无电网电压传感器的三相桥式PWM整流_罗华.pdf

年第期第 卷（总第期）（）无电网电压传感器的三相桥式整流罗华，王尊，彭天玲（中机国际工程技术研究院有限责任公司，湖南长 沙）摘要三相（）制整流技术已经广泛应用于电气工程领域，在大型电机实验站中更是核心设备之一。在常规的整流装置中，一般先是通过对电网电压进行采样，然后通过数字锁相环来对电 网 电压进行锁相，并建立旋转坐标系来实现闭环控制。本文提供了一种无电网电压传感器的运行方案，通过受控状态下的短路电流来获取设备运行的初始相位角，再通过调制波和电流建立对电 网 电压的闭环观测，实现整流系统的无电 网 电压传感器运行。关键词整流；无传感器；三电平：中图分类 号：文献标识码：文章编 号：（）冶，（，）（），？，？；引言在大型电机实验站建设中，整流设备作为其关键设备之一，其重要性不 言而喻。而综合型电机实验站运行工况复杂，为满足电机四象限运行需求，整流装置多采用三相的桥式整流以满足能量双向流动和母线电压配调的需求。常规的整流装置一般是通过对交流侧电网电压进行采样，结合数字锁相环技术对电 网进行锁相，再通过电压、电流的双闭环矢量控制系统实现整流及直流侧电压的闭环调节。对交流 测电压采样的就意味着要加设额外的电压采样装置，在增加硬件成 本的同时还增加了建设和 调 试的难度。对于电网电压的无感观测技术不少学者已经提出了一些较为成熟的方案，但基本思路都是利用设备在运行过程中的调制波及相电流来计算和判断当前电网的相位和幅值。因此就不可避免的需要面对一个问题，在设备运行之前，如何获取电 网 的初始相位，以满足装置的启动需求，并保障系统能顺利过渡至无感运行就是工程实践中需要解决的问题。本文从工程应用角度人手，从阐述了一种，利用瞬时的短路电流完成对电网电压初始相位的计算，等无感观测器稳定后再转人无感运行的技术方案。整流系统图为该三电平整流系统的示意图，图中为进线电压，经过隔离变压器与滤波器后于（）年第期第卷（总第期）逆变桥的 三相相连，为变压器副边电对比三种不同 的零矢量下对电流产生的影响。压，为滤波电抗，为滤波电容，、分别为和间电容，电容中点经过中线电抗器与隔离变副边中性点相连，起到对中点钳位的作用，保持、电容的电压平衡。图中的心为预充电限流电阻，在系统启动前对、电容进行预充电时起到限流作用。图中的为主回路和预充电 回路的控制开关，起到回路切换的作用。图整流系统示意图初始相位判 断在系统完成对电容的预充电后，初相判断的基本思路是通过变频器输出一个零矢量，让输入电压对零矢量形成短时间的短路，由于此时预充限流电阻的存在，可以将短路电流控制在一可控的范围 内，利用短路期间 的 电流响应可以初步判断出一个电压的大致范围，维持短路状态一段时间，让输入的 电压矢量扫过一个扇区的范围，随着电压矢量相位的变换电流响应将随之发生改变，此时就能较为准确的预测出当前的电压相位，完成对电网 电压相位的锁定。不同零矢量下电流响应图扇区时（、）零矢量电流响应以扇区内电压矢量为例，图展示了（，零矢量作用下电流响应情况。图中灰色箭头标识为电流的流向情况。该工况下逆变桥的三相接入点与电容极导通，如果选择以变压器星接点为零电位，电流以逆变桥流向变压器星接点，再从星接点通过中线电抗流向 电容中点的方向为正方向，暂且忽略电容支路的影响，根据基尔霍夫定律可以得到如下方程组。（：式中：、中线及滤波电抗的电感值；预充电阻值；、三相电流值；中线电流值；、一变压器副边相电压值；仏电容点间电压。当短路工况逐渐进入稳态时电流达到短路最大值，稳态时电流的微分项为零，因此对式（）进行简化得出电流稳态的计算式为图扇区示意图图为进线电压波形，线条分别对应 三相电压波形，按图所示将一个周 期划分为？六个扇区，下面以扇区为例进行讨论。在图为中，将型三电平一组桥臂内的开关管按照从电容极往极排序为号，其中管导通，管关断为电平；管导通，管关断为电平；管关断，管导通为八电平，据此三电平逆变器可以产生的零矢量有）、（，）和（，三种，下面将（）式（）可视为（，）零矢量作用下最大短路电流值。当电压相位位于扇区内时有，据式可推导出当前电流响应情况为，同时，丨丨丨丨，相逆变桥电流负荷最 年第期第卷（总第期）（）大，且间电容放电，电压降低，致使电容电压不平衡。同时电压与？较为接近，此时相逆变桥电流相对较小暂且忽略不计，因此得到电流响应情况如图所示。以此类推可以得到其他几个扇区的电流响应清况。当输出为（八，八，八）零矢量时，管关断，管导通，逆变桥的三相接人点与电容极导通，在零点位点和电流正向保持不变的情况下可得如下方程组。电位接近变压器星接点卩零电位，此时可得到如下方程组。：（）：取数微分项后简化为，（）（）稳态时电流的微分项为零，式（）可简化为，（）式中的为电容八间电压，当电压相位处于扇区内时可由上式推导出，此时心。相逆变桥电流负荷最大，且间电容放电，电压降低，致使电容电压不平衡，同时电压与较为接近，相逆变桥电流相对较小暂且忽略不计，因此得到电流响应情况如图所示。以此类推可以得到其他几个扇区的电流响应情况。图扇区时（、）零矢量电流响应当输出为（，）零矢量时，管关断，管导通，逆变桥的三相接入点与电容极导通，此时中线电流较小，中线上电抗压降忽略不计，点当电压相触于扇区时可推导出八，但该扇区内能达到峰值，能达到谷值，均考虑为压差最大情况，即等于等于相电压峰值，此时的电流情况应为丨丨丨丨。图扇区时（、）零矢量电流响应上述三种零矢量在扇区时，对应的短路电流情况均为，不同的是在（，）零矢量下电流负荷最大一相为相，（零矢量时则为相，且该两种情况均存在较大的中线电流，同时导致电容电压不平衡，而（）零矢量短路主要表现为各相间的短路，中线电流较小，不影响电容中点的平衡，且对于各逆变桥而言短路电流的负荷也相对较小，相较于其他两个情况具有一定的优势。扇区判断由上一节的结论可以推导出在其他几个扇区下，零矢量时的短路电流响应情况，因此根据电流响应的情况可以初步判断出当前电网电压所处扇区。现根据不同扇区下的电流响应情况，统计出不同电压扇区的判断依据结果如表所示。（）年第期第卷（总第期）表扇区判断条件判断依据扇区判断依据扇区相位计算由上一节的叙述中，我们已经可以确定电 网电压所处扇区，但一个扇区的角度跨度为，对于闭环控制而言这样的角度误差是无法稳定运行的，需要进一步得到较为精确的 电压相位值。为此需要电 网 电压在零矢量的作用时间内至少扫人两个扇区，利用跨越扇区边界时电流响应的变化来确定电 网 电压的精确相角。考虑到我国 的 电网频率一般为，扫过一个扇区的时间约为，为确保能扫人两个扇区，短路时间需大于这个时间，因此选定短路时间 为，先为每一个扇区设定一个权重系数如表所示。表扇区系数扇区现选定相电压峰值点为零度相位角，电压矢量从相扫向相的方向为角度增加的方向，由于数字控制器的采样信号均为离散数值，根据控制器的运算频率不同，在内 的采样数为八，电压矢量先后扫过两个扇区，设前一扇区的周期数为，后一扇区的周期数为，根据电压扫过扇区的顺序可以确定出当前电压矢量的相序，相序的不同计算方法不尽相同。据此可以得到初始角 的计算式为正序负序：（）？（）式中，计算得到的初始角度。电网无感观测器图为变滤波器示意图，图中，为滤波器电抗值，为滤波电容值；为输出线路电阻值；为逆变桥输出电压；为网测电压即变压器副边电压；为系统输入电压即变压器的原边电压。网测电压可由逆变桥输出 电压和线路阻抗压降推测得到，？，？式中，电角速度。图无感观测器框图图为网测电压闭环观测器的示意图，图中为网测电压矢量相位角的观测值，以网测电压矢量的方向 为轴，超前电压矢量的方向为轴建立旋转坐标系，此坐标系下解稱逆变桥输出的电压矢量和电流矢量，得到而轴分量后，可由式推测出 网测电压的办轴投影分量。在以矢量方向定向 的坐标系中，的轴线分量应该为，因此对的轴分量做归一化处理后并以此为误差做闭环观测，误差计算式见式（）（）得到误差值以控制器作为 闭环调节器得到频率补偿值再叠加上电网电频率，并对此频率值积分得到电角度值，以此角度对及进行解耦，形成对电 网电压的闭环观测。无感启动无感启动的启动过程如图所示，第一步通过限流电阻的预充电 回路对电容进行充电，当充 年第期第卷（总第期）（）电值达到一定阈值后，再采用零矢量去进行初相的计算，获取初始相位后切除预充电阻并启动设备，结合初始相位角度通过对的 固定频率进行积分得到临时的 电角度值，由于电网频率一般较为稳定，此临时角度在短时间不会存在太大偏差，能够满足系统运行需求，待无感观测器稳定后转入无感运行完成启动。预充初相 位判（启动运行（无感运行图无感启动过程结语三相桥式整流技术在电气工程领域应用非常广泛，本文以工程应用的 角度出发，以型三电平逆变桥为对象分析了不同零矢量作用下的短路工况，并在此受控的短路工况下，通过短路电流来计算电网 电压的相位，再以此为积分初值对频率进行积分得到电 角度完成启动，直至无感观测器稳定后转入无感运行，全程不需要电 网 电压传感器的参与，免除了整流设备对电网 电压采样的需求，降低成本同时提高了系统稳定性。参考文献杜雄，郭宏达的电网 电压基波正负序分离方法中国 电机工程学报，（）郭利辉，张元敏，李永辉，等三相电压型变流器交流侧 滤波器的有源阻尼策略研究电力系统保护与控制，（）郑征，王鹏超，朱艺锋基于电流重构的整流器控制研究电子测量技术，（）杜少通，伍小杰，周娟，等，一种采用虚拟磁链模型预测的新型算法？中国电机工程学报，（）李华明，李叶松无电 网 电压传感器的三相整流器控制电力 电子技术，（）吴伊宏无电网 电压传感器的整流器直接功率控制技术研究华中科技大学，李华明三相整流器无电 网电压传感器控制策略华中科技大学，作 者简 介：罗华男年 生；毕业 于中南大 学控制科学与工程 专业，现从 事电力电子、电力拖动、电机测试等相关工作收稿日期：（上接页）结语本文以一款调车机车用永磁牵引电动机为载体，针对水冷结构设计了两种方案，对两种方案进行了结构强度、流体场以及温度场的仿真分析，同时开发样机进行了温升试验验证。（）结构强度的仿真结果表 明两种方案均满足强度要求，差别较小；流体场、温度场仿真结果与温升试验均表 明方案一较优；从焊接加工的工艺角度看，同样是方案一较优。（）方案一水道结构位于电机内部，一旦发生漏水现象容易导致绝缘失效，进而造成电机烧损，且在电机不解体的情况下很难处理；相比之下，方案二的水道位于机壳外壁，一且发生漏水现象冷却水不会进入电机内部，不会对电机造成进一步的损害。因此从水路结构后 期可靠性角度看，方案二要优于方案一。参 考文献韩才元？中国铁路内燃机车发展年内燃机车，（）：符敏利，陈致初，王健，等高速动车组永磁牵引电动机研制机车电传动，（）：何思源全封闭永磁同步牵引电动机冷却系统设计大功率变流技术，（）：曹 增玺 型机车牵引电机悬挂装置改进设计几机车电传动，（）：李霞改进型机车牵引电机悬挂座出现裂纹的原因探讨及改进建议机车电传动，（）：秦宝清天梭号电力机车电机悬挂装置的改进设计铁道机车车辆，（）：李茂青小型水 冷电机 冷却系统设计与计算研究科技资讯，（）：？：作者简 介：杨慧强男 年 生；硕士，毕业于西北工业大 学航空工程专业，现从事 轨 道交通牵引电机产品开发工作收稿日期：