四象限变流器PWM双闭环控制系统的计算机仿真

四象限变流器 摘 要 :介绍了使用 法 ,阐述了 将部分仿真波形与实际试验波形进行了对比 ,表明仿真结果是可 信的。 关键词 :四象限变流器 ;脉宽调制 ;控制系统 ;计算机仿真 WM; 引言 自从 70年代产生四象限变流这种独特的交直变换拓扑结构以来 ,四象限变流器便作为交流传动电力机车交直交传动系统的电网侧变流器 ,扮演着重要角色。简言之 ,通过四象限变流器的控制 ,对电网侧 ,可以使电网电流波形接近于正弦 ,电网功率因数接近于 1,最大程度地提高电网的经济效益 ,减少电网对周围环境的电磁污染 ;对直流侧 ,在电网电压或负载发生变化 时 ,能够维持直流中间电压的稳定 ,给电机侧逆变器提供良好的工作条件。而且 ,四象限变流器可以实现牵引与再生工况间快速平滑地转换。 80 年代以来 ,随着计算机的飞速发展 ,计算机仿真技术 已逐步深入到科研、产品开发等各个领域。在电力电子领域 ,通过使用计算机仿真技术 ,设计者在设计阶段就能全面考察系统的动静态特性 ,选择合理的系统结构及参数 ,在最大程度上避免设计的盲目性 ,提高试验的一次成功率 ,缩短研制周期、节约研制成本。这种利用计算机仿真技术进行辅助设计的方法已成为电力电子研究领域的发展方向。本文介绍了使用并给出了仿真波形及相对照的部分实际试验波形。 2. 、自动控制、光电、电磁、机械、液压、热工等领域的计算机仿真软件。从结构上看 ,它主要由 3部 分 组 成 : 首先通过网络列表 (取系统的结构信息 ,然后通过直流分析 (到系统的静态工作点 ,在此基础上再对系统进行时域(频域 (围内的各种分析 ;当对系统完成分析计算后 ,便可用 并对波形进行各种分析运算。 (1)顶向下、层次化 (设计思想 ,增强了设计的科学性 ,提高了设计效率。 (2)它的模型库中包括了电力电子、机械、液压等领域的各种常用模型。同时 ,给用户提供了一个硬件级的建模语言用 可以方便地构造出自己的模型。 (3)计者可以从各个方面对系统进行考察。在 时域方面有直流分析 (瞬态分析 ( ;在频域方面有傅立叶分析 (频响分析 (畸变分析 (。 可用于应力分析(统计学方面的蒙特卡罗分析 ( 参数敏感性分析 (利用这种分析功能 ,设计者可以控制一个或几个参数在一定的范围内变化 ,观察它们对系统特性的影响 ,从而找出它们最合适的数值来。 (4)仅对数模混合系统仿真得心应手 ,而且可以对由电力电子、电磁、机械、液压等数个不同系统构成的一个混合系统进行仿真。这种强大的混合仿真能力其实是 3. 四象限变流器 四象限变流器 闭环控制系统的工作原理及各种参数的计算方法在文献 1和 2中已做了详尽论述 ,在此仅对四象限变流器 闭环控制原理做一简述。 四象限变 流器作为交直交传动系统中的电网侧变流器 ,其实质是交流电网与直流中间回路进行能量交换的中间介质。当负载增加时 ,它从电网吸取更多的能量供给直流侧 ;当负载减小时 ,它将直流侧多余的能量返送给电网 ;当由牵引转入再生时 ,它使直流侧由从电网吸收能量变为向电网输送能量 ,反之亦然。在对能量的这些控制过程中 ,四象限变流器通过 闭环控制算法来实现维持直流中间电压稳定 ,使电网功率因数接近于 1,电网电流波形接近于正弦等控制特性。 由四象限变流器的瞬时功率平衡公式 四象限变流器对能量的控制实际体现在对 控制上 ,对 功率因数的控制最终都是通过控制 在控制过程中只要保持矢量 UL 与 UN 的正交 ,就可保证电网的基波功率因数等于 1。四象限变流器 定值与反馈值之差作为电压调节器的输入 ,以 U 给定值与反馈值之差作为相位调节器的输入 ,2 个调节器的输出经 制对矢量 U 行控制 ,达到稳定 保证 U=0的目的 ,从而实现电压、相位双闭环控制。 真系统构成 整个仿真系统由主电路及控制电路构成。主电路根据图 1来构建。交流侧使用理想交 流电压源 ,因为进行的是系统级仿真 ,所以对 件做了合理简化 ,将其近似为理想开关。主电路中的电阻、电感、电容器、理想开关、交流电压源等均采用 四象限变流器 闭环控制系统的计算机仿真图 4 仿真系统结构图控制电路构建 ,包括滤波器、整形、相位检测、软启动控制器、相位调节器、电压调节器、 流中间电压动态过压限制器等模块。除滤波器采用 其余模块均使用 言自己建立。这个仿真系统充分利用了达到了将四象限变流器主电路与控 制电路结合起来进行仿真的目的 负载的急剧突变有可能使四象限变流器不能及时将直流侧能量返送给交流侧 ,从而使直流中间电压快速上升 ,造成过压 ,对系统产生严重损害。因此 ,应在直流侧加入一个保护环节 直流中间电压动态过压限制器。当直流中间电压快速上升 ,四象限变流器来不及将其调回给定值时 ,直流中间电压动态过压限制器工作 ,通过斩波限压的方式 ,将直流中间电压限制在保护值以下 ,协助四象限变流器将直流中间电压调回到给定值上。 真策略 主电路参数 :200V,给定值 600V,系统额定输出功率为 1200 在仿真过程中 ,用在直流侧投切电阻的方法来模拟负载的突变。负载分 3 次投入 ,每投入 1个电阻 ,系统输出功率升高 400 3个电阻投入后 ,系统输出功率升为 1200后 ,将 3 个电阻一起切除 ,与此同时 ,将一个串直流电压源、电阻和电感的支路投入 ,模拟由满功率牵引突然转为满功率再生的情况。通过这些操作 ,可以观察直流中间电压 衡量控制系统的动态调节性能。 真结果 当直流中间环节出现过压时 ,直流中间电压动态过压限制器将会进行限压 ,比较了有和没有直流中间电压动态过压限制器时直 流中间电压的波形。从中可以看出 ,通过限制器的动作 ,过电压的波峰被削掉了 ,直流中间电压被限制在保护值以下。 5. 结论 通过 证明了四象限变流器 可以满足大功率交流传动电力机车对四象限变流器控制的要求。通过对四象限变流器 也说明了 是电力电子设计者得力的 国家“九五”重点攻关课题“ 200 ,应充分利用计算机仿真这一先进的设计手 段 ,以提高设计质量。 参考文献 : 1邵公寅 ,李中浩 J1983,(3). 2陈鸿荫 ,张 黎 J. 铁道学报 ,1983,(9). 3996. 4李 军 ,桂武鸣 J 1997,(4). 5李 军 J 1996,(6). 1. 0s to to of to to to to be to to to to of to to to to a of to in to , an of to to in or in of go to to to to to to 0s, to to as to to is of of on a to to to to of of to to on to to to to WM to to on to to a on is to a 2. is a of s of it is is of in of of of up on to be to to a at on to a as (1)to of of (2)to in of of in to a to up of an (3)on to in a to s to .in to uos a of of an or a of of (4)to be a of by to on of is a in 3. to WM to to WM of to in , to WM to to do a to to to to to to to in to to in is in on of it to it of to be it to to to of to to a to to in to , a of is to in of of to to of of to iN d of is to to iN to In as as L is a of of be to WM to to d is of of of a of WM to 1 on d =0 of a to be by to to to on is a to so to it as to WM to to an a in to to to s to of to a to to to to on he of t to in in of in to a in in in of to to it to in to to a s in at as to to to in to to to 200 to be d 600 to 200 In in to to go up 00 to 200 be by at a to