双三点式逆变器控制系统的实现原理及特性分析.pdf

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1、电气传动1 9 9 9年第 2期 I c；双三点式逆变器控制 系统的 实现原理及特性 分析 武 汉 化 I 学 院 程 汉 湘 弋 -c l 摘要：大功翠自 j 文 调速系统 中都要求具有 高动态和高品质的优良l q-性 DS C(Di r e c t S e】c o n t r o 1)控制拄 术在解决太功率的调蘧系境中具有特殊的敢能 车文从双三点式主回路的基车原理 出发，详细阐述 丁用 DS C控 制拄术的应用原理和宴现方法 并根据动志谭节的数 学模型绐出了仿真 曲线，从而说 了双三 式逆变电路 的 f 苷 妻 冀 收 九 逸 K 美 键 词-姗 调 亟 触 特 性 碍 艾 守 1 乙 。

2、l Th e Re a a m n a n d t h e cha r a c t e r|s t i c An a l y t j 0 n 1 f o r Do u b l e Thr e e po i n t I n v e r t e r Con t r o l S y s t e m Ch e n g Ha n x i a n g A b s t r a c t：I n h i g h p o we r a d j u s t a b l e s p e e d c o n t r o l s y s t e m，i t i s r e q u i r e d t h a t t h

3、e s y s t e m s h o u t d b e b l g h l y d y n a mi c，h i g h l y f u r c t ion a a n d h i g hl y q u a t i t y F o r t h i s a s p e c t t h e DS C(Di r e c t S e l f c on t r o 1)c o n t r o l t e c h n o l o g y i s 0 s p e c i a l e f f e c t Ho w t o u s e t h e DS C c on t r o l t e c h n o

4、l o g y a nd i t s r e al iz a t i o n me t h o d t o d ou b l e t h r e e p o i n t e e c m c i r c u i t i s i n d e t a i l d e s c r i b e d i n t h i z p a pe r Ho w t O g e t t h e i n t i me c o n t r ol s t r a t e g e a c c o r d i n g t 0 t h e d y n a mi c a d j u s t a b l e ma t h e ma

5、t is a l mo d e a n d t h e r e s u l t o f s imu l a t i o n is a l s o d e s c r i b e d Th e r e is a l s o o u t p u t b a mo n m a n a l y s i n g i n t his p a p e r Ke y w o r d s a d j u s t a b l e s p e e d c o n t r o l 0 f A C m 0 t。r d o u b l e t h r e e p o i n t c i r c u i t d y n a

6、 mi c c h a r a c t e r i s t i c 1 问题 的提 出 交流调速作为电气传动控制的研究领域，由 于大功 率半 导 体器 件的 功能 和 品种 的不断增 加，以及 集成 电路 和 功 率半 导 体器 件 的成 本 逐年 下 降，近十多年来大功率交流电气传动控制方面的 研究，得 到 了突飞猛 进地发展，特别是欧 洲电力机 车 的发展 已经 朝 着大 功率 的 方 向早在 1 0年前 就迈出了坚实的步伐口 从大功率逆变电路结构 的发 展 来 看，1 9 7 7年 就 出现 了三 点 式 的 电路 结 构 j。它 的特 点是，附 加延 时短，损 耗小，但 桥臂 直 通误

7、 触发 的危 险较大 l 9 8 0 年 又出现 了 Na b a e电 路结 构 ，这 种 电路结 构特 别适 合 于 大功 率 的变 频 调速 系统，相对 于 图 l a来讲，直 通误 触发 的危 险大大减少，可以承受高电压：为了减少功率元件 的数量 在 1 9 8 9 年，双两点式的电路结构 也应 运 而生，它要求 电机定 子线 圈 回路 中串接 三相 电 抗器 以阻 止 零磁 通在 电机 中通 过，和 图 l a的 电 路结构 相 似，该 电路 的直 通误 触发 的可 能 性也 很 大。图 1为这 三种 电路 的基本结 构形式 巨 藩 电动机 l c】圈 1 常用大功章谓速系坑主 回路

8、结构(a)Ho l r z 结构(b)N a b a e 结掏(c)艰两点式结构 在大功率 的电气传动控制中，特别是在具有 高 动态特 性 的大 功率 电气 传动 控制 中，如 在 电气 火车的电气传动控制过程 中，一般使用 N a b a e主 电路 结 构 就 目前 的 功 率 半 导 体 器 件 而 言+GT O 晶 闸管是 目前功 率最大 的开关元件，在大 功 率和高动态的控制系统都是采用这样种开关元 件 但 由于众所 周知 的原因 GT O 的关 断功 率大 1 5 j I fI )维普资讯 http:/ 电气传动1 9 9 9 年第 2 期 约 为 其 导通 功 率 的 2 0 ，

9、从 节 约 能 源 的 角 度 出 发，开关模 式不宜 选择灵 活的 P WM 调制方 式，而 是选择通 常的脉 冲触发方 式 以减少 开关损耗。考 虑到 交一 直 交变 频 调速 过 程 中，直 流 高 电压 的 要 求，并 保证 工作 的可靠性，实际 电路 采用图 2所示 的双 三点式结构。通过两级 整流 器，将 电阿变 压器 的双 副绕组 电压 可 以提 高 到 5 0 0 0 一 V 左右，而 且 允许功率开关元件的容量相应减小，这样可使功 率开关元件的支出费用大大降低。这样的研究工 作 目前 已得 到 了德 国国家科 学研 究会 的 支持，该 项研究成果相信在不久的将来会很快推向市场

10、。2 主 电路结构及工作原理 图 2 所示 的双三点式 交流调速 系统 主回路 电 路图甲，整流器和逆变器均采用 Na b a e结构。以 逆变器为例，图 中的每个 模块都 由 3十 图 1 b所组 成，分别与三相 异步 电机三相绕 组连接；逆 变器左 边 的 3个 开关位 置可分 别与直 流电路的正 负和 中 点 电位相 连，这样 可使 三相 电 机得 到阶梯 数 较多 的三相对称 电压。图中的三相 电感主要 用于阻 止 零序 磁通通 过三相 电机。整流器1 逆变器1 图 2双三 点 式 交 直一 谓 速 系坑 主 回路 培 陶幽 若 三相 电机 的某 绕组 连 到-E，一E 或 M 点 上

11、，则相 应 的控制 信号 可用“十”，“一”或“0”来 表示。如开关字为+0一，对逆变器 1来讲，A 相绕组接到直流侧的“+E”端，B相绕组连到中点“M”端，而 C相绕组则连到“一E”端。在任何时 刻，逆变器 1 有 3。一2 7种组 合方 式；对 应的，逆 变 器 2也有 2 7 种 组合方式。因此，两个 逆变器连 到 三相 电机的组合 方式共有 2 7 2 7=7 2 9种 除去 重 合输 出电 压开关 字后，实 际的有 效输 出 开关 字 的位置只有 6 1 个。若 以 ，B 坐标 系作 为分 析的基 础，则这 6 1 个开关字的位置如图 3所示。如逆变 器 1的某一开关字为+0一，而逆

12、变器 2的开 关字为 +(以下将简写为+O一 一 十+)，则用 n，p坐标表示的三相电机输入 电压的 瞬 时值可表示 为 0 1 7=寺 2 E a 一 音(一E d)+(2 E a)一西 6 去 _ 一(一 2 =a 此时 的输出 电压对 应于 图 3 所示 的 口 点，其幅值 为 5 3 E 。又如矢量 A 点的开关字为+一一 一+，用 n，坐标所表示的输 出电压 表达式 为。一号 (一 2 E d)+(一 2 E d)：E“，一 一 E 一【一 =。而 B 点开关字+一 _ 一 一 0 所对应的电 压分量 则分别 为。号(2 一 号 2 十(一 E )一 E 一 万 1(汁)一 若 按图

13、 3中粗实线 所示 的电压矢量顺 序输 出 开关字，就可 以得到如 图 4所示 电压输 出波形(频 率 为 5 0 H z)，其响应 的额谱也 在 右边 的两个子 图 中给 出；相 啦的基波 及谐 波幅值 如下表 所示 若在 图 3 双三点式逆变电路的电压输出矢量图 圈 4 l 宣出电压被形及相应摄 彗 杷交流异步电动机 维普资讯 http:/ 电气传动1 9 9 9年第 2 期 动 态 控制 中需 要调 节输 出 电压 的 幅值，其 控 制字 也 可按粗 实线 内的开关 字输 出。当然，这种 幅值调 节 方 式不 及 PWM 开关模 式 来得 方便 和灵 活，这 也 是大功 率调速 的一个显

14、著 特点。当然，随着 以后 功率 开关 器件 的发 展，也 可 能会 出现 开关 损 耗较 小 的元器 件，这 样 就可 以运 用灵 活 的 P WM 触 发 方式，从 而达到更 为优 越 的控 制性 能。从下表 的结 果可 以看 到，虽 然“和“s 的波形 略有 区别，但 它 们 的基波 电压幅值 基本相 同。由图 可看到，主要的 谐 波 为 2 4次谐 波，雨且，两种 分量 的谐 波 大小 也 差 不多。为 了消除谐波 的影响 图 2回路 中加 了一 个三相 电抗 L。表谐 波幅 值及所 占比例 占基波分量 占基波分量 喈被欢敷 。分量(V)“B 分量(V)的值(“，5)的值(，)5 6

15、8 0 7 5 6 8 1 9 1 00 3 8 5 1 1 2 1 3 4 2 1 4 8 3 76 3 7 8 1 8 1 5 l 8 0 1 3 1 7 8 8 2 1 6 1 5 5 2 3 2 4 7 4 2 4 6 1 4 3 5 4 3 3 2 5 2 2 6 1 2 2 7 9 3 9 8 3 基 于 D S C控 制 的电机模 型数 学 表 达式 所谓 DS C(d i r e c t s e l f c o n t r o 1)控 制 就 是 根 据 电机 的定 转子磁 通 和 电磁转 矩 的变 化特性，进 行 动态最佳 的实时控制。它是德 国波鸿鲁 尔大学 的 D e p

16、 e n b r o c k教 授在 1 9 8 8年正式提 出的n 。若 定 子量均 用 5 作为 下标，转 子量用 r 作 为下标，并 设 为转 子相 对 于定 子 的 电气 角速 度，转 子 的机 械 角速度 用 力表 示，极对 数为 P，则 根据 图 5的 r 等 效 电路 可得到相应 的 电气方程 为 一-0 9 一 n R o计警 一 十 L i 图 5 舂应电动机的等效电路匪 这 里+=。警一 ，兄+庙，根据 以上各 表达 式，可求 得 由磁 通 所表 示 的定 子 电流 为 一扣 一 j 一 每极 的 电磁 转矩 可 由总 磁通和 转 子磁通 的 n和 卢 分 量表示 为 M一

17、 兹I m )2 L ,(4 q o-r 日)由以上 的各方 程，就可 以用 D S C 的控制 方法进 行 控 制。4 控制 系统 的基本原理 根据文献 1 0 3 的基本控 制原理，可得 到图 6 所示 的控 制原理 图。所不 同的是，这 里的磁 通界 限 并 不是恒 定 不变的，而是 由定 子频率 系数，和 区 域位 置来决定。痞 墨 臣 6飘-Z 点式 电昂 的 DS C控 制 厚 理 圈 图 6中的各 符号定 义为，l ，一 一，一l 0 9 2 7 i 其 中 1，该值 作 为磁通 输 出的前 控参 数。此 外，系数 的值 取 决 于旋 转 的方 向，当 正 向旋转 时，一(1 一

18、y )，当反 向旋 转时，y d 一(1+)；嚏 和 分别表示定子合成磁通的给定值和实际采 样值。图 7 为在 空载情况 下的仿 真曲线。显然，各 电 气量 经过 一段时 间后均 趋于稳 定值。图 7 a中的 3 条 曲线分 别 表示 电磁 转矩，电机转 速 和磁通 角 f；图 7 b为转 子磁链 的幅值 和对应 的 和 分 量变化过 程；图 7 c 分别 为 a，b，c三相转 子磁链 的 相应 变化 过程。从 图形的 变化 过程来 看，双三 点式 逆变 电路控 制 的输 出波 形符 合物 理变 化规 律，再 根据 图 6的 控 制结 构，用 D S C的 控制 原 理+应 能得到大 功率变频

19、 词速 的高 动态特 性要求。】7 维普资讯 http:/ 电气传动1 9 9 9年第 2期 参考文献 l St e i me A E l e c t r i c Ra i l wa y Tr a c t i o n i n Eu r o pe I EEE I n d u s t r y Ap p l i c a t i o n s M a g a z i n e，Nov e mb e r De c e mb e r l 9 9 6 2 De p e n b r o c k M Di f e e t S e I f Co nt r o l(DS C)0 i n v e r t e r F e

20、d I n du c t i o n M a c h i n e I EEE tr a n s a c t i o ns o n P o El e c t r o n i c s Oc t o h e r l 9 8 8，3(4)3 Ho i t z J Se I b s t g e f u e h r t e We e h s e l r ic h t e r mi t t r e p p e n o e r mi g e r Au s g a n g s s p a n nu n g f u e r g r o s s e Le mt u n g e n u n d g o g e Fr

21、e q u e a*Si e me a s Fo r s c h u n g s un d EmwI c hl u g s b t r Ic h t B d 6 (1 9 7 7)Nr 3，S l 6 4一 l 7 l 4 Na b a e ATa k a ha s h i I Ak a gH A n 亡 w n e u t r a l p oi n t c l a mp e d PW M i n v e r t e r I EEE Co n 1 1 9 8 0 2(3)：7 6 l 7 6 6 5 Ta k a h a s h i I，Oh mo r i YHi g h P e r f o

22、r n e e Di r e c t To r q u e Co t r o】o f a R I n du c t io n M o t o r 1 EEE Tr a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y Ap p l i c a t i o n s M a r c h Ap r i l l 9 8 9，2 5(2)6 W u Xi a oq i a n g Dop pe Dr e i p u n k t W e c b s e l r ic h t e r s y s t e m z u r Sp e i s u ng v o n f n d u k t

23、 i o ns ma s c h i n e n s e h r 8 r o s s e r Le i s t u n g mJ r h oh e n An 0 r d g n Dr e h mo me n t gu e t e u nd d y n a mi k Fo r t s c h r 一 B e r V D 1 Re i h e 2 l Nr 22 3 Du e s s e i d o r f VDI r l a g l 9 9 7 图 7 空载时各 电气量的起琦过程 7 Ch e n g Ha n a n g V e r g l e i c h P u I s n e t z s

24、t r o mr i c h t e r n mk 1 r e n e r Aa g e n b l i c k s b l i n d【e i s t u n g s r e g e u n g u n d mi t u n 1 t r b髭 束 话 i a g e r【e r z h k s$p m r ig g e l g i B e t i c h t，EAEE，Ru h r Un i B o c h u r l l D c s c hl a n d，Oc r o b e r 1 9 9 7 经 过 以上 的理论 分析 和实 现原 理表 明，双 三 s c h H 吣I)。p p 】d

25、 ，p n k -s m卅 h N 点式 控制 电路 的结构 可 以方便 地 实现 控制，而 且 i c h t e r s t a t i d d y n a m i h。Bet i b一 所产 生的谐 波均 小于 4 5 ，无 次谐 波 的产生，解h a l t e n i n n e r e r Ber i c h t E A E E，R u h r U n i B o e h u m，D e u t s c h 一 决 了大 功率 触发 控 制 中低 次谐 波 的 控制 问题 如l a n d 1 9 9 8(2)采用 三倍 的触发 控 制方 式，谐 波将 会得 到进 一 步。D e

26、p r。M D e 嫩 S e c o n D c F “一 的抑 制，其效 果 比灵 活 的 P WM 触 发 控制 方 式 t 0 b g 9 83(4)并 不差，同时 能够 用 GT O 晶 闸管 来 实现 大 功 率 1 0 D i M i h a k _ S c h 1 1 D r e h m o m e z _ u n E i m 埘 的控制。因目前来讲，GT O元件是功率最大 的可D 髓 h h i h i s h o c h a u s z 州t z t D h f l d t i b s，控元 件，但 它不 适台 较 高 的开 关频 率，否 则，将 会 F o r t s c

27、 h r Bet-V D I R e i h e 8 N r 4 7 9 D u e s s e t d o H：V D I V e t 产 生裉 高 的功 率损 耗。根 据 电机 的数 学 模 型 和 。Ds c控 制 方式，从 仿 真结 果来 看，如选 择 适 当 的 控制参 数，完全可 以得到较 高的动态特性。西 雨 西丽 丽 七 七七 七七 七七 七七 七七 七七 七七 七七 七七 七 七七 七七 七七 七七 七七 七七 七七 七七 七 七七 七七 七七 七七 七七 (上接 第 1 4页)2 B u r a n y N S a f e C o n t r o l 0 f F o u r

28、 Qu a d r a a t S w i t c h e s I E E E 制 上海大学硕士论文 i 9 9 8 I AS i 9 8 9 1 1 9 0 11 9 4 3 Hu b e r L，B or 叫e r i c D S p a c e Ve c t o r M o d u l a t e d Th ee ph a s e t o Th r e e p ha s e Ma t r i x Co n v e r t e r wi t h I n p u t Po we r Fa c t o r Co r r e c t i o n I EEE Tr a n o n I nd Ap

29、p 1 鲫 5，31，(6)：1 2 3 4 1 2 4 6 4陆梅 慧 睬伯时，夏承光矩 阵式 变 变变 换器 电力 电子技 木，1 9 9 7 (1)1 0 5 i 0 8 庄心复 交一 交型矩阵式变换器的控制原理与 实验研 究 电 力 电子技术，i 9 9 4 (2)：1 6 6 黄 海 俊 基 于 8 0 C1 9 6 K C 单 片 机 的矩 阵 式 交 交 变 频 器 的 研 1 8 7 Ve n t u r i n【M Ai e s i na ATh e Ge n e r a】【z e d T a f o A Ne w Bi d i r e c t io n a【S i n u

30、s o i d a】W a v e f o r m Co nv e t e r wi t h C on t i n u o u s I y Ad j u s t a b l e I n p u t P o we r F a c t o r P r o c o P E S C Co n f e r e n c e Re c o r d l 9 8 0：2 42 2 5 2 8 W h e e l e r P，Gr a n t D Op t i mi s e d I n p ut F i l t e r De s i g n a n d Lo w l o s s S wi t c h i n g Te c h niq u e s f o r a Pr a c t ic a l M a t r i x C on v e r t e r I EE Pt o c Ei e c t r P o we r Ap p 1 9 9 7，1 4 4，f I)：5 3 6 C 砸孺百孺 _ 1 丽 丽 修 改 稿 日期：1 9 9 8 I 1 1 7 -rr L _ r 4 0 n 维普资讯 http:/