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          三相電壓型PWM整流器前饋解耦控制策略

          作者: 時間:2012-12-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          1.引言

          本文在分析三相電壓型PWM工作原理的基礎(chǔ)上,建立了dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下三相電壓型PWM的數(shù)學(xué)模型,分別設(shè)計了基于控制的電流內(nèi)環(huán)控制器和電壓外環(huán)控制器。最后通過仿真和實驗驗證該的正確性和有效性。  

          PWM與傳統(tǒng)的不控整流或相控整流方式相比,具有網(wǎng)側(cè)電流諧波含量少、功率因數(shù)高、能量可雙向流動、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點,成為當今電力電子領(lǐng)域研究的一個熱點。因此,研究高性能的PWM整流器具有重要現(xiàn)實意義?! ?/P>

          2.三相電壓型PWM 整流器數(shù)學(xué)模型

          三相電壓型PWM 整流器的原理圖如圖1 示,圖1中各物理量定義如下:ea、eb、ec 為電網(wǎng)電壓,ia、ib、ic 為交流側(cè)各相電流,Udc 代表直流側(cè)電壓,ua、ub、uc 為PWM 整流器交流側(cè)輸入電壓。假設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡,則可得:


          將上述abc 三相靜止坐標系下的PWM 整流器數(shù)學(xué)模型變換到dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標下的數(shù)學(xué)模型:

          3.三相電壓型PWM 整流器雙閉環(huán)  

          3.1 三相電壓型PWM 整流器電流內(nèi)環(huán)控制器  

          由(3)式整理得:


          從上述d-q 數(shù)學(xué)模型可知,d、q 軸變量相互藕合,因而給控制器設(shè)計造成一定困難。為此,可采用控制策略,引進的PI 調(diào)節(jié)器,從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定控制。其控制方程為:

          由式(6)可知,在電流內(nèi)環(huán)控制器中引入電流狀態(tài)反饋解耦控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)有功電流和無功電流的解耦控制。電流內(nèi)環(huán)控制器框圖如圖2 所示。


          3.2 三相電壓型PWM 整流器電壓外環(huán)控制器  

          根據(jù)瞬時功率理論,在dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的有功功率P 和無功功率Q 可表示為:

          由(8)式可知,id 和iq 分別與有功功率P 和無功功率Q 呈線性比例關(guān)系,調(diào)節(jié)id 和iq 就可分別獨立地控制PWM 整流器的有功功率和無功功率,實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。為了穩(wěn)定PWM 整流器的直流側(cè)電壓,直流電壓外環(huán)采用PI 控制,其簡化的控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示[6]。按照典型II 型系統(tǒng)來設(shè)計調(diào)節(jié)器可以得到PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)為


          4.仿真研究  

          在Matlab/Simulink 的仿真平臺中搭建了三相電壓型PWM 整流器仿真模型。仿真參數(shù)如下:電網(wǎng)相電壓有效值110V,電網(wǎng)電壓頻率50Hz,變壓器為升壓型隔離變壓器,三相濾波電感3mH,直流側(cè)負載24 Ω ,直流側(cè)給定電壓300V。為檢驗系統(tǒng)的抗干擾性,在3s 時,負載突增,阻值由24 Ω 突變?yōu)?2 Ω 。此時直流母線電壓略微下降,并能在較短時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定,如圖6 所示。圖6 為負載發(fā)生突變時A 相電壓和電流仿真波形,由圖可知,負載發(fā)生突變時,交流側(cè)輸入電流迅速增大以保證整流器輸入、輸出功率平衡,而系統(tǒng)仍運行于單位功率因數(shù),體現(xiàn)了系統(tǒng)良好的動態(tài)響應(yīng)。

          5.實驗研究  

          搭建一臺三相電壓型PWM 整流器樣機進行實驗驗證。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)相同。開關(guān)頻率為10kHz,死區(qū)時間為2us。整流器主控芯片為TI 公司的TMS320F28335?! ?/P>

          圖7 為Fluke435電能質(zhì)量測試儀記錄下的三相電壓型PWM 整流器直流母線電壓實驗波形。圖8 為用Fluke 記錄下的A 相電壓和電流實驗波形(幅值大的為電壓波形)。圖9 為用Fluke 測得電流總諧波含量圖,電流諧波含量(THD)為2.7%。實驗結(jié)果表明,采用本文提出的控制策略能夠有效地抑制諧波電流,實現(xiàn)高功率因數(shù)運行,直流母線電壓具有較小波動(波動在5V 以內(nèi)),基本穩(wěn)定在300V,系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

          6.結(jié)論  

          本文在分析三相電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,分別設(shè)計了電流內(nèi)環(huán)控制器和電壓外環(huán)控制器。仿真和實驗結(jié)果表明,PWM整流器基本運行于網(wǎng)側(cè)單位功率因素,有效地抑制了網(wǎng)側(cè)輸入諧波電流。系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性。因此該控制策略是一種有效的控制策略,具有一定的實用價值。


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