 器也能实现逆变输出电压的频率和幅值均可调，并且逆变波形为三相准正弦波。一、引言能源短缺是全球人类所面临的世纪性难题，节能减排也成为我国的基本国策。国家制定了节 能中长期专项规划，为实现规划目标，国家发展和改革委员会启动了“十一五”国家重点 节能工程，电动机系统节能工程是其中之- 1。电动机是电能消耗的最大户，也是节电潜力 最大的用户。据统计，我国电动机总装机容量4亿多千瓦，其年用电量约为15000亿千瓦时， 约占全国总发电量的65%70%2。因此，研究电动机系统的节能问题具有重大的现实意 义和深远的可持续发展意义。电动机系统能耗大、效率低的原因有两个方面。其一是由于大*注：考题全部写在框内，不要超出边界。内容一律用黑色墨水书写或计算机打印，以便复 印。部分电动机系统为直接拖动，造成大量的能源浪费。其二是在牵引、矿井等需要频繁四象限 运行的场合，大量的电动机制动时的再生能量通常被直接消耗掉，在大功率场合同样造成了 能源的极大浪费。随着电力电子技术的不断发展，功率器件的不断更新，控制技术的不断完善，针对第一 个问题，目前越来越多的场合采用PWM(PulseWidt hModulation)逆变器对电机实施调速，能 够有效地改善系统运行效率，极大地节约了能源。然而，大多数的交流调速系统前端整流器 采用二极管整流，对于上述第二个问题束手无策。因此，用PWM逆变器取代二极管整流， 与PWM逆变器一起，构成双PWM变换器，则不但能够解决第一个问题，而且能在负载制 动时将能量直接回馈给电网，实现真正高性能的、高效的电动机系统。二、双PWM变换器基本原理及发展现状21双PWM变换器原理双 PWM 拓扑结构如下图所示图 1.1在双PWM结构，整流桥和逆变桥都采样全控的IGBT管，由于IGBT管的全控性，可 任意控制其关断，这样当出现能量回馈时，能进行快速关断，不会产生过电流，实现交流电 机快速四象限运行。通过PWM整流控制，可以实现整流环节网侧电流正弦化，运行于单位 功率因数，且能实现能量的双向流动。电压型PWM可逆整流器采用全控器件，器件工作在 高频状态，用高速度、高运算能力的 DSP 产生 PWM 控制脉冲，由于开关器件的开通和关 断均是可控的，所以PWM整流器的电流波形也是可控的，其理想状态是交流输入电压和电 流可保持同相位或反相位，即整流时为同相位，逆变时为反相位。此时网侧功率因数近似为 1,输入电流的谐波含量接近零，消除对电网的谐波污染。由于PWM整流器采样直流输出 电，因此还能对直流电压进行调整，在负载变化时，具有较快的响应速度，使直流输出电压 稳定在一定的设定值。因此说采用PWM整流器取代传统交一直一交变频器中不可控整流部 分，不仅克服了上述传统变频器的缺点，还具有网侧电流为正弦波，网侧功率因数近似为1， 较快的动态响应，易于模块化，易于冗余设计和电能双向传输等诸多优点，实现了调速节能 和“绿色环保”的高度结合。2.2 国内外研究现状1964年，德国学者A.Sch?nung和H.Stemmler在BBC评表上发表文章，率先提出 了脉宽调制变频的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广应用于交流传动系统。经过四十 年的发展，脉宽调制(PWM)技术已发展成为现代功率变换器共同的和核心的技术，引起人 们的高度重视，并得到深入的研究。目前已经提出并得到应用的PWM控制方案不下十种。 从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动 最少，再到消除噪音等等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程， 目前所有新的方案不断提出，针对多电平逆变器电路的PWM控制技术方兴未艾。双PWM变频调速系统关键技术之一的PWM整流器研究始于20世纪80年代，这一时 期由于自关断期间的日趋成熟及应用,推动了 PWM技术的应用与研究。1982年Busse Altred、 Holtz Joachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其网侧电沆 幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984年 Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿控制策略，这实际上就是电 压型PWM整流器早期设计思想。到20世纪80年代末，随着A.W.Green等提出了基于坐标 变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到一个 新的高度29” 32。自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点。 随着研究的深入，基于PWM拓扑结构及控制的拓扑的拓展，相关的应用研究也发展起来， 如前文所述有源滤波器、超导储能、交流传动等。这些应用技术的研究，又促进了WM整 流器及其控制技术的进步和完善。对于双PWM变频调速系统的研究同样开始于20世纪80年代，Kohlmeier等在1987年 研制出基于GTO的高性能双PWM变频系统，开关频率为1.5KHz以下°Blaabjerg等在1993 年研制出基于IGBT的双PWM变频系统，开关频率4.8KHz。目前来说，国外已有类似产 品上市13-16,例如富士公司生产的RHC系列双PWM交流传动系统，输入侧功率因数近 似为 1，可以高效率地进行能量再生， ABB 公司生产的四象限运行的交流调速系统，如 ACS611ACS617(容量 1.5kW-1.12MW)。国内对于双PWM变频调速系统的研究起步较晚，但发展比较迅速，目前其产品还很不 成熟，不能满足要求。同时，国外的此类装置价格昂贵，有的对电网的要求比较高，应用起 来不方便。二、PWM整流器3.1 PWM 整流器原理概述从PWM整流器的功能可见，PWM整流器应该是一个其交、直流侧可控的四象限运行 的变流器。下面以模型电路为例说明其基本原理。PWM整流器模型电路如图1.2所示，它 是由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e以及网 侧电感L等；直流回路包括负载电阻R及负载电动势等；功率开关管桥路可由电压型或电 流型桥路组成。丿图 1.2桥式整流由交、直流侧功率平衡关系得IV二I xV，因此，通过模型电路交流侧的控制，就dc dc可以控制其直流侧，反之亦然。3.2电压型PWM整流器原理PWM整流器按直流储能形式不同分为电压型和电流型。电压型PWM整流器最显著的 特征就是直流侧采用电容进行储能，从而使其直流侧呈现低阻抗的电压源特征。而在电压型 几种常见的拓扑结构中，三相桥式结构的PWM整流器比较适用于三相电网平衡系统，因而 使用较多。3.3三相电压型PWM整流器设计对三相VSR系统的控制需实现两个控制目标：1）稳定直流侧电压；2）实现其交流侧在受控功率因数（如单位功率因数）工作。为了实现第一个目标，控制系统中需控制直流侧电压，一般都采用电压闭环控制；对于 第二个目标，则需通过控制电网侧输入电流的幅值和相位来实现。目前，根据在控制环中是 否采用电流闭环，可以把三相VSR的电流控制策略分为间接电流控制和直接电流控制两大 类。3.4 间接电流控制法间接电流控制又称幅相控制其实质上是，通过PWM控制，在VSR桥路交流侧生成幅 值、相位受控的正弦PWM电压。该PWM电压与电网电动势共同作用于VSR交流侧，并 在VSR交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由VSR交流侧电感滤除。由于这种VSR 电流控制方案通过控制VSR交流侧电压进而达到控制VSR交流侧电流的目的，因而是一种 间接电流控制技术。这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制， 因而是一种VSR简单控制方案。间接电流控制主要问题在于，VSR电流动态响应不够快， 甚至交流电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常适用于对VSR动态响应 要求不高且控制结构要求简单的应用场合。3.5 直接电流控制法针对三相 VSR 间接电流控制的上述不足，提出了直接电流控制。直接电流控制与间接 电流控制在结构上的主要差别在于：前者具有电流闭环，而后者没有。在直接流控制方法中， 首先通过运算求出交流侧输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接闭 环控制，使其跟踪指令电流值。因此，直接电流控制中一般都采用双闭环结构：直流电压外 环和电流内环。根据内环中不同的电流跟踪控制方法，可将直接电流控制分为多种类型，较 常见的如开关频率固定PWM电流控制、滞环PWM电流控制等。36三相VSR双闭环控制系统设计双闭环控制系统中，电压外环给电流内环输出指令有功电流，控制三相VSR直流侧电 压，电流内环根据指令电流进行电流跟踪控制。因此，双闭环控制系统的设计对系统的控制 性能来说显得至关重要。一般，多环控制系统的设计方法是：先设计内环，后设计外环。三 相VSR控制系统中，采用双环控制：电压外环和电流内环。电压外环控制三相VSR直流侧 电压，而电流内环按电压外环输出的电流指令进行电流控制，如实现单位功率因数正弦波电 流控制。控制框图如图1.3，先设计内环，再设计外环。本设计电流内环与电压外环均采用 Pl 调节器。四、PWM逆变器41 PWM逆变器原理及其简述逆变器的拓扑结构如图1.4所示。整流部分简化为恒定的直流滤波电容电压，S表示全 控的功率开关， D 表示相应功率开关的续流二极管，三相负载近似等效为星型连接的串联电 阻R和电感L，Io表示直流端的电流，1A表示输出的交流电流。三相电压型PWM逆变器 采用桥式结构。直流电压加在三相逆变桥，按照PWM控制方式产生的脉冲控制逆变桥中开关管的开通和关断，逆变桥输出三相脉冲电压来等效三相正弦电压。DC：a Aa a-也 Tg亡*Three-PhaseT ra1 sfu rm e r(Tw >:> Wiridin g s)图 1.4三相逆变电路原理图Th re e - p h a s eParallel RLC BranchPWM逆
