用于逆變器試驗(yàn)的PWM整流器及其控制策略研究

1、第28卷第1期2008年2月文章編號(hào):1008-7842(2008)01-0015-03鐵道機(jī)車車輛RAILWAYLOCOMOTIVE&CARVol128No11Feb12008用于逆變器試驗(yàn)的PWM整流器及其控制策略研究訾振寧,林飛,鄭瓊林(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京100044)摘要PWM整流器是一種高功率因數(shù)、低噪聲靜止變流器,控制策略選取是PWM整流器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。提出了一種用于新型電力機(jī)車輔助逆變器試驗(yàn)系統(tǒng)的PWM整流器,詳細(xì)介紹了其工作原理和控制方法。采用該P(yáng)WM整流器代替原有的風(fēng)機(jī)負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能流循環(huán)。在以DSP為核心的控制系統(tǒng)上,實(shí)現(xiàn)了PWM整流器的預(yù)測(cè)電流控制

2、算法,使PWM整流器可任意調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流,并模擬不同故障情況。試驗(yàn)表明運(yùn)用這種控制策略的PWM整流器運(yùn)行穩(wěn)定可靠,具有節(jié)能降噪等優(yōu)越性能。關(guān)鍵詞PWM整流器;控制策略;能流循環(huán);輔助逆變器中圖分類號(hào):U26413+71文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A逆變器已經(jīng)成為電力電子技術(shù)的重要組成部分,其應(yīng)用滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。電力機(jī)車輔助逆變器主要為機(jī)車主電路提供冷卻,1供風(fēng)源,調(diào)節(jié)司乘人員環(huán)境,需定期測(cè)試,進(jìn)行滿功率試驗(yàn)。但是這,造成電能的巨大浪費(fèi),且占地多。為了解決以上問題,本文利用三相電壓型PWM整流器代替風(fēng)機(jī)作為逆變器的負(fù)載,提出了一種用于新型能流循環(huán)式輔助逆變器試驗(yàn)系統(tǒng)的PWM整流器。逆變器的輸出能

3、量可經(jīng)PWM整流器直流側(cè)返回電源,從而節(jié)約大量電能。該P(yáng)WM整流器采用了三相獨(dú)立調(diào)節(jié)電流的預(yù)測(cè)電流控制算法,這種預(yù)測(cè)電流控制方法屬于直接電流控制,可以簡(jiǎn)捷地實(shí)現(xiàn)輸入電流的閉環(huán)控制,亦可單獨(dú)控制各相電流。具有開關(guān)頻率固定、2響應(yīng)時(shí)間短、控制器設(shè)計(jì)和參數(shù)整定簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖1輔助逆變器輸出電壓和電感電流指令分析逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同,不必增加硬件設(shè)計(jì)成本。圖2為采用PWM整流器構(gòu)成的能流循環(huán)式輔助逆變器試驗(yàn)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖。二者的直流側(cè)并聯(lián),并通過接觸器與直流電源接通;二者的交流側(cè)通過三相電感連該P(yáng)WM整流器運(yùn)用到8K電力機(jī)車輔助逆變器試驗(yàn)系統(tǒng)中,本文詳細(xì)介紹了其工作原理和控制設(shè)計(jì)方案,該方案同樣適

4、用于其他電力機(jī)車輔助逆變器的測(cè)試。1試驗(yàn)原理8K電力機(jī)車的輔助逆變器為三相方波逆變器。如圖1(a)所示,以a相為例,其余兩相與此類似,工3作時(shí)輸出電壓uan為50Hz,占空比為50%的方波。與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)不同,本文采用PWM整流器為逆變器的負(fù)載,而且該P(yáng)WM整流器與被試圖2PWM整流器用于測(cè)試逆變器系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖訾振寧(1982-)男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,碩士生(修回日期:2007-09-25)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 16鐵道機(jī)車車輛第

5、28卷接。PWM整流器根據(jù)檢測(cè)的逆變器輸出電壓和電感電流構(gòu)成反饋控制系統(tǒng),可在容量范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)節(jié)各相電感電流的大小,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器進(jìn)行不同負(fù)載及故障條件下的測(cè)試。在方波的1個(gè)周期內(nèi),前半個(gè)周期V1導(dǎo)通,uan等于直流電壓,此時(shí)若T4導(dǎo)通則電感電流增大,若T1導(dǎo)通則電流維持不變。由于直流側(cè)并聯(lián),此時(shí)無論P(yáng)WM整流器如何控制,電感電流都不會(huì)減小。同理,3試驗(yàn)需要給定電流幅值Im;二者相乘即得電流指令的瞬時(shí)值ij3。逆變器輸出電壓uAVj和實(shí)際交流電流值ij可以分別通過電壓、電流傳感器檢測(cè)得到。將這些值代入式(3)可計(jì)算得到PWM整流器橋臂中點(diǎn)電壓的AV指令信號(hào)u,完成PWM整流器開關(guān)控制。最后可

6、j通過正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方式生成實(shí)際電壓。3控制策略的實(shí)現(xiàn)根據(jù)以上控制策略設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)。逆變器與PWM整流器間的三相電感要進(jìn)行能量傳遞,電感4,5的取值對(duì)控制很重要,決定著瞬態(tài)電流是否能及在后半個(gè)周期中V4導(dǎo)通,uan為零,此時(shí)通過控制PWM整流器的開關(guān)動(dòng)作,只能使電流減小。因此電感電流的指令應(yīng)如圖1(b)所示,相位滯后逆變器輸出電壓90°。而電流的大小可在容量范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。同時(shí),PWM整流器將交流電能整流成直流電能,送回逆變器直流側(cè),從而實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)流動(dòng)。該系統(tǒng)可進(jìn)行逆變器的滿容量測(cè)試,但由于實(shí)現(xiàn)了能流循環(huán),消耗的能量?jī)H為系統(tǒng)中的損耗,可大量節(jié)約電能。2控制策略研究

7、時(shí)跟蹤和穩(wěn)態(tài)電流的控制效果,取值較大有利于電能轉(zhuǎn)換和濾波,但會(huì)造成成本增加、電流瞬態(tài)響應(yīng)慢等問題;取值較小則波形畸變較嚴(yán)重。根據(jù)上述考慮,選取電感量為6mH。另外,3個(gè),傳感器采用。整流器控制系統(tǒng)利用DSP為核心的控制電根據(jù)PWM點(diǎn),跟蹤其指令值。如圖2,下:uj-uj=L路。控制板以TMS320LF2407定點(diǎn)DSP作為處理核心,完成控制PWM整流器的工作。此款數(shù)字信號(hào)處理器可以方便的進(jìn)行邏輯控制與時(shí)序控制,有多路輸入輸出接口,各種操控信息可以即時(shí)顯示。交互設(shè)備包括djdt+Rij(j=a,b,c)(1)設(shè)定按鈕、連接裝置、狀態(tài)指示等。PWM整流器控制軟件充分利用了DSP內(nèi)部的資式中uj為逆

8、變器交流側(cè)電壓;ij為電感電流;uj為PWM整流器交流側(cè)電壓;R為電路中雜散電阻的總源,為C語言編制。包括主程序、定時(shí)器比較中斷程序和短路保護(hù)中斷程序3個(gè)主要部分。軟件流程簡(jiǎn)圖如圖4所示,控制系統(tǒng)首先進(jìn)行AD采樣;接著完成對(duì)模擬采集量的計(jì)算、定標(biāo)等處理;狀態(tài)檢測(cè)中設(shè)置了過電流保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、功率驅(qū)動(dòng)保護(hù),保證PWM整流器的正常工作,避免器件損壞。同步檢測(cè)部分完成與電網(wǎng)或與外部信號(hào)的同步;啟動(dòng)時(shí),程序首先檢查電網(wǎng)電壓的過零標(biāo)志,當(dāng)電網(wǎng)電壓過零標(biāo)志置位且當(dāng)前無故障狀態(tài),則整流器啟動(dòng),開放PWM脈沖輸出,執(zhí)行預(yù)測(cè)電流控制算法。停止時(shí),程序閉鎖PWM脈沖輸出并清除電網(wǎng)電壓過零標(biāo)志。中斷程序最后完

9、成采樣數(shù)據(jù)保存、開關(guān)防顫和看門狗復(fù)位。和,通?？梢院雎?。由式(1)可知,只要對(duì)uj進(jìn)行恰當(dāng)控制,便可使電流達(dá)到其指令值。忽略電阻R,對(duì)式(1)從tk到tk+1的1個(gè)控制周期進(jìn)行平均,可以得到:u=uj-jAVAVTsLdtdt=utktk+1dijAVj-Ts(2)ij(tk+1)-ij(tk)(j=a,b,c)式中上標(biāo)AV表示從tk到tk+11個(gè)控制周期的平均值;Ts為控制周期,Ts=tk+1-tk。根據(jù)電流控制的要求,交流電流應(yīng)在1個(gè)PWM控制周期內(nèi)跟蹤指令電流,若令u=uj-jAVAV(ij3tk+1-ijtk)Ts(3)將式(3)代入式(2),則ijtk+1=ij3tk+1。因此,根據(jù)

10、式(3)來控制PWM整流器的交流電壓就可以實(shí)現(xiàn)電流控制的要求?？刂瓶驁D如圖3所示。相位檢測(cè)單元用于檢測(cè)被試逆變器的電壓相位,如前所述,電壓相位滯后90°后就是指令電流的相位;試驗(yàn)人員可根據(jù)圖3PWM整流器負(fù)載預(yù)測(cè)電流控制設(shè)計(jì)原理框圖© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期用于逆變器試驗(yàn)的PWM整流器及其控制策略研究17電壓波形,反應(yīng)了裝置良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。以往輔助逆變器風(fēng)機(jī)負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)做滿功率50kW試驗(yàn)需消耗全部50kW功率。本文采用PW

11、M整流器負(fù)載的新型試驗(yàn)系統(tǒng)做等效滿功率試驗(yàn)時(shí),被試逆變器和PWM整流器實(shí)現(xiàn)能量環(huán)流,交流電流有效值達(dá)到了逆變器額定電流的80A,逆變器輸出滿功率同樣為50kW。但此時(shí)直流電源輸出電流僅5A,輸出功率僅為215kW,這比起同等級(jí)風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)節(jié)約能源約4715kW,以該P(yáng)WM整流器為核心的新型試驗(yàn)系統(tǒng)為逆變器試驗(yàn)工作節(jié)約了大量電能。逆變器的輸出電流可通過旋鈕在容量范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。通過故障模擬開關(guān),控制系統(tǒng)可模擬缺相、不平衡、過載等不同故障,。圖4PWM整流器控制系統(tǒng)軟件流程簡(jiǎn)圖通過控制策略的實(shí)現(xiàn),PWM整流器可制造逆變器各類故障,基于此的能流循環(huán)試驗(yàn)裝置可滿足針對(duì)被測(cè)逆變器的各種工作狀態(tài)試驗(yàn),有效判

12、斷各種故障狀態(tài)。系統(tǒng)保護(hù)產(chǎn)生及時(shí),故障指示燈明確,操作者極易觀察并可迅速采取相應(yīng)措施。4試驗(yàn)結(jié)果2通道為1100隔離電壓探頭;3通道為120霍爾電流探頭。圖5額定條件下的試驗(yàn)波形根據(jù)上述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PWM整流器,已應(yīng)用到研制成功的一套8K電力機(jī)車輔助逆變器試驗(yàn)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到大同湖東機(jī)務(wù)段的8K機(jī)車輔助逆變器的日常檢測(cè)維修工作中,性能良好。圖5為現(xiàn)場(chǎng)采集到的該試驗(yàn)系統(tǒng)額定功率運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果波形。圖5中1、2、3通道分別表示PWM整流器交流側(cè)a相電壓的PWM脈沖信號(hào)、被試逆變器a相輸出的方波電壓和a相電感電流。與前面分析相符,在逆變器方波電壓的上升沿和下降沿,由于控制的滯后造成了電流

13、波形的小畸變,但這并不影響對(duì)逆變器進(jìn)行功率測(cè)試。突加負(fù)載時(shí),逆變器輸出方波電壓質(zhì)量良好。圖6為突加80A電流時(shí),逆變器直流1通道為1100隔離電壓探頭。圖6突加額定負(fù)載直流電壓試驗(yàn)波形(下轉(zhuǎn)第64頁)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 64鐵道機(jī)車車輛第28卷的軸距相同,只是轉(zhuǎn)向架的中心距相差S4=240mm,此時(shí)因?yàn)檐壍垒?、2和3的螺母均與左擋板貼靠,所以只要開動(dòng)電動(dòng)減速機(jī)使3個(gè)軌道輪同步移動(dòng)S4=240mm,軌道輪的位置就從試驗(yàn)DF11型機(jī)車調(diào)整

14、到試驗(yàn)DF11G型機(jī)車的位置。從DF11G型機(jī)車調(diào)整到DF11(DF11Z型)機(jī)車,或DF11型(DF11Z型)機(jī)車調(diào)整到SS9型機(jī)車,軌道輪軸距調(diào)整的過程與上述過程相同,只是將電動(dòng)減速器反轉(zhuǎn)。定量軸距調(diào)整裝置的工作原理可以在各種不同輪對(duì)位置的機(jī)車上使用,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,可靠性強(qiáng),調(diào)整快捷等優(yōu)點(diǎn)。4結(jié)論(1)以機(jī)車的定置試驗(yàn)臺(tái)代替檢修機(jī)車的正線試趨。(2)機(jī)車定置試驗(yàn)臺(tái)的并列式軌道是一項(xiàng)實(shí)用新穎的專利技術(shù),它既不影響定置試驗(yàn)臺(tái)的軸距調(diào)整,又確保機(jī)車安全快速自行上下試驗(yàn)臺(tái)。(3)機(jī)車定置試驗(yàn)臺(tái)的定量軸距調(diào)整機(jī)構(gòu)可以將試驗(yàn)臺(tái)的軸距一次定量調(diào)整到位,既便捷又準(zhǔn)確。參考文獻(xiàn)1戚墅堰機(jī)車車輛廠1

15、DF11型內(nèi)燃機(jī)車M1北京:中國(guó)鐵道出版社,200112余衛(wèi)斌1SS9型電力機(jī)車M1北京:中國(guó)鐵道出版社,200513王同政,戴偉躍,沈海濤,等1SS8型電力機(jī)車整車動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)J1機(jī)車電傳動(dòng),2005,(5):54-5714王金平等1鐵道機(jī)車的定置試驗(yàn)臺(tái)J1鐵道知識(shí),2006,(5):26-271運(yùn),在技術(shù)上是可行的,是機(jī)務(wù)段修制改革的大勢(shì)所JZD-2DynamicDetectionDeviceTestLIYing-hao,XIERang-gaoGui-zhong123(1BeijingRailwayConstructionof,Beijing100070,China;2,Beijing10

16、0044,China;3Shijiazhuang,BeijingRailwayBureau,Shijiazhuang050091Hebei,China)Abstract:Thispaperotivelocatingtestbenchreplacedofficiallineandintroducesonintroducingtwonewtechnologiesofimprovinglocomotiveefficiency1Parallelarrangementtypetrackcanensurelocomotivequicklyandsafetyupanddownfromtestbench1Qu

17、antitativewheelbaseadjustmentmechanismcanachievetestbenchwheelbaseadjustmentarrivallocationonetime1Keywords:locomotive;locatingtestbench;track;wheelbase(上接第17頁)3鄭瓊林,李威,郝榮泰18K型電力機(jī)車IGBT輔助逆變器的控制與驅(qū)動(dòng)J1鐵道學(xué)報(bào),2000,(1):20-2214郭文杰,林飛,鄭瓊林1交流傳動(dòng)互饋試驗(yàn)平臺(tái)整流器研究J1鐵道學(xué)報(bào),2006,(1):31-3415Malesani,etal1AC/DC/ACPWMconverter

18、withreducedenergystorageintheDClinkJ1IEEE,Trans1IndustryApplications,1995,31(2):287-2921參考文獻(xiàn)1鄭樹選18K型電力機(jī)車M1北京:中國(guó)鐵道出版社,199412方宇,裘迅,等1基于預(yù)測(cè)電流控制的三相高功率因數(shù)PWM整流器研究J1中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(20):69-731ControlStrategyofPWMRectifierforElectricLocomotiveAuxiliaryInverterExperimentalSystemZIZhen-ning,LINFei,ZHENGQiong-lin(SchoolofElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:PWMrectifierisakindofconverterwithhighpowerfactorandlownoises1ThecontrolstrategyisthekeyofthePWMrectifierdesign1APWMrectifierforthenovelelectriclocomotiveauxiliaryinverterex