电压源型SPWM逆变器_异步电机系统发电工作原理的研究

1、电机电器技术电机电器技术22003年第2期电压源型SPWM逆变器异步电机系统发电工作原理的研究PrincipleanalysisoftheelectricitygenerationofSPWMconverter-inductionmotorsystem辛凯,马志源(华中科技大学,武汉430074)摘要:分析了电压源型SPWM逆变器异步系统发电的基本工作原理以及当异步电机从电动进入到发电运行时逆变器从无源逆变状态转换到将电机的发出的能量转送到直流侧这种类似于整流的工作状态的根本原因。最后通过Matlab软件进行仿真验证了理论的正确性。关键词:逆变器;SPWM;异步发电机;电动汽车Abstract

2、:Thispaperanalyzestheprincipleoftheelectricityof-motorsystem,anddiscussesthereasonthatthewinverterisinmotormodewhileworksasrectifierwhenthe,thetheoryisverifiedbythesimulationresults.Keywords:inverter;SPWvehicle1前言,DC-AC逆变器技术的迅猛发展,使得逆变器电机系统用于混合动力电动汽车成为可能。笼型异步电机具有结构简单、坚固、价廉、维护方便和功率密度高等突出优点。异步电机作为可逆电机能

3、作发电运行。在采用电力电子装置与异步电机结合的系统中,需发电运行时则要求的逆变器必须能双向控制能量传递。目前电动控制技术已有比较成熟原理分析,本文主要讨论电压源型SPWM逆变器异步发电系统的工作原理。2异步发电机的基本工作原理异步电机作电动运行时转速n低于同步转速n1。如果去掉负载,采用一台原动机拖动异步电机,当电机转速升至大于同步转速时,转差率s为负,由异步电机的基本公式:U1=E1+P1Z1=-E1+P1(R1+jX1)E2=P2(+jX2)sP1=Pm+P1L=Pm+(-P2)E1=E2E1=-PmZm(1)电机发电运行控制技术作为混合动力电动汽车关键技术之一,应用十分广泛。例如混合动力

4、汽车发电机、电动机制动时的能量回馈以及新型的起动发电一体化电机(ISA/ISG)等,都涉及到发电的问题。因此发电机的稳态、动态性能和效率直接影响到电动汽车的总体性能。本文对电压源SPWM型逆变器异步电机的发电工作原理进行了分析,并深入探讨了逆变器在电机电动运行和发电运行时能量传输方向相反的根本原因,由此得出系统发电运行的基本控制策略。可得异步发电机的向量图如图1所式。需要注意的是此时磁场切割转子导体的方向与电动状态时相反,导体内的感应电动势和电流的有功分量也改变了方向,在定转子合并的向量图中转子向量应叠加转子的转速,所以转子电流I2旋转方向不变但相位反而应超前<m=(90°+2

5、)角度,其中2为空间矢量P2与-E1之间的相位差。由于s<0,电机的电磁功率Pem=2m1I2<0s(2)电机电器技术电机电器技术2003年第2期3臂的开关状态,控制施加到电机上的电压,交流电机驱动中常用的SPWM实现方法有规则采样法和空间矢量调制法。本文将采用线性调制规则采样法的电压源型SPWM逆变器。图1异步发电机向量其中m1为相数。电机进入发电运行状态。实际上但只有当|Pem|大于电机的铁耗、定子铜耗等损耗之和时,电机才能从真正发出电回馈电源,下面本文中所说的发电没有特殊说明都是指的这种情况。此时定子电压U1与电流I1的相位差<,有功功率1满足90°1<

6、180°1<0P1=m1U1I1cos1>P2=1。)(4)图2三相电压型PWM3(a)为双边,一个PWM周期采,PWM脉冲的上升沿和下降沿在采样点两侧。以一相为例,设三角载波的周期为(k),则由三Ts,采样时刻正弦调制波值为u(k)和u角形的相似性可得:()=uTs()=2UTs3电压源型逆变器异步电机系统发电原理传统的不带变频器的异步发电机有直接并联电网运行和在定子端并联电容器自励运行两种运行方式。而当异步电机用在电动汽车这种原动力和转速变化大,特别既要作电动又要作发电运行的场合时,就要求采用能量双向传输都可以控制的变频调速系统。现在电动汽车用的电机多采用电压源型PW

7、M逆变器供电,因此下文将重点分析电压源型逆变器异步电机系统发电的工作原理。电压源型逆变器的中间直流环节采用电容储能,电压不能反相,发电运行时直流电流方向与电动时相反,其主电路如图2所示。设Sa、Sb、Sc分别表示桥臂a、b、c的开关状态,例如Sa=1表示桥臂a上边的开关V1闭合下边的开关V4断开,Sa=0则相反,同一桥臂上下两个开关交替通断,处于互补工作状态,这样SPWM逆变器的开关状态共有8种:(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)。SPWM的控制就是通过改变逆变器三个桥(5)图3规则采样法双边不对称调制原理整理得Tk=-44UTk=+

8、44U(6)电机电器技术电机电器技术42003年第2期三相调制时,不妨设此时uA>uC>uB,如图3(b)所示,由式(6)可以得到各相PWM波上升沿和下降沿所在的时间TA(k)=TB(k)=TC(k)=()-44U()-44U()-44U(7)T7=T0=T4=()44U()()4U()()T5=4U(9)()+44U)、)分别表示开关状态(000)、其中T0(T0T7(T7由式(7)可得到逆变器各开关状态的作用时间:T0=-44UT4=()()4U(111)的作用时间,在这两种状态下直流侧电流Id=)表示开关状态(100)的作用时间,在这种状0;T4(T4态下直流侧电流id=iA

9、;T5(T5)表示开关状态(101)()()T5=4UT7=+44U(8)的作用时间,在这种状态下直流侧电流id=iA+iC=-iB。从图3(b)uA>uC>uB不变,(100)(101)()(,0457540,同理可得表1Idt3090°150°210°210°270°270°330°330°390°AuC>uBuA>uB>uCuB>uA>uCuB>uC>uAuC>uB>uAuC>uA>uB开关模式04575400467640

10、0267620023732001373100157510直流侧电流Id0iA(-iB)00(-iB)iA0iA(-iC)00(-iC)iA0iB(-iC)00(-iC)iB0iB(-iA)0(-iA)iB00iC(-iA)0(-iA)iC00iC(-iB)0(-iB)iC0以30°<t<90°区间为例进行分析,在这个区间里uA>uC>uB,开关模式为(000)(100)(101)(111)(101)(100)(000),IiAd沿着轨迹0(-iB)0变化,其波形如图4所0(-iB)iA示。由式(8)可以得到(tk,tk+0.5)区间(如图3(b)所示

11、)内状态(100)的保持时间)()()(10)T4=-4U4U当载波比很大时,可近似认为此时直流侧电流等于iA在采样点tk的瞬时值,即id1T5=()()()=4u4u(12)此时直流侧电流itk-120°-d2=-iB=-Imsin(1)由式(10)(13)可得:id1T4+id2T5=(13)1Icos8Um(14)可以看出id1TA+id2TC值与k无关,而(000)(111)状态时id=0,故一个三角波周期内id的平均值Id=2(id1T4+id2T5)/Ts=iA(tk)=Imsin(tk-1)(11)(tk,tk+0.5)区间内状态(101)保持时间1Icos4Um(30

12、°)(15)<t<90°电机电器技术电机电器技术2003年第2期5电流Id<0,直流侧功率为负,这时能量传递的方向发生了变化,电机进入发电状态,变换器将把电机侧的能量传送到直流侧。4电压源型逆变器异步电机系统发电控制策略的简介由上面对系统发电工作原理的分析可以看出逆变器在系统发电运行时的工作模式与电动运行是一致的,仍然工作在SPWM方式,只需要采用相应的发电控制策略使电机运行在发电状态,逆变器就能将电机发出能量传送到直流侧。按照主控量的不同,本文将发电控制策略分为三类:(1)他控式变频发电控制策略他控式变频发电控制策略把逆变器输出的频率f1作为主控量,控制

13、f1f使,U1作f1。图430°<t<90°区间直流侧电流波形由上述结论,在30°<t<90,0°<90°时,如图4(b)I;当时,4°(c)所示I<,如图4(d)所示Id<0。1其它5Id值,结果发现Id,(15)成立。当0°<时,如直流电流Id>0,电压源逆变器直1<90°流电压Ud不变,有功功率从直流侧传输到电机侧;当时,如直流电流Id=0,忽略电机的损耗,1=90°这时直流侧和电机之间没有有功功率的交换,逆变器从电源侧提供给电机运行所需的

14、无功功率,该无功功率由直流侧电容Cd提供;90°<1<180°时直流s作为主控s小于0。(3)矢量发电控制策略矢量发电控制策略将M、T坐标下的定子电流的两个分量im1和it1作为主控量,其中转矩电流分量it1在矢量发电控制策略中为负值,在空间上比励磁电流分量im1滞后90°。5仿真为了验证上述结论,采用了Matlab软件对图2系统建立了仿真模型(如图5所示),进行了仿真,结果仿真所得电机电动运行和发电运行时Id波形分(b)所示,与上文的分析结果相符。别如图6(a)、图5系统仿真模型框图电机电器技术电机电器技术62003年第2期无刷直流电动机无传感器控制

15、集成电路谭建成(广州电器科学研究院,广州市510300)近年,无刷直流电动机无传感器控制技术应用日渐增多,例如家用电器领域在变频空调器、变频冰箱中的无刷直流压缩机、无刷直流贯流风机的控制,计算机信息产业的硬盘驱动器、软盘驱动器、数字摄象机、CD、MD驱动器等。利用无传感器控制技术,无刷直流电动机内不必安放专门的转子位置传感器,从而有简化电动机结构、减少电动机尺寸、减少引线数目等优点,进而降低电动机成本。解决了霍尔元件在变频压缩机内因温度过高不能可靠工作的问题。为此,各国知名的半导体公司先后推出了许多无刷直流电动机无传感器控制集成电路们结合研究工作,收集了相关信息,品向读者介绍,1TB6520P

16、PWM型三相全波无传感器电动机控制器1.1概述TOSHIBA的TB6520P是一个PWM斩波型三相全波无传感器无刷直流电动机控制器。当连同TA8483CP使用的时候,可组成一个30V、1.5A以下完整的PWM型无传感器无刷直流电动机驱动器,控制驱动。1.特征MPWM驱动占空比由模拟输入控制(内置7位A/D转换器)(a)电动时id仿真波形(b)发电时id仿真波形图6电流id仿真波形6结论本文对电压源型SPWM逆变器异步发电系统的工作原理进行了分析,得出了当电机由电动状态转换为发电状态,逆变器的能量转送方向改变的根本原因是电机定子电压与电流相位差功率因素角1大小的改变,而与逆变器的工作模式没有直接的联系这一结论。系统逆变器由无源逆变转换到将电机的发出的能量转送到直流侧