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        直接功率控制的雙PWM變頻調(diào)速在泵站電機(jī)上的應(yīng)用

        2022-12-22 13:06:56

        李 瑾

        (南昌工程學(xué)院 電氣工程學(xué)院,江西 南昌 330099)

        近年來變頻調(diào)速技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要措施。由于采用二極管不控整流的電壓型交-直-交變頻器無法讓電能雙向傳遞,會使電機(jī)的再生能量在直流側(cè)濾波電容上產(chǎn)生的泵升電壓造成主電路中功率器件、濾波電容的過壓損壞[1]。而PWM技術(shù)具有能大大降低直流側(cè)泵升電壓以增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性,輸出諧波含量小,功率因數(shù)近于1,并可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率的雙向流動從而提高電能利用率等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)[2]。本文提出了一種整流側(cè)采用引入新型開關(guān)矢量表的DPC,機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng),對其網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,將該調(diào)速方案用于泵站電機(jī)不僅可減小網(wǎng)側(cè)電流的諧波,還能增強(qiáng)直流母線電壓的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的抗擾能力,從而顯著減小電容體積并降低成本。

        1 雙PWM變換器數(shù)學(xué)模型

        整流和逆變部分都引入PWM技術(shù)的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路見圖1,其變頻器再生能量可回饋電網(wǎng)并能方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行[3]。

        圖1 雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

        圖2是主電路中的PWM整流器,它在同步dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下:

        (1)

        式中:ed、eq—三相電網(wǎng)電動勢ea、eb、ec經(jīng)3s/2r坐標(biāo)變換后得到的d、q軸分量id、iq—三相電流ia、ib、ic經(jīng)3s/2r坐標(biāo)變換后得到的d、q軸分量。

        開關(guān)函數(shù)SK=1表示上橋臂開通,下橋臂關(guān)斷,SK=0則反之(K=d,q)。

        圖2 三相電壓型PWM整流器電路

        2 網(wǎng)側(cè)PWM整流器DPC控制系統(tǒng)

        2.1 DPC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        PWM整流器DPC控制系統(tǒng)如圖3所示,其控制部分為電壓外環(huán)功率內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),直流母線電壓給定值與實(shí)際值的差作為外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入,其輸出與直流側(cè)電壓給定值相乘作為有功功率給定值,無功功率給定值設(shè)為0以使功率因數(shù)為1。有功和無功功率的給定值與其實(shí)際值比較后作為滯環(huán)比較器的輸入,由滯環(huán)比較器的輸出和扇區(qū)判斷模塊輸出的θ值就可從開關(guān)矢量表中選擇合適的電壓矢量來控制功率開關(guān)器件。

        圖3 PWM整流器 DPC 控制系統(tǒng)

        2.2 滯環(huán)比較器

        滯環(huán)比較器采用bang-bang 控制,單級滯環(huán)比較器的輸出只有1和0兩個值,這里采用三電平有功功率滯環(huán)比較器,在-Hp

        (2)

        (3)

        2.3 開關(guān)矢量表

        DPC的核心是選擇開關(guān)矢量,傳統(tǒng)DPC忽略了平波電抗器電壓降可能使無功功率不可控,換相時(shí)刻不可控程度會更大[5]。本文采用表1所示的新型開關(guān)矢量表以縮小無功功率的不可控區(qū)并降低開關(guān)頻率[6],其中Sp、Sq分別是有功和無功功率滯環(huán)比較器的輸出,θ1~θ12對應(yīng)扇區(qū)1~12。

        3 機(jī)側(cè)PWM變流器的控制策略

        機(jī)側(cè)變流器采用將d軸定向于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譺方向上即轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制并引入SVPWM技術(shù)。將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型從三相靜止的abc坐標(biāo)系變換到按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系,可得ψr只與d軸分量id有關(guān)而與q軸分量iq無關(guān),電磁轉(zhuǎn)矩Tem則由iq決定而跟id無關(guān)。采用轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)框圖見圖4。

        圖4 矢量控制系統(tǒng)框圖

        表1 新型開關(guān)矢量表

        4 仿真實(shí)驗(yàn)

        4.1 網(wǎng)側(cè)PWM整流器仿真

        1)純電阻負(fù)載。采用新型開關(guān)矢量表的PWM整流器的Matlab仿真模型如圖5所示,圖中扇區(qū)判斷和三電平有功功率滯環(huán)比較器的子系統(tǒng)由編寫m函數(shù)實(shí)現(xiàn),開關(guān)矢量表子系統(tǒng)通過兩個二維表實(shí)現(xiàn)。仿真參數(shù)如下:電源線電壓380 V,網(wǎng)側(cè)電阻值R=10 Ω,電感值L=4.8 mH;母線電容C=4700 uF;電容初始電壓設(shè)為500 V,直流側(cè)電壓Vdc的給定值為600 V,滯環(huán)環(huán)寬Hp=±400 W。圖5中有功和無功功率計(jì)算的子系統(tǒng)如圖6所示。

        圖5 PWM整流器的Matlab仿真模型

        圖6 有功和無功功率計(jì)算的子系統(tǒng)

        負(fù)載電阻初始值設(shè)為30 Ω,于t=0.1 s由30 Ω突變?yōu)? Ω,圖7(a)是網(wǎng)側(cè)a相電壓和電流仿真波形。負(fù)載電阻初始值不變,在t=1 s由30 Ω突變?yōu)?0 Ω所得的直流側(cè)電壓波形見圖7(b),在t=0.6 s負(fù)載電阻由30 Ω突變?yōu)?5 Ω所得的有功、無功功率的波形分別如圖7(c)和(d)所示。

        (a)網(wǎng)側(cè)a相電壓和電流

        由圖7(a)可見網(wǎng)側(cè)電壓與電流是相位相同的正弦波,在t=0.1 s負(fù)載阻值突降時(shí),網(wǎng)側(cè)電流明顯增大,而且再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓與電流依然同相,可見網(wǎng)側(cè)電流隨負(fù)載的變化而變化且能實(shí)現(xiàn)整流狀態(tài)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

        圖7(b)中,t=0時(shí)直流母線電壓Vdc由初始值500 V開始上升,經(jīng)0.16 s達(dá)最大值710 V,約在t=0.6 s時(shí)達(dá)到給定值600 V,在t=1 s負(fù)載阻值突降后Vdc降至約550 V,經(jīng)短暫的動態(tài)調(diào)整后又回升到給定值600 V。

        從圖7(c)可看出在t=0.6 s突加負(fù)載之后有功功率值從原來的穩(wěn)態(tài)值約20 KW經(jīng)過約0.1 s的調(diào)整時(shí)間就達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值約40 KW,動態(tài)響應(yīng)較快。圖7(d)中在t=0.2 s之后無功功率為零,可見帶純電阻負(fù)載時(shí)PWM整流器處于整流狀態(tài),且功率因數(shù)等于1。

        2)反電勢負(fù)載。當(dāng)負(fù)載反電動勢EL=2000 V,負(fù)載電阻RL=40 Ω時(shí),得到的網(wǎng)側(cè)a相電壓和電流波形、直流側(cè)電壓波形與有功功率波形如圖8所示。圖8(a)中電壓與電流波形的正弦度高,RL上電壓為負(fù),跟整流狀態(tài)相比負(fù)載電流反向了也就是電壓電流相位相反,說明電能從負(fù)載側(cè)流向電網(wǎng)側(cè),整流器處于逆變狀態(tài)。圖8(b)中,直流側(cè)電壓Vdc從初始值500 V開始上升,于0.12 s達(dá)到最大值705 V,在t=0.6 s時(shí)穩(wěn)定在給定值600 V,紋波較小。圖8(c)中,逆變狀態(tài)時(shí)id為負(fù),有功功率P=udid經(jīng)過約0.1 s的調(diào)整時(shí)間達(dá)到負(fù)的穩(wěn)態(tài)值。

        (a)網(wǎng)側(cè)a相電壓和電流

        由圖8可得出結(jié)論:DPC下的雙PWM變流器可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動以提高電能利用率,并能實(shí)現(xiàn)逆變時(shí)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

        4.2 機(jī)側(cè)PWM變流器仿真

        圖9 機(jī)側(cè)PWM變流器的仿真模型

        圖10(a)中三相定子電流在約t=0.2 s達(dá)到穩(wěn)態(tài),在t=0.4 s給定角速度ω*突降后,定子電流增大,經(jīng)短暫的動態(tài)調(diào)整之后達(dá)到新的穩(wěn)態(tài),定子電流頻率降低,圖中定子電流在穩(wěn)態(tài)時(shí)都是三相對稱的光滑正弦波。由圖10(b)和圖10(c)兩圖可看出,異步電機(jī)起動后其角速度ω迅速上升,電磁轉(zhuǎn)矩Tem先快速增大,在t=0.04 s左右Tem達(dá)到最大值約13 N·m之后很快回落,約在t=0.06 s時(shí)ω達(dá)到給定初值80 rad/s,Tem回到零值。t=0.4 s時(shí)ω*突降后,Tem變?yōu)樨?fù)值使ω迅速減小,電機(jī)經(jīng)過短暫的制動狀態(tài)后Tem又為正,在約t=0.44 s時(shí)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài),ω降到新的角速度給定值40 rad/s,Tem重回到零值。

        (a)定子三相電流

        (b) 轉(zhuǎn)子角速度

        5 結(jié)語

        針對傳統(tǒng)的交-直-交變頻器中電能無法雙向傳遞、電機(jī)的再生能量在濾波電容上產(chǎn)生的過高的泵升電壓會給系統(tǒng)帶來危害的問題,本文提出了一種整流側(cè)采用引入新型開關(guān)矢量表的DPC控制,機(jī)側(cè)變流器采用引入SVPWM技術(shù)的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng),仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,該控制方案實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流諧波小、功率因數(shù)近于1、直流側(cè)電壓穩(wěn)定性高的控制目標(biāo),且減小了無功功率的波動,在電機(jī)突加負(fù)載時(shí)系統(tǒng)能迅速反應(yīng)而很快達(dá)到穩(wěn)態(tài),從而證明了將采用該控制策略的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)用于泵站電機(jī)的有效性和可行性。

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