一種用于無(wú)環(huán)流相控交-交變頻控制的量化算法

一種用于無(wú)環(huán)流相控交-交變頻控制的量化算法

0交-交交流交流雙變量控制理論近年來(lái)，隨著功率電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)控制理論的快速發(fā)展，頻速增速法在頻致電阻器中得到了廣泛應(yīng)用。在基于雙變量控制理論的交通頻帶濾波器成功應(yīng)用于電動(dòng)縱軸的重量。在文獻(xiàn)中，本文提出了交通頻帶-交叉頻帶的兩變量控制理論，解決了相控交動(dòng)頻帶的循環(huán)和波形的非對(duì)稱性問(wèn)題。文獻(xiàn)介紹了交通頻帶-交叉頻帶控制的方法和實(shí)施方案，制定了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并提供了理想的?shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，傳統(tǒng)的單變量（角）無(wú)環(huán)控制方法通常采用余弦觸發(fā)法，并更多地控制脈沖寬度。這種控制方法的實(shí)時(shí)性差、靈活性差、輸出波形對(duì)稱度差，數(shù)據(jù)采集復(fù)雜。在每條總線上分析和比較各頻帶的實(shí)際運(yùn)行，確定不同頻率的最佳波源，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)中每個(gè)觸發(fā)點(diǎn)的位置和觸發(fā)脈沖的寬度，提出了一種簡(jiǎn)單有效的脈沖觸發(fā)時(shí)間和寬度的量化算法。1脈沖寬度b的控制雙變量控制原理是對(duì)傳統(tǒng)的α角控制原理的發(fā)展,它在α角控制原理基礎(chǔ)上,加上了對(duì)觸發(fā)脈沖寬度β的控制,即對(duì)觸發(fā)脈沖的后沿進(jìn)行控制,這是雙變量控制原理的關(guān)鍵.在雙變量控制原理中,調(diào)制函數(shù)M(t)決定存在函數(shù)脈沖序列的前沿,即觸發(fā)脈沖的前沿,其確定方法與單變量控制原理相同.導(dǎo)通函數(shù)N(t)決定了調(diào)制函數(shù)脈沖序列的后沿.為此,引入觸發(fā)脈沖寬度函數(shù)β(t),且N(t)≥β(t).脈沖寬度b主要有兩個(gè)作用:一是閉鎖可能出現(xiàn)的各種環(huán)流條件;二是引導(dǎo)電流的換向.變量b需要根據(jù)雙變量控制原理來(lái)確定.雙變量控制時(shí)的觸發(fā)脈沖函數(shù)Ppq(t)為Ρpq(t)=∞∑k=0{u[t0+q3Τ1+kΤ1-Μ(t)]-u[t0+q3Τ1+kΤ1-Μ(t)+β(t)]}?(1)Ppq(t)=∑k=0∞{u[t0+q3T1+kT1?M(t)]?u[t0+q3T1+kT1?M(t)+β(t)]}?(1)式中:p為輸出的相號(hào);q為輸入的相號(hào);T1為輸入電壓的周期;t0為正型或負(fù)型過(guò)渡時(shí)的修正時(shí)間.雙變量控制原理使變頻器的控制更靈活方便,為進(jìn)一步提高變頻器的性能奠定了理論基礎(chǔ).在單變量α角控制原理下,交-交變頻器通常有無(wú)環(huán)流和有環(huán)流2種工作方式.無(wú)環(huán)流工作方式的缺點(diǎn)是存在死區(qū),并且在變頻器輸出負(fù)載電流斷續(xù)時(shí)輸出電壓畸變比較嚴(yán)重.有環(huán)流工作方式的缺點(diǎn)是存在環(huán)流電抗器,應(yīng)用范圍有一定的限制.雙變量控制方式增加了對(duì)脈沖寬度的控制.它使自然無(wú)環(huán)流工作方式成為現(xiàn)實(shí),既無(wú)環(huán)流,又不存在死區(qū),克服了上述工作方式的不足.由于增加了一個(gè)控制量脈沖寬度β,使控制規(guī)律變得復(fù)雜,但是當(dāng)使用微機(jī)控制和量化算法后,不僅容易實(shí)現(xiàn)自然無(wú)環(huán)流工作方式,而且還可簡(jiǎn)化主回路和控制回路的結(jié)構(gòu).2脈沖場(chǎng)量化設(shè)計(jì)采用余弦交點(diǎn)法確定觸發(fā)脈沖時(shí)刻不僅實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜,而且系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)性差.為完善相控理論,提高變頻器的性能,減小輸出電壓波形的諧波成分和優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行性能,提出了一套簡(jiǎn)單可靠的觸發(fā)脈沖時(shí)刻和脈沖寬度的量化算法.2.1觸發(fā)脈沖之際算法相控變流器通常用到的控制方法有正弦波、方波、梯形波及三角波法.下面分別給出正弦波、梯形波、三角波和方波控制方法下獲得的觸發(fā)脈沖時(shí)刻經(jīng)驗(yàn)公式算法.為了使各種控制方法下的觸發(fā)脈沖時(shí)刻算法統(tǒng)一性,約定:(1)所有觸發(fā)時(shí)刻Tk按8位二進(jìn)制表示,則其取值范圍為0～255,若超出范圍,減去256或256整數(shù)倍即可.(2)所有計(jì)算公式用來(lái)求取輸出一相電壓的觸發(fā)脈沖時(shí)刻,另外兩相可以根據(jù)相位對(duì)應(yīng)關(guān)系求獲得.(3)所有計(jì)算公式均以輸入一相(如A相)由負(fù)變正時(shí)的過(guò)零點(diǎn)為起始點(diǎn).2.1.1tk值的計(jì)算n分頻輸出一相(一個(gè)周期內(nèi))觸發(fā)脈沖時(shí)刻Tk計(jì)算公式為Τk=n+al1+(k-a-1)l2+158?(2)Tk=n+al1+(k?a?1)l2+158?(2)式中:l1=2n+188;l2=252n-3673n-5l2=252n?3673n?5;k取正整數(shù),當(dāng)k≤3n-32時(shí),a=0,否則,a=1.式(2)僅適用于奇次分頻分壓的情況,且n≤13,即13分頻以上的奇次分頻分壓不再適用.2.1.2脈沖觸發(fā)頻率n分頻輸出一相(一個(gè)周期內(nèi))觸發(fā)時(shí)刻Tk計(jì)算公式為Τk=66+(k-1)256n3(n-1).(3)由于全壓分頻的三相脈沖觸發(fā)時(shí)刻前沿完全對(duì)應(yīng),而且數(shù)量較少,由余弦交截法和經(jīng)驗(yàn)公式所得脈沖觸發(fā)時(shí)間常數(shù)完全相同.2.1.3相一個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)特征設(shè)調(diào)制梯形波上底d1和下底d2關(guān)系為(d1d2=3n-23n2)時(shí),n分頻輸出一相(一個(gè)周期內(nèi))觸發(fā)時(shí)刻Tk計(jì)算公式為Τk=(a+0.5)l1+(k-a-1)l2+64；l1=64(7n2+8n-5)3n2；l2=128(2n-1)(n+1)3n2(4)當(dāng)k≤3n-32時(shí),a=0,否則a=1.2.1.4bl+s1k-3n-32、l1模式設(shè)調(diào)制梯形波上底寬度為d弧度,n分頻全壓輸出一相觸發(fā)時(shí)刻Tk計(jì)算公式為Τk=l+(k-1)l1+a1(k-3n-32)(l2-l1)+a2(k-3n+12)(l1-l2)?(5)式中:l=128(nπ-d)3nπ-3d-2π;l1=2l;l2=64n-(3n-1)l4;當(dāng)k＞3n-32時(shí),a1=1,否則a1=0,當(dāng)k＞3n+12時(shí),a2=1,否則a2=0.2.1.5k,lk-a-1,l1n分頻n分壓輸出一相(一個(gè)周期內(nèi))觸發(fā)時(shí)刻Tk計(jì)算公式為Τk=(a+0.5)l1+(k-a-1)l2+64?(6)式中:l1=2n+193;l2=252n-3863n-5;當(dāng)k≤3n-32時(shí),a=0,否則a=1.2.1.6k/lk-0.5n分頻全壓輸出一相(一個(gè)周期內(nèi))觸發(fā)時(shí)刻Tk計(jì)算公式為Τk=(k-0.5)l2+a(l1-l2)?(7)式中:l2=256n3n-2;l1=384n3n-2;當(dāng)k≤3n-32時(shí),a=0,否則a=1.2.2基于梯形波調(diào)制的脈沖量化算法脈沖寬度β(t)的確定比較復(fù)雜,它是由負(fù)載的大小和性質(zhì)、輸出的頻率和電壓、電源電壓波形等多種因素決定的,很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述.根據(jù)雙變量控制的基本原則,從實(shí)際電流的換流范圍和實(shí)現(xiàn)自然換流的條件出發(fā),考慮到不同分頻下的各種影響因素,提出一種觸發(fā)脈沖寬度的量化算法,提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理性能,這種脈寬算法是在前面觸發(fā)時(shí)刻Tk(脈沖前沿)的基礎(chǔ)上加上一個(gè)脈寬表達(dá)式T′k即為該觸發(fā)脈沖的下降沿時(shí)刻.下面僅給出梯形波調(diào)制下的觸發(fā)脈沖寬度的算法.下面給出n分頻n分壓輸出一相(一個(gè)周期內(nèi))觸發(fā)脈沖寬度T′k(與脈沖前沿公式(4)相對(duì)應(yīng))表達(dá)式為Τ′(3n-1)/2=32(n2+8n-5)3n2?Τ′(3n-3)=32(n2+8n-5)3n2?其余脈寬均為64(7n2+8n-5)5n2.n分頻全壓時(shí)輸出一個(gè)相(一個(gè)周期內(nèi))觸發(fā)脈沖寬度T′k(與式(5)相對(duì)應(yīng))表達(dá)式為Τ′(3n-3)/2=Τ′(3n-1)/2=Τ′(3n-6)=Τ′(3n-4)=125(nπ-d)3nπ-3d-2π,其余均為64n-32(3n-7)(nπ-d)3nπ-3d-2π-110.以上各分頻下觸發(fā)脈沖時(shí)刻和脈沖寬度的量化算法與傳統(tǒng)查表法相比,該算法編程較簡(jiǎn)單,占內(nèi)存小,易于實(shí)現(xiàn).3正交信號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng)3.1晶閘管元件的確定系統(tǒng)主電路如圖1所示.三相分別由6個(gè)晶閘管反并聯(lián)連接,由RC元件構(gòu)成阻容過(guò)電壓抑制電路,晶閘管元件采用并聯(lián)RC電路的保護(hù)方式,晶閘管進(jìn)線端的電抗器主要用于限制元件的電流上升率.3.2主控制設(shè)備設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制性能主要取決于控制電路的控制精度和運(yùn)算速度,這在某種程度上依賴于電路中的主控芯片.系統(tǒng)控制功能復(fù)雜、實(shí)時(shí)性強(qiáng),因此選取了功能強(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活的復(fù)雜可編程邏輯芯片ISPLSI1032E和16位高性能N80C196KB單片機(jī)作為主要控制器件,用來(lái)實(shí)現(xiàn)功能判斷、方式選擇、觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生與處理、系統(tǒng)保護(hù)等功能.總體控制方案見(jiàn)圖2.4不同分頻下的電壓波形功率譜密度分析根據(jù)雙變量控制交-交變頻調(diào)速系統(tǒng),建立了試驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)JLJ132-2.5/4型三相電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究.電機(jī)額定電壓380V,最大電流9A,頻率50HZ,Y型接法.由于篇幅限制這里僅給出部分試驗(yàn)結(jié)果,圖3和圖4分別是梯形波調(diào)制控制下輸出頻率為17Hz和10Hz時(shí)的一相電壓及電流波形.圖3～4中上方是電壓波形,下方是電流波形.從圖3～4中可以看出,電源變頻后輸出波形具有較好的正弦度和對(duì)稱度.由于輸出的電壓波形非常復(fù)雜,通常難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示,用FFT法分析其中所含的諧波成份通常是一種有效的分析手段.現(xiàn)以三分頻(17Hz)的輸出電壓波形為例分析其各次諧波含量.利用傅立葉變換直接計(jì)算功率譜,從而引進(jìn)適合于具有隨機(jī)性質(zhì)時(shí)間序列的譜分析方法,即功率譜密度分析方法.對(duì)輸出波形進(jìn)行采集數(shù)據(jù),利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)不同分頻下的電壓波形功率譜分析圖,圖5和圖6為分別三分頻下的傳統(tǒng)查表法和量化算法控制下的電壓波形功率譜分析圖.圖5～6中縱坐標(biāo)表示