帶能量回饋的級聯(lián)型高壓變頻器研究
1 引言
如圖1所示,一般的級聯(lián)型高壓變頻器的整流部分都是采用不可控的二極管,因而能量傳輸不可逆,當電機處于再生發(fā)電狀態(tài)時,回饋的能量傳輸?shù)街绷髂妇€電容上,產(chǎn)生泵升電壓,使電容電壓不穩(wěn)。過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件,從而威脅變頻器的安全工作。
為此本文采用成熟的三相pwm整流技術(shù),使用可控開關(guān)器件組成單個功率單元的整流電路,實現(xiàn)能量雙向傳輸。同時對直流母線電容電壓進行閉環(huán)控制來穩(wěn)定直流母線電容的電壓。這種方法還能實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù),使級聯(lián)型高壓變頻器成為真正的綠色變頻器。仿真證明該方法簡單有效。
2 單個功率單元整流部分的數(shù)學建模及工作原理
從圖1(a)的拓撲結(jié)構(gòu)可以看到,級聯(lián)型高壓變頻器由多個功率單元級聯(lián)而成。因此,可以以單個功率單元為研究對象,建立它的數(shù)學模型并分析其工作原理。
從圖1(b)可以看到,功率單元的整流部分是由不可控的二極管組成。為了實現(xiàn)能量回饋,穩(wěn)定直流母線電容電壓,需要用可控的igbt替代二極管,進行pwm整流控制。圖2是改造后的功率單元拓撲結(jié)構(gòu)圖。
圖2中,lx(x=a,b,c)為交流側(cè)濾波電感,電阻rx(x=a,b,c)為濾波電感l(wèi)x的等效電阻和功率開關(guān)管損耗等效電阻的合并。
設(shè)三相電源電壓為:
式中:ed,eq,id,iq分別為功率單元整流部分的電源電壓矢量、輸入電流矢量在d-q軸上的分量。
由(3)式可以看出,d、q軸變量相互耦合,因而無法對d、q軸的電流進行單獨控制。為此引入id、iq的前饋解耦控制,且采用pi調(diào)節(jié)器作為電流環(huán)控制器,則有以下方程:
式中:ud*、uq*是d-q軸的電壓給定;kdp和kdi分別是d軸pi調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù);kqp和kqi分別是q軸pi調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)。
由式(4)可以看出,電壓指令已經(jīng)實現(xiàn)了完全解耦控制,其系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。圖3中,采用由pi調(diào)節(jié)器組成的電壓-電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),外部電壓環(huán)用于實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定,內(nèi)部電流環(huán)控制交流輸入電流與輸入電壓同相。其工作原理如下:輸出電壓vdc和給定參考電壓vdc*比較后送入電壓pi控制器,電壓控制器的輸出信號作為網(wǎng)側(cè)電流有功分量的給定值id*,其大小根據(jù)整流器的有功輸出調(diào)節(jié),為達到單位功率因數(shù)整流或逆變,無功分量的給定值iq*設(shè)定為0,穩(wěn)態(tài)時dq軸的電流給定信號都為直流量,兩個給定值與網(wǎng)側(cè)經(jīng)過變換后的反饋值id、iq相比較后,送入電流pi調(diào)節(jié)器,在經(jīng)過解耦和dq→αβ變換后得到三相網(wǎng)側(cè)電壓在兩相靜止坐標系上的控制信號,再經(jīng)過電壓空間矢量脈寬調(diào)制模塊后,輸出六路svpwm控制信號,從而實現(xiàn)對功率單元整流器的控制。
3 功率單元級聯(lián)的仿真系統(tǒng)
按照第2節(jié)介紹的數(shù)學模型,搭建的功率單元仿真模型如圖4所示。
其中,整流部分控制器的仿真模型如圖5所示。
4 功率單元級聯(lián)的仿真系統(tǒng)
圖6是每相串聯(lián)3個功率單元級聯(lián)型高壓變頻器的系統(tǒng)仿真模型。
6 結(jié)束語
通過仿真實驗的波形可以看出,改進后的級聯(lián)型高壓變頻器不僅可以進行能量的雙向傳輸,實現(xiàn)能量回饋;而且,控制系統(tǒng)的響應速度非??欤棺冾l器具有較好的動態(tài)性能。因此,該改進方案是正確可行的。
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