鎖相環(huán)技術(shù)在三相可逆PWM講解

1、EL ECTRIC DRIV E 2008Vol. 38No. 10電氣傳動(dòng)2008年第38卷第10 期鎖相環(huán)技術(shù)在三相可逆PWM整流器中的應(yīng)用研究謝邦立, 蔣金明, 李治理(寶鋼集團(tuán)梅山鋼鐵公司, 江蘇南京210039摘要:TM EIC GE 公司的TMDrive 270變頻器為全數(shù)字化、矢量控制的交2直2交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。通過對IEGT 三電平PWM 整流器TMDrive 2P70的鎖相環(huán)(PLL 的控制原理及其矢量控制技術(shù)進(jìn)行了分析和研究,詳細(xì)闡述了傳動(dòng)系統(tǒng)如何對工頻電源的相位進(jìn)行同步檢測, 最終表明了無相位檢測技術(shù)是一種高精度、易實(shí)現(xiàn)、低成本的控制技術(shù)。關(guān)鍵詞:PWM 整流器; 鎖相環(huán);

2、 相位檢測中圖分類號:TM461文獻(xiàn)標(biāo)識碼:APLL Application R esearch in Three 2R XI E Bang 2li ,J IAN G 2I 2li(Meishan I ron &S teel Corp. , B aoshan I , 210039, J iangsu, China Abstract :TM EIC GE 2vector controlled AC 2DC 2AC drive system. Analyzed and vector control technique in IEGT three 2level PWM rectifier T

3、MDriver expatiated how to measures phase of power 2f requency in drive system , finally indicates the is high precision , easily actualize and it can reduce cost of system.K ey w ords :PWM rectifier ;phase lock loop (PLL ;phase detection1引言上海梅山鋼鐵公司熱軋廠于2006年完成粗軋R2、精軋F(tuán)0F2軋機(jī)主傳動(dòng)改造工程, 主傳動(dòng)系統(tǒng)均采用TM EIC (東芝三

4、菱 公司8000kV A ,3300V 系列的TMDrive 270變頻器, 控制PWM 整流器的主電源相位, 從而實(shí)現(xiàn)整流器單位功率運(yùn)行。2系統(tǒng)簡介TMDrive 270變頻器為全數(shù)字化、矢量控制的交2直2交變頻傳動(dòng)系統(tǒng); 適用于大型傳動(dòng)如軋鋼廠主傳動(dòng)。TMDrive 270變頻器主回路主要由TMdrive 270和整流器TMdrive 2P70組成。對于對象為該公司生產(chǎn)的同步電動(dòng)機(jī)。該系統(tǒng)自投產(chǎn)以來運(yùn)行非常穩(wěn)定, 維護(hù)量小、控制精度高?？赡嫒娖絇WM 整流器控制技術(shù)主要有直接電流控制(DCC 和間接電流控制; 直接電流追蹤型控制具有電流波形好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn), 它又可以分為滯環(huán)控制方式

5、和固定開關(guān)頻率型控制; 間接電流控制也稱為相位幅值控制(PAC 。矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地得到整流器交流電源的相位。目前, 關(guān)于無相位檢測PWM 整流器的研究比較多, 本文所研究的是將與電網(wǎng)同步的三相電壓進(jìn)行dq 0變換, 再利用鎖相環(huán)技術(shù)來檢測大容量的交流電機(jī)的調(diào)速控制中具有更高的準(zhǔn)確性和高效性; 三電平的IEGT 整流器可以達(dá)到功率因子為1. 0, 實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行; 同時(shí)也可以大大減小高次諧波電流, 對電網(wǎng)污染較小, 從而不需要額外增加高次諧波過濾器和SVC 。IEGT (注入增強(qiáng)柵晶體管 是新型電壓型功率元件, 具有高壓、大容量、低電壓觸發(fā)和開關(guān)頻率高等特點(diǎn)。IEGT

6、 是把IG BT 和GTO 器件二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來, 與IG CT 功率器件特點(diǎn)類似。目前,IEGT 器件穩(wěn)定性高, 性能已達(dá)到6kV/2500A 的水平。92作者簡介:謝邦立(1975- , 男, 碩士, 工程師,Email :xbl1239126. com電氣傳動(dòng)2008年第38卷第10期謝邦立, 等:鎖相環(huán)技術(shù)在三相可逆PWM 整流器中的應(yīng)用研究3整流器主回路TMDrive 2P70整流器屬于可逆三相PWM整流器, 此類整流器具有能量雙向流動(dòng)、恒定直流電壓控制、低諧波輸入電流及無功補(bǔ)償、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。整流器和逆變器結(jié)構(gòu)相同, 均由3個(gè)STAC K (IEGT 組件 組成, 分別對應(yīng)

7、電源A ,B , C 三相; 每個(gè)STAC K 由4個(gè)IEGT 元件串聯(lián)圖2三相靜止交流坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)矢量的轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig. 2A B C coordinate and dq coordinate conversion而成, 形成一個(gè)橋臂。圖1為采用一套標(biāo)準(zhǔn)的TMDrive 270變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖, 圖1中元器件結(jié)構(gòu)對稱, 可以互換, 便于維護(hù) 。假設(shè)三相電源輸入電壓矢量(V a , V b , V c 為V a V m sin ( t V b V =V m sin (t -120 V m sin (t +120(1式中:Vm , 分別為三相輸入電壓幅值與同步旋轉(zhuǎn)角頻率。 :(+ 12

8、0(d V a( ( sin -120°sin +120°V b3V V (2三相平衡且=t ,V 0為零序分量, 將三相電源輸入電壓矢量(V a , V b , V c 表達(dá)式代入式(2 , 由數(shù)學(xué)三角函數(shù)運(yùn)算易知:-120° +sin 2(+120° =3/2×sin 2+sin 2(sin (-120° +cos sin +cos (-120°圖1IEGT 三電平TMDrive 2 F ig.1IEGT three 2TMDrive 1所示, 這種電路也稱為中點(diǎn)鉗位型N PC (neut ral point clamp

9、ed 電路。與兩電平PWM 電路相比, 三電平PWM 調(diào)制波的主要優(yōu)點(diǎn):一是對于同樣的基波與諧波要求而言, 開關(guān)頻率低得多, 從而可以大幅度降低開關(guān)損耗; 二是每個(gè)主開關(guān)器件IEGT 關(guān)斷時(shí)所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半, 有利于整流器容量的大幅提高。電力電子技術(shù)的高速發(fā)展是PWM 高頻整流器發(fā)展的關(guān)鍵。要使PWM 整流器工作時(shí)達(dá)到單位功率因數(shù)狀態(tài), 必須對電流進(jìn)行控制, 保證其為正弦且與電壓同相或反相, 同時(shí)將參考輸入的無功電流設(shè)定為0。+120° sin (+120° =0cos (則可得:V d V =V (34無相位檢測控制方法三相可逆PWM 整流器TMDrive

10、 2P70主回路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中, V a ,V b , V c 為三相輸入電壓。首先是將輸入的三相電壓V a , V b , V c 變換為與電網(wǎng)電壓基波頻率 同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d , q 中的變量, 同時(shí)將電網(wǎng)電壓矢量V s 定向于q 軸。三相靜止交流坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)矢量的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。圖2中, q 軸與A 軸的夾角為, I s 為整流器控制電流。03很顯然, 在復(fù)平面中電壓矢量V s 可以表示為(4 V s =V m cos (t 當(dāng)電網(wǎng)電源三相平衡, 且沒有畸變, 則電網(wǎng)電壓矢量定向于q 軸上, 理想情況下d 軸的電壓分量V d =0; 這里旋轉(zhuǎn)角頻率=100(工

11、頻 。但是實(shí)際的電網(wǎng)電壓波形并不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波, 而且存在一定程度的不平衡現(xiàn)象; 假設(shè)電網(wǎng)電壓矢量偏移q 軸角度(很小 , 矢量關(guān)系如圖3所示。電網(wǎng)電壓矢量表達(dá)式為V a V m sin (t +(5 V b =V m sin (t +-120V V m sin (t +120 謝邦立, 等:鎖相環(huán)技術(shù)在三相可逆PWM 整流器中的應(yīng)用研究電氣傳動(dòng)2008年第38卷 第10期進(jìn)行閉環(huán)矢量變換, 從而始終將V D _FB K 控制在“0”附近。對于主電源的相位來說, 還得加上PLL 與主電源相位偏差P H A S E _S F T , 最終才能獲得主電源的相位CN V _QO 。在這里, 鎖相環(huán)PL

12、L 與傳統(tǒng)的鎖相環(huán)控制不太一樣; 雖然從控制原理來說都是通過相位閉環(huán)控制使預(yù)測相位鎖定目標(biāo)相位, 但是這里PWM 整流器的鎖相環(huán)是通過采用矢量轉(zhuǎn)換的方法自動(dòng)鎖定電源相位和頻率。用矢量坐標(biāo)軸來予以說明。工頻為50Hz , 載波周期為T s , 則=T s , 以角度建立同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d , q , 且電網(wǎng)電壓矢量落在q 軸上。當(dāng)電源發(fā)生畸變, =T s , =+; 電壓矢量發(fā)生偏移, 偏移角為, 按照電壓矢量定向原則, 建立新的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸(d , ; , 由q , d , 此時(shí)通過相鎖, 原有(d , q 坐(=0 , 從而保證V d = 0。圖5為鎖相環(huán)下的坐標(biāo)軸系。圖3電網(wǎng)電壓矢量在同

13、步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中矢量關(guān)系Fig. 3Power voltage vector in dq coordinate conversion根據(jù)式(2 、式(5 進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算, 同理可得:V d V m sin (6 =V V m cos 在這種情況下, 電網(wǎng)電源d 軸電壓分量V d 0, 即=t +。無相位檢測控制方法就是利用通過與電網(wǎng)電源同步的電壓矢量的d 軸電壓分量V d 進(jìn)行處理, 使其逼近0, 從而鎖定電源相位, 達(dá)到準(zhǔn)確檢測電網(wǎng)相位的目的。5鎖相環(huán)(PLL 控制原理正如前述, 衡的正弦波, 原因會(huì)有一變, 必須采用鎖相環(huán)(PLL , 圖4為TMDrive 2P70 整流器中鎖相環(huán)(PLL 控制

14、原理框圖。圖5鎖相環(huán)下的兩坐標(biāo)軸之間的關(guān)系Fig. 5Two coordinate conversion relation in PLL control圖4鎖相環(huán)(PLL 控制原理框圖Fig. 4PLL control principle drawing鎖相環(huán)實(shí)際控制中, V d 調(diào)節(jié)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程, 通過鎖相環(huán)控制使所檢測的相位緊緊跟隨電網(wǎng)的相位, 從而實(shí)現(xiàn)通過無相位檢測技術(shù)來檢測電源相位。圖4的工作原理為:理論上, 當(dāng)測得的相位角CN V _QC 與PLL 電源相位一致時(shí), 則PLL 電源經(jīng)過矢量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而得到的直流分量V d =0; 如果電網(wǎng)存在干擾現(xiàn)象, 則V d 發(fā)生了一定程度的偏

15、移, 即V d 0。以電網(wǎng)電源頻率50Hz 為目標(biāo)頻率, 將直流分量V d 濾波后的相位偏差值經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器處理得到頻率偏差, 頻率偏差疊加在50Hz 工頻上, 兩者之和再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到相位角CN V _QC , 同時(shí)利用CN V _QC 對同步電源電壓6整流器矢量控制三相可逆TMDrive 2P70整流器的矢量控制核心是通過PLL 計(jì)算出主電源的同步相位, 從而實(shí)現(xiàn)交流矢量進(jìn)行直流分量的控制。矢量控制主要應(yīng)用在I q , I d 電流的閉環(huán)控制, 最終得到固定脈沖模式PWM 的E U _R 5, E V _R 5, E W _R 5電壓參考值, 實(shí)現(xiàn)IEGT 的準(zhǔn)確開通和關(guān)斷。圖6為整流

16、器的矢量控制原理圖。13 電氣傳動(dòng)2008年第38卷第10期謝邦立, 等:鎖相環(huán)技術(shù)在三相可逆PWM 整流器中的應(yīng)用研究電壓的恒定和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求, 電流閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行, 同時(shí)電流控制具有快速響應(yīng)速度和較小的超調(diào)量, 大大地減少了電網(wǎng)側(cè)諧波量。7結(jié)論三相可逆TMDrive 2P70整流器中采用PLL 實(shí)現(xiàn)對主電源相位的檢測, 這種方法比較簡單、適用, 準(zhǔn)確性較高。PWM 整流器通過檢測到的同步相位進(jìn)行矢量控制, 使電網(wǎng)側(cè)電流和電壓同頻且同相或反相, 實(shí)現(xiàn)整流器能量雙向流動(dòng), 大大地降低了電網(wǎng)側(cè)諧波量, 保證了整流器高功率因數(shù)運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1Bimal K Bose . M

17、.北圖6整流器的矢量控制原理框圖Fig. 6Rectifier vector control principle drawingTMDrive 2P70整流器為固定開關(guān)頻率型直接電流控制, 該控制系統(tǒng)為一雙閉環(huán)控制系統(tǒng), 即外環(huán)電壓閉環(huán)控制和內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)控制; 具體控制原理為:給定的電壓指令與反饋的直流側(cè)電壓U d 相減后送入PI 調(diào)節(jié)器, 其輸出值經(jīng)過運(yùn)算得到有功電流指令(I q _R , 再與有功電流的反饋值(I q _F 相減, 經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器后得到調(diào)制信號, 實(shí)現(xiàn)有功電流閉環(huán)控制。同時(shí), 數(shù)控制, 將無效電流指令(I d _R , 電流的反饋值(I d _F , 。京:2, .,20

18、01,31(6 :27-29.收稿日期:2007209208修改稿日期:2008204215(上接第19頁rad/s , 傳統(tǒng)D TC 在0. 3s 達(dá)到了穩(wěn)定, 達(dá)到穩(wěn)定好的動(dòng)、靜態(tài)性能。參考文獻(xiàn)1French C , Acarnley P. Direct T orque Control of PermanentMagnet DrivesJ.IEEE T rans. on IA , 1996, IA -32(5 :1080-1088.2Zhong L , Rahman M F , Hu W Y. Analysis of DirectTorque Control in Permanent Magnet Synchronous Motor DriversJ.IEEE Trans. on PE , 1997, 12(3 :528-536. 3田淳, 胡育文. 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論及控制時(shí)速度脈動(dòng)范圍為1. 2rad/s , 而雙模糊D TC 在0. 2s 就達(dá)到穩(wěn)定, 速度的脈動(dòng)范圍為0. 7rad/s ,轉(zhuǎn)速的響應(yīng)快0. 1s , 調(diào)節(jié)時(shí)間短, 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了改善, 控制精度也提高了。5結(jié)論針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制滯環(huán)比較器和PI 速度調(diào)節(jié)器存在