三相PWM整流器空间矢量控制简化算法的研究

1、 第21卷第2期2002年4月电工电能新技术V ol. 21,N o. 2Apr. 2002三相PWM 整流器空间矢量控制简化算法的研究浦志勇, 黄立培, 吴学智(清华大学电机系, 北京100084摘要:常规的空间矢量控制方法需要进行复杂的正弦函数、反正切函数运算, 由低成本的单片机控坐制系统实现较为困难。本文提出了一种空间矢量的简化算法。该方法根据参考电压矢量在标系上的分量, 直接计算电压空间矢量在各个扇区内的作用时间, 简化了运算过程。并以Intel80C196MC 单片机为控制核心设计制作了一套三相PW M 整流器的实验装置。实验结果验证了本文所提出电压空间矢量控制简化算法的有效性。关键

2、词:PW M ; 整流器; 空间矢量调制中图分类号:T M461文献标识码:A 文章编号:100323076(2002 02200562051概述, 1,2数, 。为了保证电网和用电设备的安全经济运行, 目前许多工业国、国际电工组织都制定了相应的谐波标准, 如IEEE519, IEC55522等。我国于1993年由国家技术监督局发布了国家标准电能质量及公用电网谐(G 波B T 14549293 , 并于1994年3月1日起正式执行。为了解决电力电子装置的谐波污染问题, 可以装设谐波补偿装置, 或者设计新型的电力电子装置, 使其不产生谐波, 且功率因数为1。这种变流器被称为单位功率因数变换器(U

3、nity P ower Factor C on 2verter 。PW M 整流器就是可以实现高功率因数的新3,4型变换器。根据是否检测整流器的输入电流并将电流信号作为反馈量进行控制,PW M 整流器的控制策略可分56为直接电流控制和间接电流控制。三相电压空间矢量控制PW M 整流器, 属于直接电流控制, 其主要特点有:每个矢量切换区间都是以零矢量开始和结束; 每个区间虽有多次开关状况的切换, 但是每次切换只涉及一个开关器件等。然而, 要实现PW M 整流器的电压空间矢量控制, 常规方法中需要解决正弦函数、反正切函数查表收稿日期:2001208215, 所以一般使用( 。本文通过, 提出了空间

4、矢量的简化算法, 以一片Intel 80C196MC 单片机为核心实现了三相PW M 整流器的控制。72空间矢量控制的简化算法电压空间矢量控制的三相PW M 整流器如图1所示。由于输入电流i sk (k =a , b , c 和直流电压U dc 互相影响, 这给控制带来了困难, 同时也就产生了不同的控制方法。本文采用PI 调节器分别对直流电压和输入电流进行控制:直流电压PI 调节器输3出得到的三相参考电流幅值I m 与交流电压相位信号相乘后得到参考电流信号i sk , i sk 与实际电流i sk 比较得到电流误差; 对电流误差进行的PI 调节, 用以减缓电流在动态过程中的突变。在采用电压空间

5、矢量PW M 控制系统中, 定义如下空间矢量:1 电网电压空间矢量U S =U S =+jU s332(u sa +u sb +u sc (1 32(i sa +i sb +i sc 32 线电流空间矢量I S =i S +ji s =(2作者简介:浦志勇(19762 , 男, 江苏籍, 硕士, 主攻电力电子应用技术;黄立培(19472 , 男, 江苏籍, 教授, 博士, 主攻电力电子变流技术和电动机控制。 第2期浦志勇, 等:三相PW M 整流器空间矢量控制简化算法的研究57图1三相PW M 整流器的电压空间矢量控制Fig. 1S pace 2vector 2 control of thre

6、e 2phase rectifier3 参考电压空间矢量U R f =U R f +jU R f j232R (3, 并U R f T S =V 1T 1+V 2T 2(5T 0=T S -T 1-T 2图3中, U R f 、U R f 、为U R f 在, 轴上的坐标值。矢量U R f 与轴夹角为, 且tan =U R f U R f 。通常情况下, 由tan 确定U R f 在空间矢量图上的角度, 进而通过反正切、正弦函数求出矢量作用时间T 1、T 2。其中:=e设三相电网电压平衡, 且只考虑基波分量, 则空间矢量U S , I S , U R f 的关系如图2所示, 并有: U R f

7、 =U S -R S I S -L S I S T S其中T S 为采样周期。(4图2空间矢量的关系图Fig. 2Relationship of space vectors图3电压矢量空间分布图Fig. 3V oltage space vectors in a com plex plane211矢量作用时间的确定如图3所示, 三相PW M 整流器有6个有效空间电压矢量(V i , i =16 和两个零矢量(V 0, V 7 。参考电压空间矢量U R f , 由它所在的扇区中相邻的两本文根据参考电压矢量在, 轴上的坐标系上的分量, 直接计算空间矢量在各个扇区内的作用时间。由图3, 在扇区I 中,

8、 满足: 58V T 1+3dcV sin60° T 23dc电工电能新技术V cos60°T 23dc第21卷U R f T S =U R f T S =则扇区分别对应如下区域:R =S ab S bc S caR =S ab S bc S ca R =S ab S bc S ca R =S ab S bc S ca R =S ab S bc S ca R =S ab S bc S ca(6(9根据式(6 , 可计算出T 1和T 2。在其余各扇区内均有此类似关系。如果定义:T 1X =T S其中S ab 表示S ab =1, S bc 表示S bc =1, S ca 表示

9、S ca|U R f |(7=0, 第I 扇区对应所有S ab =1、S bc =1、S ca =0的区V 3dcT ST 2X =|U Rf |V sin60°3dc域; 其余类似。213开关矢量的确定根据一个开关周期中插入零矢量方式的不同, 常用的空间电压矢量有三段式和七段式合成方法, 七段式合成方法如图4所示, , 本文采用的(000 , (111 , 非零矢量的顺, 如表2所示。由于后三段矢量及其作用时间与前三段关于中间零矢量(111 对称, 为简化计, 表中没有列入后三段矢量。则合成参考电压矢量的空间矢量在各个扇区内的作用时间如表1所示。T 1和T 2在各个扇区的值具有规律

10、性:第扇区的矢量作用时间T 1、T 2和第扇区的T 1、T 2相同, 第和第、T 1、T 2分别和第T 21, 其余各扇区也均有此类似规律。该方法不必计算, 避免了正弦函数、反正切函数的查表问题。表1空间矢量在各扇区内的开关时间T ab. 1Duty cycles of space vectors in each sector扇区U R f T 1T 1X -T 2X 2T 2T 2X 1X +T 2X 任意0<0任意任意0<0任意-T 1X +T 2X T 1X +T 2X T 2X T 2X1X +T 2X T 1X -T 2X T 1X -T 2X T 1X +T 2X -T

11、 1X +T 2X T 1X +T 2X 图4第I 扇区内空间矢量作用时间图Fig. 4Duty cycles of space vectors in sector I1X +T 2X 2XT 1X -T 2X 表2各扇区内空间矢量及其开关时间表T ab. 2S pace vectors and duty cycles in each sector212扇区的确定在空间矢量控制中, 通常根据计算出的夹角来确定扇区。由于本文不计算, 所以采用了如下方法确定矢量所在扇区。S ab =sign (U R fa -U R fb 时间扇区T 0/4T 1/2T 2/2T 0/2零矢量(000 (000

12、(000 (000 (000 (000矢量1(100 (010 (010 (001 (001 (100矢量2(110 (110 (011 (011 (101 (101零矢量(111 (111 (111 (111 (111 (111定义S bc =sign (U R fb -U R fc S ca =sign (U R fc -U R fa 其中sign (x 函数定义如下:sign (x =10x 0x <0(8 第2期浦志勇, 等:三相PW M 整流器空间矢量控制简化算法的研究593实验验证本文采用Intel 80C196MC 作为系统控制的核心, 控制系统结构如图5所示。采样板分别对

13、输入电压、输入电流和直流电压进行检测, 保护板实现交流电流过流, 直流电压过压和散热器过热等保护。单片机与PC 机通过串口RS232通讯, 80C196MC 系列单片机特有的波形发生器WFG 发出6路PW M 脉冲, 通过驱动板实现对主电路IG BT 的控制。图中EXTI NT 为单片机外部中断信号。基于PI 调节的PW M 整流器空间矢量控制器的实验结果如图6所示。图6(a 中, 上部分为交流电压波形, 下部分为与该相对应的交流电流波形, 可以看到, 输入电流和电压基本同相位, 电流波形接近正弦, 所以功率因数近似为1; 图6(b 中, 上部分为直流电压波形, 可以看到, 直流电压基本维持恒

14、定。4结论本文针对常规方法中正弦函数、反正切函数查表的问题, 采用直接计算合成参考电压矢量的电压空间矢量在各个扇区内作用时间的方法, 简化了计算过程。并以Intel 80C196MC , 。实验结。图5Fig. 5 of PI 行了很好的控制, 实现了输入电流正弦的高功率因数整流。论文所提出的简化控制算法, 不仅可以用于PW M 整流, 亦可以用于PW M 逆变控制。参考文献:1董晓鹏, 王兆安. 降低PW M 整流器开关损耗的控制新方法J.电工电能新技术, 1998, 17(4 :124.2曾江, 倪以信, 陈寿孙, 等. 有源滤波器电流控制性方法J.电工电能新技术, 2000,19(4 :

15、27232.3S tankovic A V , Lipo T A. A generalized control method forinput 2output harm onic elimination for the PW M boost rectifier under simultaneous unbalanced input v oltages and input im 2pedances A.IEEE PESC 2001C.130921314. 4Matsuse K ouki , K ubota Hisao , Huang Lipei. Per formance ofPW M 2con

16、trolled thyristor rectifier operating at unity funda 2mental power factor in PW M current s ource G T O inverter sys 2tem for induction m otor drives J.IEEE T rans. on Industry Applications , 1994, 30(3 :6992706.5Marian P K azmierkowski , Luigi Malesani. Current controltechniques for three 2phase v

17、oltage 2s ource PW M converters :A survey J.IEEE T rans. on Industrial E lectronics , 1998, 48(5 :6912703.6Dix on Juan W , O oi Boon 2T eck. Indirect current control of aunity power factor sinus oidal current boost type three 2phase rectifier J.IEEE T rans. on Industrial E lectronics , 1988, 35(4 :5

18、082515.图6稳态时的实验结果Fig. 6S teady 2state experimental results7詹长江, 刘平, 康勇, 等. 基于空间矢量SPW M 控制的高频整流器J.电力电子技术. 1997, 31(2 :57259. 60电工电能新技术第21卷R esearch on simplified algorithm of the three 2phasePWM rectifier with space vector controlPU Zhi 2y ong , H UANGLi 2pei ,W U Xue 2zhi(Dept. of E lectrical Engine

19、ering , Tsinghua University , Beijing 100084, China Abstract :A sim plified alg orithm is proposed in this paper for space vector PW M rectifier. This alg orithm av oids the look 2up tables of sine and or arc 2tangent and com plex calculations needed in the conventional methods by directly calcu 2la

20、ting the duty cycles of space v oltage vectors tracking the reference v oltage vector in each sector in the space vector plane. Experimental results with an Intel 162bit microprocess or of 80C196MC validate the proposed alg orithm. K ey w ords :PW M ; rectifier ; space vector m odulation (S VM (上接第4

21、8页, cont. from p. 48除这个反冲窄脉冲。图3(a (b 分别是在相同负载条件下, 选择不同的缓冲吸收电容, 来的逆变器输出波形, 我们把冲击脉冲的波形分为三段。第一段从Q1变为截止, 即t =0时刻起; 到t =t 1, 即波形开始以正弦规律上升止。第二段是从t =t 1起, 到脉冲达到最大值为止的一段。第三段是脉冲从最大值开始下降为(7 、起点; 到降至零为止。根据图3和公式(1 、(8 , 我们可以得到以下几点结论:(1 增大缓冲吸收电容可以减小开关上附加的那部分电压V m 和输出波形中的反冲脉冲;(2 缓冲吸收电容越大则能量恢复的时间越长,常数均与C 有关;(3 , ,

22、 但负载的。从理论分析其原I o 也大。从前I o 的大小成正比。参考文献:1Daniel W Hart. Introduction to power electronics M.Pren 2tice 2Hall , 1997.2M Malengret. Design of sinewave inverter for alternative ener 2gy A .AFRIC ON 92Proceedings C .3rd AFRIC ON C on ference , Sept. 1992. 95298.3LI U Chaoying , Joe Zhu , V S Ramsden. A push 2pull v oltages ource inverter with loss less