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        基于多驅(qū)動的變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制策略*

        2021-12-21 07:18:30胡小鋒
        關(guān)鍵詞:功率因數(shù)三相變頻

        胡小鋒

        (湖南交通工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

        多驅(qū)動變頻調(diào)速系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的交-直-交間接變頻調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.在實際工業(yè)應(yīng)用中,將不同功率等級的逆變單元接在同一個直流母線上.根據(jù)實際工況要求,選用盡可能大的功率等級整流單元,不僅可以節(jié)省投資,還可以降低能耗,最大化運用能源.所以多驅(qū)動的變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運用到了工業(yè)領(lǐng)域.但是,由于直流母線上的電容器組體積較大,使傳統(tǒng)多驅(qū)動變頻調(diào)速系統(tǒng)難以滿足要求集成度高、體積小的應(yīng)用場合.筆者提出了一種新型的多驅(qū)動的變頻調(diào)速系統(tǒng)的拓撲電路,并分析拓撲電路的換流策略和控制策略,最后通過Matlab仿真來證實了本拓撲電路的有效性和可靠性.

        1 拓撲電路

        傳統(tǒng)使用的多驅(qū)動變頻調(diào)速系統(tǒng),如圖1所示.

        圖1 傳統(tǒng)的多驅(qū)動變頻調(diào)速系統(tǒng)

        當(dāng)前最新的多驅(qū)動變頻調(diào)速系統(tǒng)的拓撲電路,包括整流和逆流兩部分,其中含有直流環(huán)節(jié),但是卻沒有儲能元件.逆變部分由多個傳統(tǒng)三相PWM逆變器組成,如圖2所示.整流部分由12開關(guān)組成,能量可以雙向流動,整個系統(tǒng)拓撲電路如圖3所示.

        圖2 三相PWM逆變電路

        圖3 新型多驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)的拓撲電路

        2 換流策略

        因為輸出側(cè)是使用的傳統(tǒng)三相DC/AC逆變器,逆變器里面的逆變部分換流問題可以通過使用插入死區(qū)時間未解決.輸入側(cè)開關(guān)采用零電流換流法[1],它的基本原理是:輸入側(cè)開關(guān)換流時,先使逆變部分工作在零矢量狀態(tài),直流電流idc為零,從而減少了開關(guān)損耗.以a相換b相為例,在斷開a相之前,先使各逆變單元工作零矢量v0或v7,idc=0,然后b相接通,從而實現(xiàn)安全換流,如圖4所示.

        圖4 12型開關(guān)整流電路的零電流換流

        3 控制原理

        本系統(tǒng)的控制原理包括單位輸入功率因數(shù)的PWM整流控制,其次還包括輸出電壓的空間矢量的逆變控制.為了簡化問題的分析,作如下假定:

        (1)輸入側(cè)無LC濾波器:

        Lf=0,Cf=0,usx=ux,Isx=Ix,X=a,b,c.

        (2)三相輸入電壓:

        (1)

        (3)負載1三相輸出電流:

        (2)

        (4)負載2三相輸出電流:

        (3)

        (5)負載3三相輸出電流:

        (4)

        (6)三個負載的功率因數(shù)角分別為φ1,φ2,φ3.

        方程組(1)~(4)中:wi是輸入電壓及電流的角頻率;w01,w02,w03分別是1,2,3路負載的輸出電壓及電流的角頻率;φ01,φ02,φ03分別是1,2,3路負載u相輸出電流的初相角;U1是輸入相電壓的最大幅值;I01,I02,I03分別是1,2,3路負載輸出相電流的最大幅值.

        3.1 PWM整流控制

        首先將三相輸入電壓分成六個區(qū)間,其中每個區(qū)間的三相電壓的極性都保持不變,在三相中,有一相電壓具有正相或負相的最大的幅值,如圖5所示.

        圖5 一個周期內(nèi)三相輸入電壓的六個區(qū)間

        然后將一個開關(guān)周期ts分為兩部分,其中兩部分的輸入側(cè)開關(guān)的組合是不同的.為了獲得最大輸出的電壓和減小開關(guān)的損耗,因此每個區(qū)間內(nèi)都固定一相輸入的電壓于直流正極p端或負極n端,如表1所示.

        表1 輸入相電壓的鉗位表

        下文以第3區(qū)間為例,論述單位輸入功率因數(shù)的PWM整流控制.因為b相固定直流的正極p端,在開關(guān)周期內(nèi)的直流電壓udc,分別為線電壓ubc和uba,可以計算出一個開關(guān)周期內(nèi)直流電壓的平均值,

        (5)

        dbc+dba=1.

        (6)

        其中dbc,dba分別為ubc和uba在一個開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通率.

        想獲得單位輸入功率的因數(shù),一定要保證其中基波的輸入電壓和輸入電流之間成比例關(guān)系:

        (7)

        由式(3)~(6)可求得

        (8)

        3.2 SVPWM逆變控制

        (9)

        同理可求得負載2和3的有效矢量和零矢量的作用時間,從而

        (10)

        (11)

        綜合式(9)~(11)可求得

        (12)

        由式(7),(12)可求得

        圖6以負載1為例說明了一個開關(guān)周期的PWM調(diào)制過程以及零電流換流的實現(xiàn)過程.為了使整流側(cè)安全換流,逆變側(cè)必須具有最小零矢量作用時間tmin,因此最大電壓傳輸比Mmax<0.866.

        圖6 負載1的PWM調(diào)制過程

        4 仿真結(jié)果

        通過MATLAB/SIMULINK對圖5拓撲電路做了如下仿真實驗.本仿真使用的變換器參數(shù)如下:

        輸入部分:UN= 380 V,fN=60 Hz,Lf=200 μH,Cf=30 μF,輸入電阻Rin= 0.2 Ω;

        輸出負載1為三相異步感應(yīng)電機簡單模型:PN=4 kW,UN=380 V,fN=50 Hz,R1=1.79 Ω,L1=7 mH,IN=6.9 A,nN=1 430 r/min,K1=0.8;

        輸出負載2:R2=100 Ω,L2=30 mH,fout2=40 Hz,K2=0.6;

        輸出負載3:R3=100 Ω,L3=50 mH,fout3=20 Hz,K3=0.4;

        調(diào)制頻率:8 kHz.

        仿真分為兩個階段:第一階段t≤0.9 s,電機在電動運行指令下運行,輸出功率為3 kW;第二階段t>0.9 s,電機在發(fā)電運行指令下運行,負載功率為3 kW.

        仿真結(jié)果如圖7所示.

        圖7 多驅(qū)動變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果

        仿真結(jié)果分析:

        (2)由于電機損耗,發(fā)電運行狀態(tài)時的電機定子電流小于電動運行狀態(tài)時的定子電流.

        (3)在電動運行時,a相輸入功率因數(shù)接近于1;在發(fā)電的運行過程中,a相的輸入功率因數(shù)接近于-1,但是由于有濾波電容的作用,所以使輸入電流的相位略超前于輸入的電壓.

        5 結(jié)論

        本文研究了一種多驅(qū)動變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制策略和換流策略,仿真實驗驗證了理論分析結(jié)果,可得到以下基本結(jié)論:

        (1)PWM整流控制和輸出電壓空間矢量的逆變控制可以應(yīng)用于多驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng).

        (2)零電流換流策略可以解決輸入側(cè)的換流問題.

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