- 三相電壓型PWM整流器控制方案
- 空間矢量控制的PWM整流器仿真模型建立和分析
- 由主電路和控制回路兩部分組成
- 控制單元通過矢量運(yùn)算，生成所需要的PWM波，控制雙向變換器
傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)多用于兩電平電路的驅(qū)動(dòng)控制，其主要方法是正弦脈寬調(diào)制（SPWM），調(diào)制波為正弦波，依靠三角載波和調(diào)制波的比較得出交點(diǎn)實(shí)施控制，其電壓利用率低，諧波含量大。而隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和多電平電路的出現(xiàn)，涌現(xiàn)出很多新的控制方法，如優(yōu)化PWM方式、滯環(huán)電流控制方式、空間電壓矢量控制方式等等。
其中，空間電壓矢量控制通過合理地選擇、安排開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換順序和通斷持續(xù)時(shí)間，改變多個(gè)脈沖寬度調(diào)制電壓的波形寬度及其組合，達(dá)到較好的控制。相對SPWM控制，具有電壓利用率高、諧波含量小、大大改善了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制精度高等特點(diǎn)。本文采用空間矢量控制的控制策略，并對整流電路采用電壓外環(huán)PI和電流內(nèi)環(huán)PI控制相結(jié)合的方法，建立三相電壓型PWM矢量控制方案的仿真模型，并對其進(jìn)行分析研究。
三相電壓型PWM整流器控制方案
圖1為三相電壓型PWM整流器空間矢量控制框圖，它由主電路和控制回路兩部分組成。其中，控制回路主要由輸入電流和輸出電壓檢測、坐標(biāo)變換、PI控制器和SVPWM脈沖產(chǎn)生等部分組成。其原理如下：三相交流電通過三相電壓型整流電路整流為穩(wěn)定的直流電壓。同時(shí)，控制回路對主電路的輸入電流和輸出直流電壓進(jìn)行檢測，一方面，將檢測值與給定值進(jìn)行比較后送入PI控制調(diào)節(jié)器，輸出值與電流比較并將其輸出送入PI控制器變?yōu)殡妷盒盘枺俳?jīng)坐標(biāo)變換送入SVPWM脈沖產(chǎn)生單元，完成電壓閉環(huán)控制；另一方面，將檢測的輸入電流經(jīng)坐標(biāo)變換與給定電流比較，送入PI控制器變?yōu)殡妷盒盘枺俳?jīng)坐標(biāo)變換送入SVPWM脈沖產(chǎn)生單元，完成電流的閉環(huán)控制。矢量控制單元通過矢量運(yùn)算，生成所需要的PWM波，控制雙向變換器，達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定和輸入側(cè)交流電流的正弦化。
圖1三相電壓型PWM空間矢量控制方框圖
控制系統(tǒng)框圖中的PI控制模塊、坐標(biāo)變換模塊和矢量控制模塊的工作原理參考文獻(xiàn)1，其具體參數(shù)需要在仿真中確定。
空間矢量控制的PWM整流器仿真模型建立和分析
1仿真模型的建立
利用Matlab/Simulink軟件包，根據(jù)控制框圖建立仿真模型。仿真模型主要包括主電路模型、控制電路模型和功率因數(shù)計(jì)算模型等。
(1)主電路模型
主電路仿真模型如圖2所示。它主要由輸入電源模塊、三相整流器模塊和一些電壓、電流測量單元組成。
圖2主電路模型
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(2)控制電路模型
控制電路仿真模型如圖3所示。它主要由PI控制器模型、坐標(biāo)變換模型以及矢量控制器模型等部分組成。其中，坐標(biāo)變換和矢量控制器仿真模型的建立主要根據(jù)矢量控制原理搭建而成[2]，其仿真模型如圖4所示。
圖3控制電路模型
圖4SVPWM仿真模型
(3)功率因數(shù)計(jì)算模型
圖5功率因數(shù)計(jì)算模型
2仿真結(jié)果
根據(jù)上面搭建的仿真模型，給定仿真參數(shù)假定如下：交流側(cè)輸入為三相260V交流電壓，交流側(cè)電感取3.4mH，直流側(cè)濾波電容為1000µf，給定直流輸出電壓為650V，開關(guān)頻率10KHZ，負(fù)載電阻為40Ω。在t=0.05s時(shí)，突加負(fù)載使負(fù)載電阻由40Ω變?yōu)?0Ω。仿真結(jié)果如下所示。
圖6輸入a相電壓和電流穩(wěn)態(tài)波形圖7輸出直流電壓穩(wěn)態(tài)波形
圖8功率因數(shù)響應(yīng)曲線
圖9輸入電流隨負(fù)荷波動(dòng)曲線圖10輸出直流電壓隨負(fù)荷波動(dòng)曲線
根據(jù)電壓空間矢量控制的基本概念和控制框圖，建立三相電壓型PWM整流器空間矢量控制的仿真模型，并對每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的分析。從圖6～圖8可以看出采用這種控制方案輸出直流電壓響應(yīng)速度快，輸入交流側(cè)電流波形為正弦波且與輸入交流電壓相位相同，基本實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。另外從圖9和圖10可以看出，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，整流器輸入側(cè)電流幅值變大并有少許的波動(dòng)，但很快就恢復(fù)為正弦波，同時(shí)輸出側(cè)直流電壓降低，但很快也恢復(fù)到給定的650V直流電壓。通過仿真結(jié)果可以看出采用空間矢量控制的整流器具有很好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。
