電壓源型SPWM逆變器_異步電機系統(tǒng)發(fā)電工作原理的研究

1、電機電器技術(shù)電機電器技術(shù)22003年第2期電壓源型SPWM逆變器異步電機系統(tǒng)發(fā)電工作原理的研究PrincipleanalysisoftheelectricitygenerationofSPWMconverter-inductionmotorsystem辛凱,馬志源(華中科技大學(xué),武漢430074)摘要:分析了電壓源型SPWM逆變器異步系統(tǒng)發(fā)電的基本工作原理以及當(dāng)異步電機從電動進入到發(fā)電運行時逆變器從無源逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)換到將電機的發(fā)出的能量轉(zhuǎn)送到直流側(cè)這種類似于整流的工作狀態(tài)的根本原因。最后通過Matlab軟件進行仿真驗證了理論的正確性。關(guān)鍵詞:逆變器;SPWM;異步發(fā)電機;電動汽車Abstract

2、:Thispaperanalyzestheprincipleoftheelectricityof-motorsystem,anddiscussesthereasonthatthewinverterisinmotormodewhileworksasrectifierwhenthe,thetheoryisverifiedbythesimulationresults.Keywords:inverter;SPWvehicle1前言,DC-AC逆變器技術(shù)的迅猛發(fā)展,使得逆變器電機系統(tǒng)用于混合動力電動汽車成為可能?；\型異步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固、價廉、維護方便和功率密度高等突出優(yōu)點。異步電機作為可逆電機能

3、作發(fā)電運行。在采用電力電子裝置與異步電機結(jié)合的系統(tǒng)中,需發(fā)電運行時則要求的逆變器必須能雙向控制能量傳遞。目前電動控制技術(shù)已有比較成熟原理分析,本文主要討論電壓源型SPWM逆變器異步發(fā)電系統(tǒng)的工作原理。2異步發(fā)電機的基本工作原理異步電機作電動運行時轉(zhuǎn)速n低于同步轉(zhuǎn)速n1。如果去掉負載,采用一臺原動機拖動異步電機,當(dāng)電機轉(zhuǎn)速升至大于同步轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)差率s為負,由異步電機的基本公式:U1=E1+P1Z1=-E1+P1(R1+jX1)E2=P2(+jX2)sP1=Pm+P1L=Pm+(-P2)E1=E2E1=-PmZm(1)電機發(fā)電運行控制技術(shù)作為混合動力電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一,應(yīng)用十分廣泛。例如混合動力

4、汽車發(fā)電機、電動機制動時的能量回饋以及新型的起動發(fā)電一體化電機(ISA/ISG)等,都涉及到發(fā)電的問題。因此發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能和效率直接影響到電動汽車的總體性能。本文對電壓源SPWM型逆變器異步電機的發(fā)電工作原理進行了分析,并深入探討了逆變器在電機電動運行和發(fā)電運行時能量傳輸方向相反的根本原因,由此得出系統(tǒng)發(fā)電運行的基本控制策略?？傻卯惒桨l(fā)電機的向量圖如圖1所式。需要注意的是此時磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的方向與電動狀態(tài)時相反,導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電動勢和電流的有功分量也改變了方向,在定轉(zhuǎn)子合并的向量圖中轉(zhuǎn)子向量應(yīng)疊加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,所以轉(zhuǎn)子電流I2旋轉(zhuǎn)方向不變但相位反而應(yīng)超前<m=(90°+2

5、)角度,其中2為空間矢量P2與-E1之間的相位差。由于s<0,電機的電磁功率Pem=2m1I2<0s(2)電機電器技術(shù)電機電器技術(shù)2003年第2期3臂的開關(guān)狀態(tài),控制施加到電機上的電壓,交流電機驅(qū)動中常用的SPWM實現(xiàn)方法有規(guī)則采樣法和空間矢量調(diào)制法。本文將采用線性調(diào)制規(guī)則采樣法的電壓源型SPWM逆變器。圖1異步發(fā)電機向量其中m1為相數(shù)。電機進入發(fā)電運行狀態(tài)。實際上但只有當(dāng)|Pem|大于電機的鐵耗、定子銅耗等損耗之和時,電機才能從真正發(fā)出電回饋電源,下面本文中所說的發(fā)電沒有特殊說明都是指的這種情況。此時定子電壓U1與電流I1的相位差<,有功功率1滿足90°1<

6、180°1<0P1=m1U1I1cos1>P2=1。)(4)圖2三相電壓型PWM3(a)為雙邊,一個PWM周期采,PWM脈沖的上升沿和下降沿在采樣點兩側(cè)。以一相為例,設(shè)三角載波的周期為(k),則由三Ts,采樣時刻正弦調(diào)制波值為u(k)和u角形的相似性可得:()=uTs()=2UTs3電壓源型逆變器異步電機系統(tǒng)發(fā)電原理傳統(tǒng)的不帶變頻器的異步發(fā)電機有直接并聯(lián)電網(wǎng)運行和在定子端并聯(lián)電容器自勵運行兩種運行方式。而當(dāng)異步電機用在電動汽車這種原動力和轉(zhuǎn)速變化大,特別既要作電動又要作發(fā)電運行的場合時,就要求采用能量雙向傳輸都可以控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)在電動汽車用的電機多采用電壓源型PW

7、M逆變器供電,因此下文將重點分析電壓源型逆變器異步電機系統(tǒng)發(fā)電的工作原理。電壓源型逆變器的中間直流環(huán)節(jié)采用電容儲能,電壓不能反相,發(fā)電運行時直流電流方向與電動時相反,其主電路如圖2所示。設(shè)Sa、Sb、Sc分別表示橋臂a、b、c的開關(guān)狀態(tài),例如Sa=1表示橋臂a上邊的開關(guān)V1閉合下邊的開關(guān)V4斷開,Sa=0則相反,同一橋臂上下兩個開關(guān)交替通斷,處于互補工作狀態(tài),這樣SPWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)共有8種:(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)。SPWM的控制就是通過改變逆變器三個橋(5)圖3規(guī)則采樣法雙邊不對稱調(diào)制原理整理得Tk=-44UTk=+

8、44U(6)電機電器技術(shù)電機電器技術(shù)42003年第2期三相調(diào)制時,不妨設(shè)此時uA>uC>uB,如圖3(b)所示,由式(6)可以得到各相PWM波上升沿和下降沿所在的時間TA(k)=TB(k)=TC(k)=()-44U()-44U()-44U(7)T7=T0=T4=()44U()()4U()()T5=4U(9)()+44U)、)分別表示開關(guān)狀態(tài)(000)、其中T0(T0T7(T7由式(7)可得到逆變器各開關(guān)狀態(tài)的作用時間:T0=-44UT4=()()4U(111)的作用時間,在這兩種狀態(tài)下直流側(cè)電流Id=)表示開關(guān)狀態(tài)(100)的作用時間,在這種狀0;T4(T4態(tài)下直流側(cè)電流id=iA

9、;T5(T5)表示開關(guān)狀態(tài)(101)()()T5=4UT7=+44U(8)的作用時間,在這種狀態(tài)下直流側(cè)電流id=iA+iC=-iB。從圖3(b)uA>uC>uB不變,(100)(101)()(,0457540,同理可得表1Idt3090°150°210°210°270°270°330°330°390°AuC>uBuA>uB>uCuB>uA>uCuB>uC>uAuC>uB>uAuC>uA>uB開關(guān)模式04575400467640

10、0267620023732001373100157510直流側(cè)電流Id0iA(-iB)00(-iB)iA0iA(-iC)00(-iC)iA0iB(-iC)00(-iC)iB0iB(-iA)0(-iA)iB00iC(-iA)0(-iA)iC00iC(-iB)0(-iB)iC0以30°<t<90°區(qū)間為例進行分析,在這個區(qū)間里uA>uC>uB,開關(guān)模式為(000)(100)(101)(111)(101)(100)(000),IiAd沿著軌跡0(-iB)0變化,其波形如圖4所0(-iB)iA示。由式(8)可以得到(tk,tk+0.5)區(qū)間(如圖3(b)所示

11、)內(nèi)狀態(tài)(100)的保持時間)()()(10)T4=-4U4U當(dāng)載波比很大時,可近似認為此時直流側(cè)電流等于iA在采樣點tk的瞬時值,即id1T5=()()()=4u4u(12)此時直流側(cè)電流itk-120°-d2=-iB=-Imsin(1)由式(10)(13)可得:id1T4+id2T5=(13)1Icos8Um(14)可以看出id1TA+id2TC值與k無關(guān),而(000)(111)狀態(tài)時id=0,故一個三角波周期內(nèi)id的平均值Id=2(id1T4+id2T5)/Ts=iA(tk)=Imsin(tk-1)(11)(tk,tk+0.5)區(qū)間內(nèi)狀態(tài)(101)保持時間1Icos4Um(30

12、°)(15)<t<90°電機電器技術(shù)電機電器技術(shù)2003年第2期5電流Id<0,直流側(cè)功率為負,這時能量傳遞的方向發(fā)生了變化,電機進入發(fā)電狀態(tài),變換器將把電機側(cè)的能量傳送到直流側(cè)。4電壓源型逆變器異步電機系統(tǒng)發(fā)電控制策略的簡介由上面對系統(tǒng)發(fā)電工作原理的分析可以看出逆變器在系統(tǒng)發(fā)電運行時的工作模式與電動運行是一致的,仍然工作在SPWM方式,只需要采用相應(yīng)的發(fā)電控制策略使電機運行在發(fā)電狀態(tài),逆變器就能將電機發(fā)出能量傳送到直流側(cè)。按照主控量的不同,本文將發(fā)電控制策略分為三類:(1)他控式變頻發(fā)電控制策略他控式變頻發(fā)電控制策略把逆變器輸出的頻率f1作為主控量,控制

13、f1f使,U1作f1。圖430°<t<90°區(qū)間直流側(cè)電流波形由上述結(jié)論,在30°<t<90,0°<90°時,如圖4(b)I;當(dāng)時,4°(c)所示I<,如圖4(d)所示Id<0。1其它5Id值,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Id,(15)成立。當(dāng)0°<時,如直流電流Id>0,電壓源逆變器直1<90°流電壓Ud不變,有功功率從直流側(cè)傳輸?shù)诫姍C側(cè);當(dāng)時,如直流電流Id=0,忽略電機的損耗,1=90°這時直流側(cè)和電機之間沒有有功功率的交換,逆變器從電源側(cè)提供給電機運行所需的

14、無功功率,該無功功率由直流側(cè)電容Cd提供;90°<1<180°時直流s作為主控s小于0。(3)矢量發(fā)電控制策略矢量發(fā)電控制策略將M、T坐標(biāo)下的定子電流的兩個分量im1和it1作為主控量,其中轉(zhuǎn)矩電流分量it1在矢量發(fā)電控制策略中為負值,在空間上比勵磁電流分量im1滯后90°。5仿真為了驗證上述結(jié)論,采用了Matlab軟件對圖2系統(tǒng)建立了仿真模型(如圖5所示),進行了仿真,結(jié)果仿真所得電機電動運行和發(fā)電運行時Id波形分(b)所示,與上文的分析結(jié)果相符。別如圖6(a)、圖5系統(tǒng)仿真模型框圖電機電器技術(shù)電機電器技術(shù)62003年第2期無刷直流電動機無傳感器控制

15、集成電路譚建成(廣州電器科學(xué)研究院,廣州市510300)近年,無刷直流電動機無傳感器控制技術(shù)應(yīng)用日漸增多,例如家用電器領(lǐng)域在變頻空調(diào)器、變頻冰箱中的無刷直流壓縮機、無刷直流貫流風(fēng)機的控制,計算機信息產(chǎn)業(yè)的硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、數(shù)字攝象機、CD、MD驅(qū)動器等。利用無傳感器控制技術(shù),無刷直流電動機內(nèi)不必安放專門的轉(zhuǎn)子位置傳感器,從而有簡化電動機結(jié)構(gòu)、減少電動機尺寸、減少引線數(shù)目等優(yōu)點,進而降低電動機成本。解決了霍爾元件在變頻壓縮機內(nèi)因溫度過高不能可靠工作的問題。為此,各國知名的半導(dǎo)體公司先后推出了許多無刷直流電動機無傳感器控制集成電路們結(jié)合研究工作,收集了相關(guān)信息,品向讀者介紹,1TB6520P

16、PWM型三相全波無傳感器電動機控制器1.1概述TOSHIBA的TB6520P是一個PWM斬波型三相全波無傳感器無刷直流電動機控制器。當(dāng)連同TA8483CP使用的時候,可組成一個30V、1.5A以下完整的PWM型無傳感器無刷直流電動機驅(qū)動器,控制驅(qū)動。1.特征MPWM驅(qū)動占空比由模擬輸入控制(內(nèi)置7位A/D轉(zhuǎn)換器)(a)電動時id仿真波形(b)發(fā)電時id仿真波形圖6電流id仿真波形6結(jié)論本文對電壓源型SPWM逆變器異步發(fā)電系統(tǒng)的工作原理進行了分析,得出了當(dāng)電機由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài),逆變器的能量轉(zhuǎn)送方向改變的根本原因是電機定子電壓與電流相位差功率因素角1大小的改變,而與逆變器的工作模式?jīng)]有直接的聯(lián)系這一結(jié)論。系統(tǒng)逆變器由無源逆變轉(zhuǎn)換到將電機的發(fā)出的能量轉(zhuǎn)送到直流側(cè)