PWM整流器的直接电流控制策略和控制器的设计.pdf

收稿日期!2005-03-14作者简介!王也仿 1962-a女a上海市人a大学本科a主要从事自动控制技术研究O0引言电压型PWM整流器的电流控制技术主要分为两大类a 即间接电流控制和直接电流控制O间接电流控制也称为相位和幅值控制a它的优点在于控制简单a无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制a但它的主要问题在于电流动态响应不够快a 甚至交流侧电流中含有直流分量a且对系统参数波动较敏感a因而常用于那些对动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合O直接电流控制是针对间接电流控制不足而提出来的a 与间接电流控制在结构上的主要差别在于1前者具有网侧电流闭环控制a而后者则无网侧电流闭环控制O 由于采用了网侧电流闭环控制a使网侧电流动静态性能得到了提高a同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感a从而增强了电流控制系统的鲁棒性a因此直接电流控制可以获得较高品质的电流响应a但控制结构和算法较间接电流控制复杂1,5O1三相电压型PWM整流器的主电路结构和原理PWM整流器的直接电流控制策略和控制器的设计王也仿 上海电机学院a上海200240 摘要!本文对PWM整流器的控制策略进行了概述a并对各种控制策略做了相应的比较a并指出了各自的优缺点O 其中重点介绍了直接电流控制技术的原理PWM整流器d-g模型的建立及控制器设计a最后通过仿真验证了原理的正确性O关键词!PWM整流器!功率因数!控制策略中图分类号!TM461文献编识码!A文章编号!1001-71192005#05-0580-04The Direct Current Control Strategy and Controller Designof PWM ConverterWANG Ye!fang Shanghai Dianji University,Shanghai 200240,China Abstract:Some kinds of controI strategies about PWM converter are discussed in the paper.At the same time,the con-troI strategies are compared and anaIyzed,so their disadvantage and advantage are given.The principIe of direct currentcontroI strategy and d-g modeI and controIIer design are introduced.At Iast,the principIe is vaIidated by simuIation.Key words:PWM converter;power factor;controI strategy第21卷 第5期2005年9月VoI.21No.5Sep.2005BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY图I所示为PWM整流器拓扑结构0 图中 t =abc 为电网电压9电感L为外接电感9起储存传递能量和平衡电压的作用9电阻R为整流器的等效电阻9阻值比较小9可以忽略9C为储能电容9端子l2接负载0电压型PWM整流器控制思路是1保证直流侧输出电压Ui稳定的情况下9 使交流侧输入电流尽可能为与输入电压同相位的正弦波9从而达到提高功率因数的目的0 因此9PWM技术从电力电子装置本身入手9通过调整输入电流相位功来消除谐波9提高功率因数0 与传统的相控整流或不控整流相比9电压型PWM整流器是改善系统功率因数的一种好方法0!直接电流控制策略l3电流控制方法中9 通过运算求出交流指令值9再引入交流电流反馈9通过交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值9因此电流控制是整个控制系统的核心部分0目前运用较广的直接电流控制技术主要有滞环电流控制和固定开关频率电流控制0!#滞环电流控制电流滞环控制是通过反馈电流if与给定电流i*f进行滞环比较9 将两者的偏差限制在设定的范围内9当反馈电流if!i*f-ih/2 ih为滞环宽度 时9调制电路的输出使系统输入侧电流i =a9b9c 增大9当ifi*f+ih/2时9调制电路的输出使系统输入侧电流i =a9b9c 减小0 这样不断进行滞环比较调节9使i =a9b9c 始终跟踪给定电流i*f9围绕给定电流波形作锯齿状变化9并将误差限制在滞环宽度范围内0图2给出的是一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图0控制系统是一个双闭环控制系统0 其外环是直流电压控制环9内环是交流电流控制环0 外环PI调节器的输出为直流电流信号id9id分别乘以和abc三相相电压同相位的正弦信号9就得到三相交流电流的正弦指令信号i*a9i*b9i*c0 可以看出9i*a9i*b9i*c分别和各自的电源电压同相位9其幅值和反映负载电流大小的直流信号id成正比9这正是整流器作单位功率因数运行时所需要的交流电流指令信号0该指令信号和实际交流信号比较后9通过滞环对各开关器件进行控制9便可使实际交流输入电流跟踪指令值9其跟踪误差在由滞环环宽所决定的范围内0采用滞环控制9系统结构简单9易于硬件实现9电流响应速度快0另外9控制算法中未使用电路参数9系统鲁棒性好9因而获得了较多的应用0但是滞环控制方法存在着以下问题1 l 滞环控制的开关频率是可变的9其平均开关频率随直流负载电流的变化而变化9导致开关状态的不稳定性和任意性9可以说这种控制方法是以牺牲系统开关频率特性来达到好的电流控制的9 2 开关频率的变化给驱动保护电路和网侧滤波电感的设计带来困难9滤波器只能按最低频率设计9 3 滞环控制不能使输出电流达到很低9因为给定电流太低时9滞环调节将消失9!固定开关频率电流控制l,4如上所述9滞环控制的PWM整流器开关频率变化过大9不仅会降低电流的跟踪精度和产生谐波影响9而且不利于功率器件的安全工作0 解决方法之一是使整流器的开关频率基本保持一图l三相PWM整流器拓扑结构示意图Fig.lThe topoIogy of three phases PWM converter三相输入电源三相电源电流反馈信号PWM整流器三相对称正弦电压参考信号反馈值给定值U+PIilU负载脉冲图2滞环电流控制系统结构Fig.2The system configuration of hysteresis currentcontroI第5期王也仿.PWM整流器的直接电流控制策略和控制器的设计58l科技通报第!l卷定 一般是指PWM载波 如三角波 频率固定不变 而以电流偏差调节信号作为调制波的PWM控制方法 图3是常用的一种固定开关频率的控制系统结构图 电压外环得到的给定正弦波电流信号与反馈电流信号的偏差经电流控制器处理后与一个固定频率的三角波信号相比较而得到PWM波形 如果给定电流信号比反馈电流信号大 其偏差信号就为正 经过正弦波与三角波调制后 使下桥臂功率器件导通 从而使反馈电流增加 反之 使反馈电流减小 给定电流信号正弦波形越好 三角波的频率越高 载波比高 则整流器交流侧电流波形的正弦性也越好 实际上 三角波的频率就是整流系统的开关频率 由此可见 固定开关频率的PWM方法是一种线性化的PWM方法!PWM整流器dg模型的建立及控制器设计1,3,5通过坐标变换 将三相静止坐标变换到两相坐标 使三相变量变为两相变量 降低了系统的阶次 系统的分析和处理变得相对容易 同步坐标系下可以实现电流的无静差跟踪 电流响应也快一些 另外 建立数学模型也是深入分析和研究PWM整流器的工作机理及动态和静态特性的重要手段 三相静止对称坐标系 a 6 c 中的PWM一般数学模型具有物理意义清晰 直观等特点 但在这种数学模型中 PWM交流侧均为时变交流量 因而不利于控制系统设计 为此 通过坐标变换将三相对称静止坐标系 a 6 c 转换成以电网基波频率同步旋转的 i g 坐标系 这样 经坐标旋转变换后 三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量 简化了控制系统设计 其中两相同步旋转坐标系 i g 中的i轴与电网电动势矢量 i重合 则i轴分量表示有功分量 g轴分量表示无功分量 从而有利于三相PWM整流网侧有功 无功分量的独立控制 其坐标变换关系如图 所示 因此根据坐标变换的关系 三相PWM整流器的两相旋转坐标系dg模型可描述为 i gH H=Lp+R-!L!LLp+HHRiiigH H+1i1gH H l 式中 i g为电网电动势矢量 k t I=a 6 c 的i g分量 1i 1g为交流侧电压矢量Vdg的i g分量 p为微分算子 ii ig为交流侧电流矢量Idg的i g分量 由式 1 化简得1i=i+!Lig-Lp+R ii1g=g+!Lii-Lp+R igH 2 显然 式 2 说明 三相PWM整流d g轴电流分量ii ig相互耦合 这给电流控制器设计带来不便 为此 引入ii ig的解耦控制 且ii ig电流环均采用PI调节控制,可得两相同步旋转坐标系 i g 下三相电流控制时的电压指令为1*i=i+!Lig+Iip+IilS i*i-ii 1*g=g-!Lii+Iip+IilS i*g-ig 0另一方面,需要跟踪的电流指令为与电网电动势同频率的三相对称正弦电流,则i*di*g在同步坐标系(d,g中均为直流量,因而采用PI调节器均可实现idig的无静差调节0显然跟踪式(3所给定的三相PWM整流器交流侧指令电压矢量V*(1*d1*g,即能实现三相PWM整流器的电流跟踪控制0 跟踪指令电压矢量的SVPWM直接电流控制框图如图5所述0有功电流指令i*d直接由电压控制环得到,当PWM整流器工作在单位功率因数时,令无功电流指令i*g为00有功和无功电流环的控制采用PI调节,它们的输出得到指令电压矢量V*(1*d1*g,再经过2!3变换后,再采用SVPWM控制方法就可以产生相应的PWM脉冲0!仿真仿真参数为 交流侧的输入电源相电压峰值为100 V,电感值为0.001 H,电阻阻值为0.02!,电容为6000 F0根据PWM整流器dg模型及其上面给出的参数进行仿真,得到相应的波形0 图6(a为单位功率因数时交流侧电压电流波形0 由图中可以看出,系统经过3个工频周期即达到单位功率因数0 图6(b为单位功率因数的整流波形,此时电流和电压同相位0 图6(c为单位功率因数的逆变波形,此时电流和电压相位相反0 图6(d为直流侧电容电压波形,从图中可以看出,电容电压在0.25 S就达到稳定0由上面的仿真波形可以看出,直接电流控制的动态相应特性比较快,验证了理论的正确性0参考文献:#张崇巍张兴.PWM整流器及其控制M.北京 机械工业出版社,2003.$王兆安黄俊.电力电子变流技术M.北京 机械工业图5整流器dg轴电流控制方框图Fig.5the dg cullent contlol chalt of PWM conveltel(b 整流时电压和电流波形(放大(bthe voltage and cullent wavefolm(zoom out)(cPWM逆变时电压和电流波形(cthe voltage and cullent wavefolm of PWMconveltel in the inveltel State(aPWM整流时交流侧电压电流波形(athe voltage and cullent wavefolm of PWMconveltel in the conveltel State(d 直流母线电压波形(dthe voltage wavefolm of DC voltage图6PWM整流器仿真波形Fig.6the Simulation wavefolm of PWM conveltel!下转第592页第5期王也仿.PWM整流器的直接电流控制策略和控制器的设计583科技通报第2l卷出版社,2000.3Dixon J W,Ooi B T.Indirect current control of a unitypower factor sinusoidal current boost type three-phaserectifier J.IEEE Trans Power Electron,l998,35:508-5l5.4Wu R,Dewan S B,Slemon G B.A PWM AC-to-DC con-verter with fixed switching freguency J.IEEE Trans IndAppl,l990,26:880-885.5abetler T G.A space vector-based rectifier regulator forAC/DC/AC converters J.IEEE Trans Power Electron,l993,8:30-36.隔离作用0!l!2和后一级运放构成反相放大器,其放大倍数为-!2/!l0 与!2并联的电容l对后一级运放的输出信号中的高频分量予以滤除,而对低频分量则允许通过,从而构成了一种有源低通滤波器0l!2的值以及运放的输出内阻!0决定了滤波器的带宽#$:#$=0.5/上式中,一般要求!2比!o大一个数量级以上,故#$为正0!#测试结果经过长时间点对点测试2,8,在25 kz带宽以 内,所 设 计 的 无 线MODEM可 工 作 于4.8kbps,9.6 kbps,l9.2 kbps,并且工作稳定0 其传输延时不大于l个位周期,这是无线高速网络的必然要求,也是优于前文提到的方案二的重要方面0 此外,当信噪比大于l2dB时,误码率不高于l0-5,这一指标可以满足大多数应用场合0$结束语本文主要针对工业应用领域和分布式系统的监控而设计了一种高速无线调制解调器0由于它是纯硬件电路,所以就不会出现程序跑飞的情况,这是此方案优于前文提到的方案二的另一个方面0它具有高速率高效率全透明和可工作于全双工模式等特点,这就为实时无线数据传输和在数据终端上开发高效的数据处理算法提供了有力的支持,同时省去了不必要的运算处理开销,提高了系统的可靠性0 从而为组建高速无线网络提供了一种技术手段0参考文献!l李廷军,金慧琴,徐科文,等.73M233调制解调器在短波通信中的应用J.通信技术,200l,9:22-24.2MX-COM.CMX589A Data Sheet,l998.3曾宪伟,张荫,陆生礼.一种GMSK解调方案的研究与实现J.电子器件,2002,25(4):397-40l.4Klymyshyn D M,Kumar S,Mohammadi A.Direct GMSKmodulation with a phase-locked power oscillator J.Vehicular Technology,IEEETransactionson,Volume:48Issue:5,Sept.l999,Page(s):l6l6-l625.5Asano D K,Pasupathy S,Optimization of coded GMSKsystemsJ,Information theory,IEEE Transactions on,Volume:48 Issuel0,Oct.2002,Page(s):2768-2773.6MAXIM.MAX232E Data Sheet.l996.7Xilinx.XC9500 In-System Programmable Family DataSheet,l999.8罗宁,陈尚勤,吴昱静.CIRP调制解调器的软判译码和信道误码率的估值分析J.电子学报,l999,27(0l):74-78.图5一种有源低通滤波器Fig.5A kind of powered low pass filter!上接第583页592PWM整流器的直接电流控制策略和控制器的设计PWM整流器的直接电流控制策略和控制器的设计作者：王也仿，WANG Ye-fang作者单位：上海电机学院,上海,200240刊名：科技通报英文刊名：BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：2005,21(5)被引用次数：2次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.张崇巍;张兴 PWM整流器及其控制 20032.王兆安;黄俊 电力电子变流技术 20003.Dixon J W;Ooi B T Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boost type three-phaserectifier 19984.Wu R;Dewan S B;Slemon G B A PWM AC-to-DC converter with fixed switching frequency外文期刊 19905.Habetler T G A space vector-based rectifier regulator for AC/DC/AC converters外文期刊 1993 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.刘正.梁翌.孟永庆 数字化三电平PWM整流器控制系统的研究会议论文-20062.郑征.田俊祥.ZHENG Zheng.TIAN Jun-xiang PWM整流器直接电流控制技术期刊论文-自动化技术与应用2007,26(2)3.王志祥.WANG Zhi-xiang 一种变流器控制方法-单周控制期刊论文-应用能源技术2006(4)4.赵昱阳.李正熙.赵仁涛.Zhao,Yuyang.Li Zhengxi.Zhao,Rentao 功率因数闭环控制的PWM整流器设计期刊论文-微计算机信息2005,21(6)5.袁传建 基于幅相控制的三相PWM整流器的matlab仿真期刊论文-中小企业管理与科技2008(24)6.张雪群.曾岳南.罗彬.Zhang Xue-qun.Zeng Yue-nan.Luo Bin 单相可逆PWM整流器能量双向传输的研究期刊论文-电子质量2007(7)7.熊宇.李建林.韦鲲.张仲超 大功率变流器及其控制策略综述期刊论文-电工技术2002(9)8.陶海军.郑征.高庆华.TAO Hai-jun.ZHENG Zheng.GAO Qing-hua 基于电流预测控制的PWM整流装置研究期刊论文-河南理工大学学报(自然科学版)2008,27(6)9.尹忠刚.钟彦儒 一种新型三电平非对称桥臂PWM整流器的研究会议论文-200810.马韬.彭咏龙.石新春 DSP、CPLD在电流型PWM整流器中的应用会议论文-2006 引证文献(2条)引证文献(2条)1.张荣佳.刘春海.王莹.侯转转 单相PWM整流器直接电流控制策略的研究期刊论文-电子世界 2013(17)2.郑征.田俊祥 PWM整流器直接电流控制技术期刊论文-自动化技术与应用 2007(2)本文链接：http:/