基于DSP的電流型空間矢量PWM整流器

1、第23卷第2期2004年4月電工電能新技術(shù)Vol.23,No.2Apr.2004基于DSP的電流型空間矢量PWM整流器余勇,張興,劉正之2(1.中科院等離子體物理研究所,安徽合肥230031;2.合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥230009)摘要:傳統(tǒng)的電流型PWM整流器(CSR)一般采用三值邏輯SPWM調(diào)制技術(shù),通過(guò)相間解耦預(yù)處理的方法獲得實(shí)際PWM控制波形,過(guò)程復(fù)雜且直流電流利用率較低。本文基于矢量控制思想,充分挖掘DSP芯片二級(jí)中斷功能,使得三值邏輯PWM控制波形的發(fā)生和控制方案的實(shí)現(xiàn)大為簡(jiǎn)化。文中建立了近似的電流型PWM整流器傳遞函數(shù)模型,為系統(tǒng)的綜合提供了依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電流空間矢量整流器

2、基本原理、PWM波形發(fā)生技術(shù)以及控制方案的正確性和可行性。關(guān)鍵詞:脈寬調(diào)制;電流型整流器;矢量控制中圖分類(lèi)號(hào):TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100323076(2004)02200602041引言近幾年來(lái),污染得到越來(lái)越多的關(guān)注。徑之一,波的PWM期以來(lái),M(VSR)以其較低的損耗、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)及控制等一系列優(yōu)點(diǎn)一直成為PWM整流器研究的重點(diǎn)。而電流型PWM整流器(CSR)由于存在直流儲(chǔ)能電感以及交流LC濾波環(huán)節(jié)使其結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜化,并且增大了系統(tǒng)損耗。但隨著大功率變流技術(shù)的發(fā)展特別是CSR在超導(dǎo)儲(chǔ)能中的成功應(yīng)用,較好地解決了CSR的損耗問(wèn)題,另外CSR還以其優(yōu)良的保護(hù)性能使之成為這一領(lǐng)

3、124域當(dāng)前的探討熱點(diǎn)之一。本文中闡述的電流空間矢量PWM算法,其控制簡(jiǎn)單,數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便,能夠很好地替代傳統(tǒng)正弦電流PWM控制技術(shù)。由此,引出以DSP芯片為核心而構(gòu)成的三相PWM電流型整流器控制方案。最后經(jīng)過(guò)合理的近似,建立了整流器的傳遞函數(shù)模型,為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。2M。圖1電流型PWM變流器Fig.1Circuitofacurrent2sourceconverter由圖2可見(jiàn),忽略高次諧波,三相電流型PWM整流橋在交流側(cè)可以等效為一三相交流電流源;而在直流側(cè)可以等效為一直流電壓源。圖2等效電路Fig.2Equivalentcircuit收稿日期:2003207207基金項(xiàng)目:國(guó)家九

4、五重大科學(xué)工程資助項(xiàng)目(HT27U超導(dǎo)托卡馬克核聚變?cè)囼?yàn)裝置)計(jì)投資(1998)1303號(hào)作者簡(jiǎn)介:余勇(19772),男,安徽籍,博士生,主攻電力電子及特種電源的研究;張興(19632),男,上海籍,副研,博士,主攻電力電子與電氣傳動(dòng)、特種電源、電力電子系統(tǒng)理論分析等;劉正之(19432),男,安徽籍,研究員,博導(dǎo),主攻高功率脈沖電源及核聚變工程的研究。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期余勇,等:基于DSP的電流型空間矢量PWM整流器61對(duì)電

5、流型PWM整流器網(wǎng)電流而言,i1是控制量,適當(dāng)調(diào)節(jié)i1的調(diào)制深度與相位就能夠控制輸入電流的相位以控制功率因數(shù),控制輸入電流的幅值以控制傳入變流器的能量,也就控制了直流側(cè)電流。因此,一種較為簡(jiǎn)單的控制方式是采用相互調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu):直流電流環(huán)與功率因數(shù)環(huán)。直流電流環(huán)保證穩(wěn)定的直流電流輸出,功率因數(shù)環(huán)主要在于確保系統(tǒng)工作于單位功率因數(shù)或最大功率因數(shù)狀態(tài)。3控制系統(tǒng)構(gòu)成與矢量發(fā)生與電壓型PWM變流器不同的是,由于采用三值邏輯PWM調(diào)制,電流型PWM控制波形發(fā)生較為復(fù)雜。盡管文獻(xiàn)5就此提出了相應(yīng)的電流PWM波形發(fā)生技術(shù),其原理也較為簡(jiǎn)明,但是在具體的實(shí)現(xiàn)上卻不適合于以微處理器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)

6、,在這種情況下電流空間矢量PWM技術(shù)應(yīng)該是優(yōu)先的選擇。這里將采用TMS320F240DSP片構(gòu)成控制系統(tǒng)。T器,AD采樣轉(zhuǎn)換和二值。本電流型PWM整流器系統(tǒng)中將充分挖掘DSP芯片的二級(jí)中斷功能,利用其控制管角強(qiáng)制配置的方法,產(chǎn)生電流型SVP2WM控制波形。DSP程序?qū)⒅饕譃槿齻€(gè)部分:主程序、定時(shí)器1下溢中斷子程序、定時(shí)器2比較中斷子程序。程圖3DSP3DSP圖4電流空間矢量Fig.4Distributionofcurrentspacevectors按平行四邊形法則6,7,利用這9個(gè)基本矢量可_3序基本流程見(jiàn)圖3。電流型PWM空間基本矢量與電壓型有所不同。為了防止直流側(cè)電流斷路同時(shí)遵循交流側(cè)電

7、流PWM調(diào)制基本原理,必須保證上側(cè)橋臂與下側(cè)橋臂中各有一路且僅有一路導(dǎo)通。這樣橋臂A、B、C共有9種組合狀態(tài):設(shè)某相上橋臂導(dǎo)通而下橋臂關(guān)斷時(shí),其值置“1”;下橋臂導(dǎo)通而上橋臂關(guān)斷時(shí),其值置“-1”;而其它情況,其值置“0”。令直流側(cè)電流為Id,則變流器三相交流側(cè)電流i1、i2、i3為i1=KaIdi2=KbIdi3=KcId以合成給定角度和模長(zhǎng)的等效電流矢量I。顯然對(duì)有限的開(kāi)關(guān)頻率而言,電流矢量是步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的。一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出的合成矢量越多則開(kāi)關(guān)頻率越高。因此任意的電流型變流器輸出的矢量I均可由作用時(shí)間分別為T(mén)1和T2的兩個(gè)相應(yīng)的基本矢量合成。其控制算法:TssinT1=_3-Id|I_3|(2)

8、(1)_3T2=|I|IdT0=Ts-T1-T2>0式中:Ka,Kb,Kc三值邏輯待定系數(shù),且取值為0,-1,1。03坐標(biāo)系下這樣將獲得9個(gè)基本電流矢量,在可表示為圖4。式中:Ts系統(tǒng)開(kāi)關(guān)周期矢量I與基本矢量I1的夾角_3_© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 62_電工電能新技術(shù)dia=ea-uadt=eb-ubdt=ec-ucdtdu=ia-i1dtdub=ib-i2dtduc=ic-i3dt第23卷T0零矢量IA0的作用時(shí)間LaLbLccac

9、bccLd電流型變流器交流側(cè)相電流的極限峰值是Id。反映在矢量圖上,最大電流空間矢量的軌跡是圖4所示正六邊形的內(nèi)切圓。而依據(jù)文獻(xiàn)3所提出的相間解耦預(yù)處理獲得的最大相電流峰值是01866Id,在同等直流電流下,電流空間矢量的輸出最大電流較之高約15147%,即電流空間矢量法的調(diào)制度Md可達(dá)111547。這樣,電流型變流器交流側(cè)的電流波形控制均可以等效為對(duì)上述9種電流矢量的控制,在任一時(shí)刻要跟蹤的矢量均可由作用時(shí)間分別為T(mén)1和T2的兩個(gè)基本矢量配合零矢量來(lái)合成。同時(shí)電流型空間矢量PWM調(diào)制矢量作用時(shí)間與起始位置均可以在線實(shí)時(shí)計(jì)算?？刂葡到y(tǒng)框圖見(jiàn)圖5:(5)(6)=Kaua+Kbub+Kcuc-Rd

10、Iddt(7)當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率足夠高時(shí)可忽略開(kāi)關(guān)函數(shù)的高次分量,這樣開(kāi)關(guān)函數(shù)K可近似看作是角頻率為、相角為、幅值等于調(diào)制比Md。設(shè)開(kāi)關(guān)函數(shù),a=Mdt-bMd(t-23)Kc=Mdcos(t-+23)ffff(8)實(shí)踐表明,電流型變流器中交流側(cè)電感上的壓降一般不足電網(wǎng)電壓的10%,所以可以近似認(rèn)為:ua=Emcostub=Emcos(t-23)圖5電流型空間矢量變流器控制系統(tǒng)框圖Fig.5Controlprincipleofcurrent2sourceSVPWMAC2DCconverter(9)uc=Emcos(t+23)4電流型PWM整流器傳遞函數(shù)上述分析可知,電流型PWM整流器(圖1)共有六種有

11、效開(kāi)關(guān)狀態(tài)和三種零開(kāi)關(guān)狀態(tài)。設(shè)三相電壓與電流基波分別是:ea=Emcosteb=Emcos(t-23)ec=Emcos(t+23)ia=Imcos(t+)ib=Imcos(t-23+)ic=Imcos(t+23+)(9)代入(7)可得:式(8)、dId=KsMdcosLd+RdId=MUcosdt2dm(10)式中:Ks整流器增益,Ks=的傳遞函數(shù)框圖:U2m(6)、(7)、(10)和圖5,可得圖6所示綜合式(5)、(3)(4)建立整流系統(tǒng)的傳遞函數(shù),對(duì)系統(tǒng)綜合具有指導(dǎo)作用,下面建立以傳遞函數(shù)形式表示的系統(tǒng)框圖。(6)、(7):對(duì)主電路分析可得到方程(5)、圖6系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖Fig.6Tra

12、nsferfunctionschemeofcurrent2sourceSVPWMrectifier© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期余勇,等:基于DSP的電流型空間矢量PWM整流器63圖6中,三相橋等效為一高增益小慣性環(huán)節(jié)(時(shí)間常數(shù)Ts可以取開(kāi)關(guān)頻率的一半)。系統(tǒng)由兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的控制閉環(huán)構(gòu)成,具有一定的耦合關(guān)系,可以采取小偏量線性化的方法在某一工作點(diǎn)附近進(jìn)行解耦。需要指出的是,當(dāng)能夠保證系統(tǒng)滿足單位功率因數(shù)運(yùn)行條件,即交流側(cè)濾波電容電流遠(yuǎn)小于直

13、流電流時(shí),Md將與Id之間基本上呈線形關(guān)系。工程實(shí)際中,當(dāng)對(duì)功率因數(shù)無(wú)速度上的要求時(shí),可以直接以Md來(lái)控制Id,而只對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行緩慢的積分調(diào)節(jié),從而削弱雙控制環(huán)之間耦合影響。圖7(c)整流器交流側(cè)電容端電壓圖7電流型空間矢量變流器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7Resultofexperiment85試驗(yàn)結(jié)果基于TMS320F240構(gòu)建電流型PWM整流器試驗(yàn)樣機(jī),樣機(jī)系統(tǒng)電網(wǎng)有效值e=30V;交流側(cè)進(jìn)線F;直流側(cè)電感Ld=電感L=1mH,濾波電容C=4,電流Id=15A;系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻20mH,負(fù)載電阻Rd=4率fk=9600Hz;果見(jiàn)圖7。,因數(shù)運(yùn)行本原理、PWM波形發(fā)生技術(shù)以及控制方案的正確性和可行性。6

14、結(jié)論就電流型PWM變流器而言,如何獲得理想的控制波形是其關(guān)鍵技術(shù)之一。采用TMS320F240芯PWM,很好,提高了。參考文獻(xiàn)(References):1KatsumiNishida,YoshihiroKonishi,MutsuoNakaoka.Dy2namicsystemmodelingofactivethree2phasecurrent2sourcePWMconverterwithfinite2timesettingcontrollerA.Proc.ofIEE2UKPEVDC.UK,2000.2YYe,MKazerani,VHQuintana.Current2sourceconverter

15、basedSSSC:ModulationandControlA.2001IEEEPowerEngineeringSocietySummerMeetingC.Vancouver,Cana2da,2001.9492954.3ZargariN,RizzoS,YuanXiao,etal.AnewcurrentsourceconverterusingasymmetricgatecommutatedthyristorA.IndustryApplicationsConferenceRecordof2000IEEEC.2000.195721963.4HalkosaariT,TuusaH.Optimalvect

16、ormodulationofaPWMcurrentsourceconverteraccordingtominimalswitchinglossesA.PESCIEEE31stAnnualC.2000.1272132.5WangX,OoiBT.Unitypowerfactorcurrentsourcerectifierbasedondynamictri2logicPWMJ.IEEETrans.onPowerElectronics,1993,8(3):2882294.6浦志勇,黃立培,吳學(xué)智(PuZhiyong,HuangLipei,WuXuezhi).三相PWM整流器空間矢量控制簡(jiǎn)化算法的研圖7

17、(a)整流器電網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓究(Researchonsimplifiedalgorithmofthethree2phasePWMrectifierwithspacevectorcontrol)J.電工電能新技術(shù)(Adv.Tech.ofElec.Eng.&Energy),2002,21(2):56260.(下轉(zhuǎn)第68頁(yè),cont.onp.68)圖7(b)交流側(cè)電流與直流側(cè)電流© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 68電工電能新技術(shù)第23卷Modi

18、ficationofplasmareactorandmatchingwithpulsepowerNIEYong,LIWei,SHIYao,TANTian2en(DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Themodifiedexperimentsofthedecompositionoftoluenebypulsecoronadischargeinwire2platereactorwereinvestigated.Apulsepowerbasedonthyratron

19、switch,Blumleinpulseformingnetworkandpulsedtransformerwasadopted.Differentstructureswhichinfluencetheremovalefficiencyoftoluenehavebeeninvestigated,suchaswire2to2wirespacingandtheintroductionofthebaffleplate,theceramicplateofdielectricbarrierandthecatalyst.Thematchingcharacteristicsbetweenthepeakimp

20、edanceofplasmareactorandtheoutputimpedanceofpulsepowerwerealsoana2lyzed.Theresultsshowedthattheratioofwire2to2wirespacingtowire2to2platedistanceat0.8wasoptimum.Thegas2flowdistributionwas“S”structurewhenthebaffleplatewasintroducedinthereactor,andtheremovalefficiencywasimprovedcorrespondingly.Therewer

21、ethreetypesofintroductionoftheceramicplateandthecatalyst,including(a)nodielectricbarrier,(b)ceramicplatebarrierand(c)ceramicplatebarrierwithcatalyst.Theremovalefficiencyandener2gyyieldofthethreetypesofreactorswas“a”<“b”<“c”.Thepeakimofthedecreasedwhenpeakvoltageincreased,andatthesametime,thera

22、tiooftheimpedanceofpulsepowerwasalsoapproachedto1,theenergywasupto92%.Accordingtothe,matchingwithpulsevoltagesourcecanbeKeywords;odification;matching;toluene(上接第63頁(yè),cont.fromp.63)7吳學(xué)智,劉亞?wèn)|,黃立培(WuXuezhi,LiuYadong,HuangLipei).三電平電壓型逆變器空間矢量調(diào)制算法的研究(Researchonspacevectormodulationalgorithmforthree2levelPW

23、Mvoltagesourceinverter)J.電工電能新技術(shù)(Adv.Tech.ofElec.Eng.&Energy),2002,21(4):16219.8余勇,張興,劉正之(YuYong,ZhangXing,LiuZhengzhi).大功率電流型PWMAC2DC變流器建模與解耦控制(Modelinganddecouplingcontrolforhigh2powercurrent2sourcePWMAC2DCconverter)J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化(AutomationofElectricPowerSystem),2003,27(5):45248.Current2sourceSVPWMrectifierbasedonDSPYUYong,ZHANGXing,LIUZheng2zhi121(1.InstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China;2.HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009