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双PWM变频器整流控制策略及系统实现的研究

李璐  
【摘要】:用不控整流桥作为整流环节的交—直—交变频调速系统存在着网侧输入电流谐波比较大、功率因数低以及不能四象限运行的缺点。为了克服上述缺点,常规的双PWM变频调速系统将上述不控整流环节换成了PWM整流器,这种对整流器和逆变器都用PWM技术独立驱动的双PWM变频调速系统,具有网侧输入电流波形接近正弦、单位功率因数、输出的电压及电流频率均可调、输出电流为正弦波、可以四象限运行、能量能够双向流动等优点。 但是,当异步电机突然加减速或者加减负载时,由于直流侧电容的响应比较慢,导致直流侧的电容电压产生比较大的波动。为了避免这种情况,可以加大直流侧电容的容量。但是大容量的直流电容体积庞大,且价格昂贵,使用寿命短,同时导致响应比较慢,影响了整个系统的动态性能。基于有功功率反馈的双PWM控制方法可以减小直流电压波动,同时减小直流电容的容量,提高系统的动态反应速度。 本文研究了基于有功功率反馈的双PWM变频器,PWM整流部分是本课题的研究重点。分析了三相电压型PWM整流器的主电路结构、工作原理以及不同坐标系下的数学模型,介绍了直接电流控制策略中的固定开关频率PWM电流控制,设计了电压外环、电流内环的双闭环控制系统。实验结果达到了预期的设计要求。 分析了在电网电压不平衡条件下三相电压型PWM整流器的数学模型、电网电压及电流正负序检测的方法以及两种不同的控制策略。在MATLAB下设计了不平衡条件下的三相电压型PWM整流器仿真模型,仿真结果表明:采用的正、负序检测方法,能够很好地分离电压及电流的正、负序分量;利用抑制交流侧负序电流的控制方法,能够使三相交流电流不含负序电流,达到基本对称的目的;利用抑制直流侧电压二次谐波的控制方法,能够使直流侧电压在达到给定值时不含二次谐波,保持稳定。 在PWM逆变部分,分析了异步电机的数学模型及坐标变换,重点阐述了转子磁场位置的计算方法,最后介绍了转子磁场定向矢量控制系统的构成,采用了转速外环、电流内环的双闭环调速系统。 本文重点分析了基于有功功率反馈的双PWM控制方法,该方法的基本原理是通过整流器和逆变器的功率平衡控制,将逆变器的有功功率直接反馈到整流器的电流环给定上。此外,研究中推导了整流器电流环给定值的计算公式。在MATLAB下搭建了常规的双PWM系统和基于有功功率反馈的PWM系统的仿真模型,仿真结果可以看出:与常规的方法相比,采用有功功率反馈的方法可以有效地减小直流侧电压的波动。 在实验系统中,整流器和逆变器的控制系统分分别以TMS320F2812 DSP和TMS320LF2407A DSP为核心,基于有功功率反馈的方法需要将TMS320LF2407A DSP计算出的有功功率反馈给TMS320F2812 DSP,本文采用两片DSP上自带的CAN模块进行功率传输。设计了通信系统的硬件电路及软件实现方法,实验数据的传输结果表明该方法是可行的。 进行了基于有功功率反馈的双PWM变频调速系统的软件设计与实验,通过对该方法和常规方法的实验结果进行对比,可以看出利用该方法在电机启动、停车、加减负载和加减速的动态过程中有效地抑制了直流侧电压的波动,提高了整个系统的抗扰性能,达到了预期的控制效果。


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