基于空間電壓矢量電力機(jī)車四象限整流的研究

摘要：本論文側(cè)重于三相電壓型PWM整流器及其控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以提供一種較為實(shí)用的控制器設(shè)計(jì)與選取方法。論文主要內(nèi)容包括算法研究、控制器設(shè)計(jì)、裝置開發(fā)、樣機(jī)仿真。介紹了四象限整流器為核心的電力機(jī)車系統(tǒng),闡述了四象限整流器的運(yùn)行原理及控制電路設(shè)計(jì)。提出一種簡單的空間電壓矢量算法，該算法在矢量區(qū)間判斷上采用非坐標(biāo)變換法進(jìn)行判斷，給出了在各個(gè)扇區(qū)中的矢量選擇以及作用時(shí)間的計(jì)算公式。這種改進(jìn)方法對(duì)SVPWM控制算法有一定程度的簡化，從而使其更易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。最后建立了Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真模型，對(duì)上述控制算法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的正確性和可行性。同時(shí)，這種控制算法亦能使整流系統(tǒng)的能量雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量再生，且具有控制算法簡單，直流電壓利用率高的特點(diǎn)。

敘詞：四象限;整流器;PWM;空間電壓矢量 電源

Abstract：This dissertation focuses on the engineering design and realization of high power three-phase Voltage Source Rectifier (VSR) with emphasis on the control technique. The dissertation work, covering the methodology study, controller design, prototype implementation and experiment, is presented as following. Electric locomotive system mainly concentrated on 4-quardant rectifier is stated. Circulate principle and Control system design of electric locomotive 4-quardant rectifier are presented .A simplified algorithm is proposed in this paper for space voltage vectorwhich adopting non-standard vertical reference frame to judge the vector sector and calculate the action time. The ways make the calculate load of the SVPWM reduced and more easily digital applied. At last, the whole simulation module of control system is built up under the power MATLAB/SIMULINK platform and the above several ways are used in the simulation module. The result of the simulation proves that control ways are right and feasible. At the same time, from the concrete analysisthe rectifying system applied the simple algorithm can make the power bi-directional flow. Moreover, its control algorithm is easy and the range of DC utilizing efficiency is large.

Keyword：4-quardant;Rectifier;PWM;Voltage space-vector

1引言

自1879年世界上第一條電氣化鐵路建成以來的100余年時(shí)間內(nèi)，人們不斷地作出努力，試圖制造出具有實(shí)用價(jià)值的交流傳動(dòng)電力機(jī)車。隨著電力電子學(xué)和微電子技術(shù)的崛起和進(jìn)步，半導(dǎo)體的出現(xiàn)和發(fā)展，使情況有了巨大的轉(zhuǎn)機(jī)[1]。1964年的分諧波控制的逆變器(即現(xiàn)在的脈寬調(diào)制逆變器)、1973年提出的在載波整流理論的基礎(chǔ)上研制的所謂四象限脈沖整流器、1971年提出的磁場(chǎng)定向控制和1985年提出的直接轉(zhuǎn)矩控制方法[2]，把逆變電路中的PWM技術(shù)應(yīng)用于有MOSFET、IGBT等全控器件組成的整流電路，工作時(shí)可以使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，運(yùn)行于單位功率因數(shù)，能量可以雙向流動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換，因而備受關(guān)注。這種整流器稱為PWM整流器[3]。綜上所述，本文采用PWM四象限整流，則功率因數(shù)、能量回饋等指標(biāo)都可以得到滿足。因此四象限整流技術(shù)應(yīng)用于電力機(jī)車成為一種科學(xué)的控制方式。

2 PWM整流器的選擇

2.1四象限運(yùn)行原理

圖2.1 PWM整流器模型圖

圖2.1所示為PWM整流器模型電路。從圖可以看出：PWM整流器模型電路由交流回路、功率開關(guān)橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢(shì) 以及網(wǎng)側(cè)電感L等;直流回路包括負(fù)載電阻 及負(fù)載電勢(shì) 等;功率開關(guān)橋路可由電壓型或電流型橋路組成。

當(dāng)不計(jì)功率橋路損耗時(shí)，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得[4]：

由式(2-1)不難理解：通過模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè);反之亦然。其中交流側(cè)電感吸收無功功率是由直流側(cè)提供的，也就是說整流器需要有反饋的能力。四象限脈沖整流器能夠執(zhí)行脈寬調(diào)制和能量變換，即整流和反饋兩方面功能[5]。作為電力牽引用的整流器，實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng)狀態(tài)下的前進(jìn)、后退四種工況。反饋：通過IGBT將直流能量逆變?yōu)榻涣?，因此可以?shí)現(xiàn)PWM整流器四象限運(yùn)行。

2.2主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用三相半橋電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2.2 三相半橋電壓型PWM整流器

圖2.2為三相半橋PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其交流側(cè)采用三相對(duì)稱無中線連接方式[6]，采用了6個(gè)功率開關(guān)管，這是最常用的三相PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三相半橋PWM整流器較適用于三相電網(wǎng)平衡系統(tǒng)。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)總體框圖

圖3.1 三相電壓型PWM整流器模塊功能原理圖

3.2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

1、三相交流電流檢測(cè)電路

定子電流檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，對(duì)電流檢測(cè)要求精度高和速度快，本系統(tǒng)采用北京萊姆公司生產(chǎn)的LEM霍爾電流傳感器模塊來檢測(cè)電流[7]。它的工作電壓為 12V，由于霍爾輸出的是弱電流信號(hào)，因此開始時(shí)得把霍爾電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后再經(jīng)過濾波放大處理，又由于霍爾輸出的是有正反方向的電流信號(hào)，而TMS320LF2407中的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入為0~+5伏的電壓信號(hào)，因此得有電平偏移電路。設(shè)計(jì)中先將霍爾的電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，由于電流反饋具有較大的噪音紋波，因而采用低通濾波電路。然后用-5伏電壓基準(zhǔn)把正負(fù)電壓信號(hào)變換為TMS320LF2407需要的單極性電壓信號(hào)，為了防止電壓過高或過低，設(shè)計(jì)了由二極管構(gòu)成的限幅電路。如圖3.2則是實(shí)現(xiàn)A相電流采集的電路原理圖。