锁相环技术在三相可逆PWM讲解

1、EL ECTRIC DRIV E 2008Vol. 38No. 10电气传动2008年第38卷第10 期锁相环技术在三相可逆PWM整流器中的应用研究谢邦立, 蒋金明, 李治理(宝钢集团梅山钢铁公司, 江苏南京210039摘要:TM EIC GE 公司的TMDrive 270变频器为全数字化、矢量控制的交2直2交变频传动系统。通过对IEGT 三电平PWM 整流器TMDrive 2P70的锁相环(PLL 的控制原理及其矢量控制技术进行了分析和研究,详细阐述了传动系统如何对工频电源的相位进行同步检测, 最终表明了无相位检测技术是一种高精度、易实现、低成本的控制技术。关键词:PWM 整流器; 锁相环;

2、 相位检测中图分类号:TM461文献标识码:APLL Application R esearch in Three 2R XI E Bang 2li ,J IAN G 2I 2li(Meishan I ron &S teel Corp. , B aoshan I , 210039, J iangsu, China Abstract :TM EIC GE 2vector controlled AC 2DC 2AC drive system. Analyzed and vector control technique in IEGT three 2level PWM rectifier T

3、MDriver expatiated how to measures phase of power 2f requency in drive system , finally indicates the is high precision , easily actualize and it can reduce cost of system.K ey w ords :PWM rectifier ;phase lock loop (PLL ;phase detection1引言上海梅山钢铁公司热轧厂于2006年完成粗轧R2、精轧F0F2轧机主传动改造工程, 主传动系统均采用TM EIC (东芝三

4、菱 公司8000kV A ,3300V 系列的TMDrive 270变频器, 控制PWM 整流器的主电源相位, 从而实现整流器单位功率运行。2系统简介TMDrive 270变频器为全数字化、矢量控制的交2直2交变频传动系统; 适用于大型传动如轧钢厂主传动。TMDrive 270变频器主回路主要由TMdrive 270和整流器TMdrive 2P70组成。对于对象为该公司生产的同步电动机。该系统自投产以来运行非常稳定, 维护量小、控制精度高。可逆三电平PWM 整流器控制技术主要有直接电流控制(DCC 和间接电流控制; 直接电流追踪型控制具有电流波形好、动态响应快等优点, 它又可以分为滞环控制方式

5、和固定开关频率型控制; 间接电流控制也称为相位幅值控制(PAC 。矢量控制技术的关键在于控制系统能够准确地得到整流器交流电源的相位。目前, 关于无相位检测PWM 整流器的研究比较多, 本文所研究的是将与电网同步的三相电压进行dq 0变换, 再利用锁相环技术来检测大容量的交流电机的调速控制中具有更高的准确性和高效性; 三电平的IEGT 整流器可以达到功率因子为1. 0, 实现高功率因数运行; 同时也可以大大减小高次谐波电流, 对电网污染较小, 从而不需要额外增加高次谐波过滤器和SVC 。IEGT (注入增强栅晶体管 是新型电压型功率元件, 具有高压、大容量、低电压触发和开关频率高等特点。IEGT

6、 是把IG BT 和GTO 器件二者的优点结合起来, 与IG CT 功率器件特点类似。目前,IEGT 器件稳定性高, 性能已达到6kV/2500A 的水平。92作者简介:谢邦立(1975- , 男, 硕士, 工程师,Email :xbl1239126. com电气传动2008年第38卷第10期谢邦立, 等:锁相环技术在三相可逆PWM 整流器中的应用研究3整流器主回路TMDrive 2P70整流器属于可逆三相PWM整流器, 此类整流器具有能量双向流动、恒定直流电压控制、低谐波输入电流及无功补偿、功率因数可调等优点。整流器和逆变器结构相同, 均由3个STAC K (IEGT 组件 组成, 分别对应

7、电源A ,B , C 三相; 每个STAC K 由4个IEGT 元件串联图2三相静止交流坐标系到同步旋转坐标矢量的转换关系Fig. 2A B C coordinate and dq coordinate conversion而成, 形成一个桥臂。图1为采用一套标准的TMDrive 270变频器主回路结构图, 图1中元器件结构对称, 可以互换, 便于维护 。假设三相电源输入电压矢量(V a , V b , V c 为V a V m sin ( t V b V =V m sin (t -120 V m sin (t +120(1式中:Vm , 分别为三相输入电压幅值与同步旋转角频率。 :(+ 12

8、0(d V a( ( sin -120°sin +120°V b3V V (2三相平衡且=t ,V 0为零序分量, 将三相电源输入电压矢量(V a , V b , V c 表达式代入式(2 , 由数学三角函数运算易知:-120° +sin 2(+120° =3/2×sin 2+sin 2(sin (-120° +cos sin +cos (-120°图1IEGT 三电平TMDrive 2 F ig.1IEGT three 2TMDrive 1所示, 这种电路也称为中点钳位型N PC (neut ral point clamp

9、ed 电路。与两电平PWM 电路相比, 三电平PWM 调制波的主要优点:一是对于同样的基波与谐波要求而言, 开关频率低得多, 从而可以大幅度降低开关损耗; 二是每个主开关器件IEGT 关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半, 有利于整流器容量的大幅提高。电力电子技术的高速发展是PWM 高频整流器发展的关键。要使PWM 整流器工作时达到单位功率因数状态, 必须对电流进行控制, 保证其为正弦且与电压同相或反相, 同时将参考输入的无功电流设定为0。+120° sin (+120° =0cos (则可得:V d V =V (34无相位检测控制方法三相可逆PWM 整流器TMDrive

10、 2P70主回路结构图如图1所示。图1中, V a ,V b , V c 为三相输入电压。首先是将输入的三相电压V a , V b , V c 变换为与电网电压基波频率 同步旋转的旋转坐标系(d , q 中的变量, 同时将电网电压矢量V s 定向于q 轴。三相静止交流坐标系到同步旋转坐标矢量的转换关系如图2所示。图2中, q 轴与A 轴的夹角为, I s 为整流器控制电流。03很显然, 在复平面中电压矢量V s 可以表示为(4 V s =V m cos (t 当电网电源三相平衡, 且没有畸变, 则电网电压矢量定向于q 轴上, 理想情况下d 轴的电压分量V d =0; 这里旋转角频率=100(工

11、频 。但是实际的电网电压波形并不是标准正弦波, 而且存在一定程度的不平衡现象; 假设电网电压矢量偏移q 轴角度(很小 , 矢量关系如图3所示。电网电压矢量表达式为V a V m sin (t +(5 V b =V m sin (t +-120V V m sin (t +120 谢邦立, 等:锁相环技术在三相可逆PWM 整流器中的应用研究电气传动2008年第38卷 第10期进行闭环矢量变换, 从而始终将V D _FB K 控制在“0”附近。对于主电源的相位来说, 还得加上PLL 与主电源相位偏差P H A S E _S F T , 最终才能获得主电源的相位CN V _QO 。在这里, 锁相环PL

12、L 与传统的锁相环控制不太一样; 虽然从控制原理来说都是通过相位闭环控制使预测相位锁定目标相位, 但是这里PWM 整流器的锁相环是通过采用矢量转换的方法自动锁定电源相位和频率。用矢量坐标轴来予以说明。工频为50Hz , 载波周期为T s , 则=T s , 以角度建立同步旋转坐标系(d , q , 且电网电压矢量落在q 轴上。当电源发生畸变, =T s , =+; 电压矢量发生偏移, 偏移角为, 按照电压矢量定向原则, 建立新的同步旋转坐标轴(d , ; , 由q , d , 此时通过相锁, 原有(d , q 坐(=0 , 从而保证V d = 0。图5为锁相环下的坐标轴系。图3电网电压矢量在同

13、步旋转坐标中矢量关系Fig. 3Power voltage vector in dq coordinate conversion根据式(2 、式(5 进行数学运算, 同理可得:V d V m sin (6 =V V m cos 在这种情况下, 电网电源d 轴电压分量V d 0, 即=t +。无相位检测控制方法就是利用通过与电网电源同步的电压矢量的d 轴电压分量V d 进行处理, 使其逼近0, 从而锁定电源相位, 达到准确检测电网相位的目的。5锁相环(PLL 控制原理正如前述, 衡的正弦波, 原因会有一变, 必须采用锁相环(PLL , 图4为TMDrive 2P70 整流器中锁相环(PLL 控制

14、原理框图。图5锁相环下的两坐标轴之间的关系Fig. 5Two coordinate conversion relation in PLL control图4锁相环(PLL 控制原理框图Fig. 4PLL control principle drawing锁相环实际控制中, V d 调节是一个动态的过程, 通过锁相环控制使所检测的相位紧紧跟随电网的相位, 从而实现通过无相位检测技术来检测电源相位。图4的工作原理为:理论上, 当测得的相位角CN V _QC 与PLL 电源相位一致时, 则PLL 电源经过矢量坐标转换而得到的直流分量V d =0; 如果电网存在干扰现象, 则V d 发生了一定程度的偏

15、移, 即V d 0。以电网电源频率50Hz 为目标频率, 将直流分量V d 滤波后的相位偏差值经过PI 调节器处理得到频率偏差, 频率偏差叠加在50Hz 工频上, 两者之和再经过积分环节得到相位角CN V _QC , 同时利用CN V _QC 对同步电源电压6整流器矢量控制三相可逆TMDrive 2P70整流器的矢量控制核心是通过PLL 计算出主电源的同步相位, 从而实现交流矢量进行直流分量的控制。矢量控制主要应用在I q , I d 电流的闭环控制, 最终得到固定脉冲模式PWM 的E U _R 5, E V _R 5, E W _R 5电压参考值, 实现IEGT 的准确开通和关断。图6为整流

16、器的矢量控制原理图。13 电气传动2008年第38卷第10期谢邦立, 等:锁相环技术在三相可逆PWM 整流器中的应用研究电压的恒定和动态响应要求, 电流闭环控制实现了整流器单位功率因数运行, 同时电流控制具有快速响应速度和较小的超调量, 大大地减少了电网侧谐波量。7结论三相可逆TMDrive 2P70整流器中采用PLL 实现对主电源相位的检测, 这种方法比较简单、适用, 准确性较高。PWM 整流器通过检测到的同步相位进行矢量控制, 使电网侧电流和电压同频且同相或反相, 实现整流器能量双向流动, 大大地降低了电网侧谐波量, 保证了整流器高功率因数运行。参考文献1Bimal K Bose . M

17、.北图6整流器的矢量控制原理框图Fig. 6Rectifier vector control principle drawingTMDrive 2P70整流器为固定开关频率型直接电流控制, 该控制系统为一双闭环控制系统, 即外环电压闭环控制和内环电流闭环控制; 具体控制原理为:给定的电压指令与反馈的直流侧电压U d 相减后送入PI 调节器, 其输出值经过运算得到有功电流指令(I q _R , 再与有功电流的反馈值(I q _F 相减, 经过PI 调节器后得到调制信号, 实现有功电流闭环控制。同时, 数控制, 将无效电流指令(I d _R , 电流的反馈值(I d _F , 。京:2, .,20

18、01,31(6 :27-29.收稿日期:2007209208修改稿日期:2008204215(上接第19页rad/s , 传统D TC 在0. 3s 达到了稳定, 达到稳定好的动、静态性能。参考文献1French C , Acarnley P. Direct T orque Control of PermanentMagnet DrivesJ.IEEE T rans. on IA , 1996, IA -32(5 :1080-1088.2Zhong L , Rahman M F , Hu W Y. Analysis of DirectTorque Control in Permanent Magnet Synchronous Motor DriversJ.IEEE Trans. on PE , 1997, 12(3 :528-536. 3田淳, 胡育文. 永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制时速度脉动范围为1. 2rad/s , 而双模糊D TC 在0. 2s 就达到稳定, 速度的脉动范围为0. 7rad/s ,转速的响应快0. 1s , 调节时间短, 系统的动态性能得到了改善, 控制精度也提高了。5结论针对传统直接转矩控制滞环比较器和PI 速度调节器存在