（检测技术与自动化装置专业论文）基于tms320lf2407+dsp电力机车四象限整流的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着绿色能源的发展，p w m 四象限整流器技术已成为电力电子技术研究的热点和 亮点。由于可以实现电网无污染、功率因数可控以及电能的双向传输，p w m 四象限整 流器可以作为理想的用电设备或电网与其它电气设备的接口。 本论文侧重于三相电压型p w m 整流器及其控制系统的工程设计与实现，以提供一 种较为实用的控制器设计与选取方法。论文主要内容包括算法研究、控制器设计、装置 丌发、样机仿真。 本文首先讨论了三相电压型p w m 整流器的基本原理，然后在推导其数学模型的基 础上总结了目前采用的各种控制方法，并且指出了各自的特点，主要针对三相电压型 p w m 整流器的开关控制脉冲的控制算法进行了研究。文中分析了基于空间电压矢量调 制p w mf s v p w m ) 的控制方法，详细推导了其实时控制算法原理和计算过程，在矢量区 蚓判断上采用非坐标变换法进行判断，给出了在各个扇区中的矢量选择以及作用时间的 计算公式。这种改进方法对s v p w m 控制算法有一定程度的简化，从而使其更易于数字 化实现。 本文给出了三相电压型p w m 整流器主电路的器件参数，设计了三相电压型p w m 整流器双闭环控制系统的软件、硬件。采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( d s p ) 芯片作为控 制器，进行小功率样机的实现。 最后建立了m a t l a b s i m u l i n k 环境下的仿真模型，对上述控制算法进行了仿真，仿真 结果验证了控制算法的正确性和可行性。同时，这种控制算法亦能使整流系统的能量双 向流动，实现能量再生，且具有控制算法简单，直流电压利用率高的特点。 关键词：四象限整流器；三相电压型p w m 整流器；数字信号处理器( d s p ) ；双闭环控 制系统；空间电压矢量 大连理 火学硕士学位论文 r e s e a r c ho ff o u r q u a r d a n tr e c t i f i e rf o re l e c t r i cp o w e r l o c o m o t i v eb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eg r e e np o w e rt e c h n o l o g y ，p w mf o u r q u a r d a n tr e c t i f i e rh a s b e c o m eah i g h l i g h ti nt h ef i e l do fp o w e re l e c t r o n i c s d u et ot h em e r i t so fp o l l u t i o n f r e e a d j u s t a b l ep o w e rf a c t o ra n db i d i r e c t i o np o w e rt r a n s f e r ，t h ep w mf o u r q u a r d a n tr e c t i f i e rc a l l b ea l li d e a le l e c t r i ca p p l i a n c eo ra l i n k a g eb e t w e e ng r i d l i n ea n do t h e re l e c t r i cf a c i l i t i e s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh i g hp o w e r t h r e e p h a s ev o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ( v s r ) w i t he m p h a s i so nt h ec o n t r o lt e c h n i q u e t h e d i s s e r t a t i o n w o r k ，c o v e r i n g t h e m e t h o d o l o g ys t u d y ，c o n t r o l l e rd e s i g n ，p r o t o t y p e i m p l e m e n t a t i o na n de x p e r i m e n t ，i sp r e s e n t e da sf o l l o w i n g f i r s t l y ，。t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo ft h et h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ( v s r ) o nt h eb a s i so fd e r i v i n gt h er e c t i f i e r sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ec o n t r o lw a y sa r e s u m m a r i z e da n dt h e i rf e a t u r e sa r ep o i n t e do u t t h ep a p e rw o r k sa tt h ec o n t r o la l g o r i t h m s m o s t l y t h et h e o r ya n dt h ec o n t r o lw a yo ft h ev o l t a g es p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) a r e d e s c r i b e di nd e t a i l a d o p t i n gn o n - s t a n d a r dv e r t i c a lr e f e r e n c ef r a m et oj u d g et h ev e c t o rs e c t o r a n dc a l c u l a t et h ea c t i o nt i m e t h ew a y sm a k et h ec a l c u l a t el o a do ft h es v p w mr e d u c e da n d m o r ee a s i l yd i g i t a la p p l i e d i nt h ep a p e r ，t h ed e s i g n i n gm e t h o do f t h ep a r a m e t e ro f t h em a i nc i r c u i ti sa l s od e s c r i b e d t h ec o n t r o l l e r sh a r d w a r ew a sd e s i g n e da r o u n dt h et i st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( d s p ) p r o c e s s o ra n d c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ew a sa l s od e s i g n e d t oi n t e g r a t ew i t ht h eh a r d w a r et or e a l i z ea d u a l l o o pt h r e e p h a s ev s r c o n t r o ls y s t e m a tl a s t ，t h ew h o l es i m u l a t i o nm o d u l eo fc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tu pu n d e rt h ep o w e r m a t l a b s i m u l l n kp l a t f o r i l la n dt h ea b o v es e v e r a lw a y sa r eu s e di nt h es i m u l a t i o n m o d u l e t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o np r o v e st h a tc o n t r 0 1w a y sa r er i g h ta n df e a s i b l e a tt h e s a m et i m e ，f r o mt h ec o n c r e t ea n a l y s i s ，t h er e c t i f y i n gs y s t e ma p p l i e dt h es i m p l ea l g o r i t h mc a l l m a k et h ef e w e rb i d i r e c t i o n a lf l o w m o r e o v e r ，i t sc o n t r o la l g o r i t h mi se a s ya n dt h er a n g eo f d cu t i l i z i n ge f f i c i e n c yi sl a r g e k e yw o r d ：f o u r - q u a r d a n tr e c t i f i e r ；t h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ；d u a l - l o o pc o n t r o ls y s t e m ；v o l t a g es p a c e - v e c t o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： e 0 6 。i j 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 型拯 工逻 j 坐址年二朔2 五 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 在现代工业、交通、国防、生活等领域中，很多场合需要各种类型的变流装置将一 种频率、幅值、相位的电能变换为另一种频率、幅值、相位的电能，使得用电设备处于 理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获得最大的技术经济效益。当今， 经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比值，已经成为衡量 一个国家技术进步的主要标准之一。二十世纪末期，美国发电站生产的电能4 0 以上都 是经过变换和处理后才供负载使用的，预计到2 1 世纪二、三十年代，美国发电站生产 的全部电能都将经过变换和处理后供负载使用。 控制芯片的飞速发展和新的控制算法引入使得电力电子变流技术越来越受到全世 界的重视，它的应用已经深入到了电力、冶金、化工、通讯、铁路以及家电等领域。晶 闸管( s c r ) 在美国的问世标志了电力电子技术的开端，我国上世纪7 0 年代将其列为节 能技术在全国推广。晶闸管是一种只能控制导通而不能控制关断的半控型开关器件，其 在交流传动和变频电源领域中的应用受到了一定的限制。功率半导体开关器件性能不断 提高，从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，发展到如今性能各异且类型诸多的全 控型功率开关，如双极型晶体管( b j n 、门极关断晶闸管( g t o ) 、绝缘栅双极型晶体管 ( i g b t ) 、集成门极换向晶闸管( i g c t ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 以及场控制晶闸管 ( m 等。而2 0 世纪9 0 年代发展起来的智能型功率模块( i p m ) 则开创了功率半导体开关 器件的发展方向。功率半导体的进步促进了电力电子变流技术的迅速发展，如变频器、 逆变电源、高频开关电源等，这些变流装置在国民经济中得到广泛应用。但是，这些变 流器大部分都需要整流环节，以获得直流电压。常规的整流环节一般采用二极管不控整 流或晶闸管相控整流【j 1 。 二极管整流电路简单、经济可靠。因此上个世纪它的应用十分广泛，但是这种整流 器的广泛使用也带来了以下几个方面的问题【2 l ： + 二极管整流会使网侧电流波形严重畸变，造成功率因数较低，最高功率因数只可 能为o 8 左右pj 。大量无功功率的消耗会给电网带来额外的负担，不仅增加了输电线路 的损耗，而且严重地影响了供电质量。 ；对二极管整流器输入电流的频谱进行分析，发现输入电流中含有丰富的低次谐波 电流。 + 对于交流变频调速系统，山于二极管的单向导电性能，电机制动的再生能量无法 回馈给电阀 4 1o 为了装置的安全运行，这部分能量必须通过一定的途径消耗掉。在中小 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 电力机车四象限整流的研究 容量系统中，一般采用能耗制动方式同，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗 在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单，但是有如下缺点：浪费 能量，系统效率低；电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作：简单的能耗制动不 能及时抑制快速制动产生的泵升电压 6 1 ，限制了性能的提高。 在我国，一项调查显示：目前的大型企业中，几乎每家企业都有电网污染的现象。 目前解决电网污染的途径主要有两条：1 、对电网来说，采用在电力系统中加入补偿器 来补偿电网中的谐波，如有源滤波( a p f ：a c t i v e p o w e r f i l t e r ) ，静止无功补偿( s v c ：s t o i c v a rc o m p e n s a t o r ) 等；2 、设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。前 者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除了谐波源，是解决谐波问题的根本措施。把逆 变电路中的p w m 技术应用于有m o s f e t 、i g b t 等全控器件组成的整流电路，工作时 可以使网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，甚至能量可以双向流动，真正实现绿色 电能转换，因而备受关注。这种整流器称为p w m 整流器，又称为单位功率因数整流器。 本文采用p w m 四象限整流，则功率因数、能量回馈等指标都可以得到满足。 1 2 电力机车的历史与发展前景 自1 8 7 9 年世界上第一条电气化铁路建成以来的1 0 0 余年时间内，人们不断地作出 努力，试图制造出具有实用价值的交流传动电力机车。但是由于科学技术发展水平和物 质基础的制约，在相当长的时间内，人们的努力并没有取得预期的效果。随着电力电子 学和微电子技术的崛起和进步，半导体的出现和发展，使情况有了巨大的转机。6 0 年代 中期，己经有可能在全新的物质和技术基础上，把单线接触网送到机车上的能量，变换 为三相的适合牵引用的新能量方式。进入7 0 年代，因采用异步交流传动系统的d e 一2 5 0 0 内燃机在莱茵河畔试验的成功，交流传动在牵引领域重新焕发出前所未有的活力p l 。1 9 8 3 年底，历经三年的试验，世界上首批5 台e r l 2 0 型大功率干线交流传动电力机车，终于 赢得了原联邦铁路当局的认可。e r l 2 0 机车在系统设计、总体布置、参数选择与优化规 则、电路结构方面，以及在主要部件，如卧式牵引变压器、牵引交流器、牵引电动机、 空心轴万向节传动装置、辅助变流器等的设计和生产方面，进行了成功的尝试，并奠基 了当代交流传动机车设计和运行的基本模式，推动了铁路牵引的新一轮革命性的变化【8 j 。 对交流传动技术的发展起关键作用的半导体装置，这至少可追溯到1 9 4 8 年发现锗 晶体中的晶体管效应。次年完善了p n 理论，1 9 5 7 年发明了硅可控整流器( 后国际电工 委员会正式定名为普通晶闸管1 ，开始跨入了电力电子学时代。随后，在8 0 年代中期， 大功率门极可关断晶闸管在电力机车上装车使用。作为交流传动技术的核心变流器，就 是在这种局面下随着器件技术的进步而不断发展的。其实，旱在3 0 年代，人们就己提 大连理工大学硕士研究生学位论文 出了逆变器的基本电路。但是，使半导体交流器和交流传动从小功率到大功率、从实验 室到产品化的过程中，以下四种技术的出现是至关重要的：1 9 6 4 年的分谐波控制的逆变 器( 即现在的脉宽调制逆变器) 1 9 1 ，1 9 7 3 年提出的在载波整流理论的基础上研制的所谓四 象限脉冲整流器、1 9 7 1 年提出的磁场定向控制和1 9 8 5 年提出的直接转矩控制方法i l o l 。 7 0 年代初期，b b c 公司与h e n s c h e l 公司合作研制成功第一批采用脉宽调制逆变器 和异步电动机的d e - 2 5 0 0 交流传动内燃机车，紧接着前联邦德国铁路与b b c 公司以及 有关机车制造厂家相配合，又研制成功世界第一批e r l 2 0 型交流传动电力机车，不仅从 根本上消除了人们对铁路领域上不上交流传动技术所持有的怀疑和观望态度，而且使交 流传动系统的一切优越性都充分展现出来了i l i 】这两项创举，在世界铁路部门产生了极 为广泛而深刻的影响，促使人们重新认识三相交流传动电力机车的使用价值和经济效 益。优异的运行性能，它具有高起动力，大持续功率和宽恒功率区的优点1 1 2 l ： 显著的节能效果。由于成功地应用了四象限脉冲整流器，使得机车在1 4 额定功 率以上时的功率因数接近1 。测试表明，牵引相同吨位的列车，使用交流传动电力机车 时接触网的电流要比使用传统的电力机车时低2 0 左右。 解决了对信号和通信设备的干扰。现代交流传动电力机车，几乎全部采用脉冲整 流器作为输入端变流装置。这不仅改善了接触网的功率因数，而且也从根本上保证了流 过接触网的电流波形不会发生明显畸变，消除了信号和通信系统的干扰源。 减少磨耗，降低运营成本。省去了电刷和换向器，采用再生制动，减少了制动闸 瓦的消耗量，加之电动机轻，簧下重量大大减少，降低了轮缘和轨面磨耗。 良好的可靠性和维修性。由于减少磨耗件的种类和数量，以及广泛采用模块结构 和诊断装置，提高了无故障运行的公里数。而且也缩短了检修时间，减少了维修费用。 现在的高速和重载的交流传动电力机车基本上都采用四象限技术。法国的t g v ，德 国德i c e 、我国研制的“中华之星”等列车。大连机车车辆有限公司研制的s s j 3 型1 2 0 公里交流货运电力机车采用此技术，并已经通过试验考核。s s j 3 机车是我国自己拥有知 识产权的目前我国单机功率最大的货运电力机车。此车的技术已经达世界先进水平。 目前我国电力机车技术在飞速发展，随着我国铁路既有线路的改造和客运专线的建 造。我国自主开发的一些具有世界水平的大功率交流电力机车已奔驰在我国的铁路线 匕。 基于t m s 3 2 0 呦d s p 电力机车四象限整流的研究 1 3p w m 整流器概述 1 - 3 1p w m 整流器发展历程 p w m 整流对电网不产生谐波污染，因而是一种真正意义上的绿色环保屯力电子装 置。经过几十年的研究和发展，p w m 整流器技术已日趋成熟。p w m 整流器主电路已从 早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路 发展到多相组合及多电平拓扑电路；p w m 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关 调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级。 在中大功率场合特别是需要能量双向传递的场合中，p w m 整流电路具有非常广泛 的应用前景。i g b t 等新型电力半导体开关器件的出现和p w m 控制技术的发展，极大 地促进了p w m 整流电路的发展，并使之进入了实用化阶段，已经应用于有源滤波器、 超导储甜1 3 1 、交流传动0 4 1 、高压直流输电1 1 5 1 以及统一潮流控制等方面。在我国，p w m 整流电路的研究仍处于起步阶段，有关p w m 整流电路的研究主要以理论和实验研究为 主，虽然取得了一定进展，但是还不够完善旧。 1 3 2p w m 整流器待进一步研究的问题 2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流技术一直是学术界关注和研究的热点。随着基于 p w m 整流器拓扑结构及控制策略的拓展，相关的应用研究也发展起来。研究的问题主 要集中于以下几个方面i 1 _ 7 l ： + p w m 整流器的建模与分析； 电压型p w m 整流器的电流控制方法研究； 主电路拓扑结构研究； 系统控制策略研究； 电流型p w m 整流器研究。 1 3 3p w m 整流控制技术研究方向 控制技术是p w m 整流器发展的关键。近年来，有关p w m 整流器高频整流控制技 术的研究紧紧围绕以下几方面要求【1 8 】： 减少a c 侧输入电流畸变率，降低其对电网的负面效应。一般要求在整个负载波 动范围内，a c 侧输入电流的总谐波畸变率低于5 。 提高功率因数，减少整流的非线性，使之对电网而言相对于“纯阻性负载”。 提高系统的动态响应能力，减少系统的动态响应时间。 降低系统的开关损耗，提高整个装置的效率。 大连理工大学硕士研究生学位论文 减少直流侧纹波系数，缩小直流侧滤波器体积，减轻重量。 提高直流侧电压利用率，扩大调制波的控制范围。 1 4 本课题所做的主要工作 年代中期，国外学者在交流电机调速中提出了磁通轨迹控制的思想，进而发展产 生了电压空间矢量脉宽调制( s p a c e , - v c c t o rp u l s e , - w i d t hm o d u l a t i o n ，简写为s v p w u ) 的概 念【1 9 1 s v p w m 应用于整流控制系统，具有良好的动态性能，易于数字化实现，既能实 现高功率因数，又能使能量双向流动。其最突出的优势是直流利用率较之常规的s p w m 控制方法提高了约1 5 4 7 ，而且，不同的调制方法将使开关损耗得到不同程度的减小 正是由于s v p w m 控制的这些优点，使本课题的研究具有现实意义。 本课题在研究s v i w l v l 控制方法的基础上，针对传统控制算法的复杂性，提出一种 新的控制算法。为获得良好的动态性能，利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 进行系统实现。主 要完成了以下几方面的工作： ( 1 ) 概括介绍了课题背景与电力机车的现状及发展前景。 ( 2 ) 从p w m 控制原理入手，详细分析了单相、三相整流器的工作原理、拓扑结构， 确定了直接电流控制策略。 ( 3 ) 通过对三相p w m 整流器的几种主要控制方法的分析和比较，采用s v p w m 控制 方法。深入了解了空间矢量p w m 技术的基本原理，理论分析了这种控制算法的正确性 和可行性，采用1 m s 3 2 0 i 砣4 0 7 的汇编语言实现了空间矢量p w m 波形的输出。 ( 4 ) 以1 m s 3 2 0 u 陀4 0 7d s p 为核心，分别设计了软、硬件部分，硬件部分对p w m 整流器的主电路、控制电路、保护电路、辅助电路等各个环节进行设计；软件部分给出 了主程序、子程序、中断程序的流程图以及相关寄存器的设置和初始化代码；通过 1 m s 3 2 0 啦4 0 7 的汇编语言实现信号采样与信号处理，完成了对整流器的全数字实时控 制，构成全数字三相整流器控制系统，达到了四象限整流的研究目的。 ( 5 ) 利用m a t l a b 仿真软件中s i m u h n k 工具对控制系统进行仿真，验证了此方案 的可行性。 基于t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 7 d s p 电力机车四象限整流的研究 2 p w m 整流器原理、拓扑结构及控制策略 本章将结合p w m 整流器的原理，对其改善功率因数以及四象限运行机理进行深入 研究，并对p w m 整流器的各种拓扑结构进行比较分析。 2 1p w m 整流器原理 p w m 整流器己不是一般传统意义上的a c d c 交换器。由于电能的双向传输，当 p w m 整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当p w m 整流器向电网传 输能量时，其运行于有源逆变工作状态例所谓单位功率因数是指：当p w m 整流器运 行于整流状态时，网侧电压、电流同相( 正阻特性) ，当p w m 整流器运行于有源逆变状 态时，其网侧电压、电流反相( 负阻特性) 。忽略交流侧等值电阻，其在理想状态下运行 的电压矢量关系，如图2 1 所示 图2 1 中： e 研究表明，由于p w m 整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于 有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 1 1p w m 整流器四象限运行 描： 0l l 倒i ： = “ il 。 了 三丰d ，= 【= 丰“ 图2 2 单相p w m 整流嚣模型图 f i g 2 2m o d e lo fs i e g l ep h a s ep w m r e c t i f i e r 图2 2 所示为单相p w m 整流器模型电路。从图可以看出：p w m 整流器模型电路 由交流回路、功率开关桥路及逆交回路组成。其中交流回路包括交流电动势e 以及网侧 电感l 等；逆变回路回路包括逆变器及电机等；功率开关桥路可由电压型或电流型桥路 组成。 下面以单相p w m 整流器为例，简单介绍工作于整流、回馈状态的运行机制。 ( 1 ) 整流运行 在v 0 和i 0 时，有1 3 、d 4 和t 2 、d 1 分别组成了两个b o o s t 电路。当3 3 导通 时，电流流经d 4 ，电感l 储能，电容c 向负载释放能量；当t 2 导通时，电流流经d 1 ， 电感l 储能，电容c 向负载释放能量。当t 3 和砭同时关断时，电感l 和电源通过二 极管d 1 、d 4 向电容c 和负载提供能量。而在v 0 和i 0 和v 0 时，当t 3 或t 2 导通时，电感l 中的能量分别通过d 1 、3 2 或t 3 、d 4 向电源释放。当 1 r 3 和配同时导通时，直流侧向电感l 和电源提供能量。 当不计功率桥路损耗时。由交、直流侧功率平衡关系得f 2 l l ： 基于t m s 3 2 0 i _ k t a 0 7d s p 电力机车四象限整流的研究 i v = i k v ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中 p 、f 模型电路交流侧电压、电流： p 。、珏- 模型电路直流侧电压、电流。 由式( 2 1 ) 不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧。以下着重 从模型电路交流侧入手，分析p w m 整流器的运行状态和控制原理。 为简化分析，对于p w m 整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略p w m 谐波分量， 并且忽略交流侧电阻。稳态条件下，p w m 整流器交流侧矢量关系如图2 3 所示。 确c碗； d 娉d 奄c c ) 纯电容特性运行d ) 负阻特性运行 图2 3p w m 整流器交流侧稳态矢量关系 f i g 2 3s t e a d yv e c t o rr e l a t i o no fp w m r e c t i f i e ri na cs i d e 图2 3 中：e 交流电网电动势矢量 v 交流侧电压矢量 y 。交流侧电感电压矢量 i - 交流侧电流矢量 由图2 3 分析可知：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量v 即可 实现p w m 整流器的四象限运行。假设lli 不变，i v ：l - li ii 也固定不变，在这种情况 下，p w m 整流器交流电压矢量v 端点运动轨迹构成了一个以i y ：i 为半径的圆。当电压 矢量v 端点位于圆轨迹a 点时，电流矢量l 比电动势矢量e 滞后9 0 。，此时p w m 整流 器网侧呈现纯电感特性，如图2 3 ( a ) 所示；当电压矢量v 端点运动至圆轨迹b 点时，电 流矢量i 与电动势矢量e 平行且同向，此时，p w m 整流器网侧呈现正电阻特性，如图 2 。3 ( b ) 所示；当电压矢量v 端点运动至圆轨迹c 点时，电流矢量超前电势矢量e 9 0 0 ， 大连理工大学硕士研究生学位论文 此时，p w m 整流器网侧呈现纯电容特性，如图2 3 ( c ) 所示；当电压矢量v 端点运动至 圆轨迹d 点时，电流矢量l 与电动势矢量e 平行且反向，此时p w m 整流器网侧呈现负 阻特性，如图2 3 ( d ) 所示以上a b ，c ，d 四点是p w m 整流器四象限运行的四个特殊 工作状态点。进一步分析，可得p w m 整流器四象限运行规律如下阎： ( 1 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹a b 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。此时， p w m 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传输 至直流负载。值得注意的是，当p w m 整流器运行在b 点时，则实现单位功率因数整流 控制；而在a 点运行时，p w m 整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性 无功功率 ( 2 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹b c 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。此时， p w m 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过p w m 整流器由电网传输 至直流负载。当p w m 整流器运行至c 点时，此时，整流器将不从电网吸收有功功率， 而只从电网吸收容性无功功率。 ( 3 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹c d 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变状态 此时，p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传 输至电网。当p w m 整流器运行至d 点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。 ( 4 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹d a 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变状态。 此时，p w m 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从p w m 整流器直流侧传 输至电网。 显然，要实现p w m 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可 以通过控制p w m 整流器交流电压，间接控制其网侧电流：另一方面，也可通过网侧电 流的闭环控制，直接控制整流器的网侧电流。 2 1 2 三相电压型p w m 整流电路 三相电压型p w m 整流电路如下图所示，其中s 1 - $ 6 是全控型功率器件( g t r 、i g b t 、 m o s f e t 、g t o ) ，d 1 一d 6 为整流管，交流侧每相电路串接的电感l 起储存、传递能量 和平衡电压的作用，c 为滤波电容。 基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 7d s p 电力机车四象限整流的研究 辫 = 一 中件 图2 7 三相电压型p w m 整流电路原理图 f i g 2 7p r i n c i p l ec i r c u i tf o rt h r e e - p h a s ev o l t a g et y p ep w m r e c t i f i e r 为便于分析电路的工作情况，将函和a 合成一个可双向导通的等效开关死，当岛 导通或d ；导通时，认为n 接通，当蜀和d 。都关断时，认为n 断开。忽略换流过程， 三相p w m 整流器每相开关必须有一个开关接通，而且只有一个开关接通，因此定义开 关函数s f ，： ，1第i 相开关接到负载正端 s f ，= j( f - a ，b ，o l0第i 相开关接到负载负端 三相p w m 整流电路共有8 种工作模式，将s 一与各输入点对应起来，即；s f ，= 1 ( i = a ，b ，c ) 时，对应该相输入点被接到负载正端，s r = 0 ( i = a ，b ，c ) 时，对应该相输 入点被接到负载负端，按| s ! f 。、跖i 、跖。的顺序排列，工作模式与导通开关的关系如 表所示。 表z 1 工作模式与接通开关及相量的关系 t a b 2 1v e c t o rr e l a t i o no fw o r km o d ea n ds w i t c h 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 2 电压型p w m 整流器的拓扑结构 拓扑结构是进行理论分析的基础，下面介绍几种能量双向流动的电压型p w m 整流 器的拓扑结构。 2 2 1 单相半桥、全桥p w m 整流器拓扑 图2 8 ( a ) 、( b ) 分别是单相半桥和单相全桥电路拓扑结构两者交流侧的结构相同， 交流侧的电感主要用以滤除电流谐波单相半桥p w m 整流器如图2 8 ( a ) 所示，只有一 个桥臂用了功率开关管，另一个桥臂由两个电容串联组成，同时电容又作为直流侧储能 电容；单相全桥p w m 整流器如图2 8 ( b ) 所示，采用了4 个开关管的桥路结构p w m 整 流器主电路功率开关管必须反向并联一个续流二极管，使无功流通通过比较，半桥电 路具有较简单的主电路结构，且功率开关管数只有全桥电路的一半，成本较低，常用于 低成本、小功率场合倒。进一步研究表明，在相同的交流侧电路参数条件下，要使单相 半桥p w m 整流器以及全桥p w m 整流器获得同样的交流侧电流控制特性，半桥电路直 流电压应是全桥电路直流电压的两倍，因此功率开关管耐压要求提高。为使半桥电路的 电容中点电压电位不变，要求采取均压措施，可见单相半桥p w m 整流器的控制相对复 杂。 ：j 尚一愚一。 - ： 墨m | l 1 纠+ 饼 ( a ) 单相半桥( b ) 单相全桥 图2 8 单相p w m 整流器 f i g 2 8s i n g l ep h a s ep w m r e c t i f i e r 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 电力机车四象限整流的研究 2 2 2 三相半桥、全桥p w m 整流器拓扑 ( a ) 三相半桥 ( b ) 三相全桥 图2 9 三相p w m 整流器 f i g 2 9t h r e a ：- p h a s ep w m r e c t i f i e r 图2 9 ( a ) 为三相半桥p w m 整流器拓扑结构，其交流侧采用三相对称无中线连接方 式，采用了6 个功率开关管，这是最常用的三相p w m 整流器拓扑结构。三相半桥p w m 整流器较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡时，控制性能将恶化，甚至发生 故障。为克服这个不足，采用三相全桥p w m 整流器设计，其拓扑结构如图2 9 ( b ) 。其 特点是：公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥p w m 整流器，并通过变压器 连接至电网。因此，三相全桥p w m 整流器实际上是由三个独立的单相全桥p w m 整流 器组合而成的，当电网不平衡时，不会严重影响p w m 整流器控制性能，由于三相全桥 电路所需的功率开关管是三相半桥电路的两倍，三相全桥电路一般较少采用。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 2 3 三相三电平p w m 整流器拓扑 图2 1 0 三相三电平p w m 整流器 f i g 2 1 0t h r e e - p h a s et h r e e - l e v e lp w m r e c t i f i e r 上述的p w m 整流器结构都属于二电平结构。二电平结构的不足之处在于，当其应 用于高压场合时，需使用高反压的功率开关管或将多个功率开关管串联使用。此外，由 于p w m 整流器交流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含 量相对较大。三电平可以克服这些问题，它在提高耐压等级的同时，降低了交流谐波电 压、电流，从而改善了网侧电流波形。图2 1 0 为三相三电平p w m 整流器电路，所需的 功率开关元件比二电平时成倍增加，控制的复杂度增加，这是三电平的不足。为了更好 地适应高压大功率应用，并降低输出电压谐波，有人设计了多电平结构。 2 2 4 基于软开关调制的p w m 整流器拓扑 图2 1 1 为三相软开关p w m 整流器电路，桥式并联谐振网络由谐振电感，谐振 电容c ，功率开关v ，、v 8 ，以及续流二极管d ，、d 8 组成；v ，和d ，为直流侧开关，主 要作用是将直流侧与谐振网络和交流侧隔离。在一定条件下，l 、c ，产生谐振，并使c ， 两端产生零电压。此时，对三相桥功率开关管进行切换，便可实现软开关p w m 控制。 基于1 m s 3 2 0 u ；2 4 0 7 d s p 电力机车四象限整流的研究 f 畚叫(裔叫【筘 书 cl 一 所： 1 ” 工f 口= 一 c 一 j p 叫p 丑 饼一c 一 图2 1 1 三相软开关p w m 整流器 f i g 2 1 1t h r e e - p h a s es o f ts w i t c hp w m r e c t i f i e r 2 3 电压型p w m 整流器的控制策略 2 3 1 控制方法概述 整流器的控制目标：一是交流侧电流，二是直流侧电压。其中交流侧电流的控制是 整流器控制的关键所在。采用p w m 整流器的目的是为了使交流侧电流波形正弦化。其 次，对交流侧电流的有效控制的实质是对整流器能量流动的有效控制，也就控制了直流 侧电压。基于这个观点，可以将整流器的控制分成间接电流控制和直接电流控制两大类。 2 3 2 直接电流控制 通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接 控制而使其跟踪指令电流值，称为直接电流控制1 2 4 】。直接电流控制引入交流输入电流反 馈实行闭环控制，其电流指令运算电路比不引入交流输入电流反馈的间接电流控制简 单，因此获得了广泛的应用。直接电流控制中般都采用双闭环结构：直流电压外环和 电流内环。根据内环中不同的电流跟踪控制方法，可将直接电流控制分为多种类型，较 常见的如开关固定p w m 电流控制、滞环p w m 电流控制等。 2 4 本章小结 本章首先对p w m 整流器原理进行了介绍，其中详细分析了四象限运行机制和三相 p w m 整流电路，这是本课题研究的基础。然后简单介绍了各种电压型p w m 整流器的 拓扑结构，并在此基础上确定了本课题的控制策略一直接电流控制。 大连理工大学硕士研究生学位论文 3p w m 整流器的硬件设计与控制方法 3 1 主电路的设计 蕃：节脚。 = 匿 图3 1 主电路结构图 f i g 3 1c o n s t r u c t i o no f m a i nc i r c u i t 整流器主电路如图3 1 所示，三相输入电压通过进线电抗器输入到p w m 整流器中， 通过控制功率开关管的导通、关断使回馈电流的功率因数为1 ，从而实现功率的双向传 送，达到四象限整流目的。 在三相p w m 整流器设计中，主电路交流侧电感l 和直流侧电容c 的选择对整流器 各方面性能的影响都是至关重要的。本章将在下面详细介绍这两个参数的设计原理。 3 1 1 交流侧电感的设计 在三相p w m 整流器系统设计中，其交流侧电感的取值不仅影响到电流环的动、静 态响应，而且还制约着p w m 整流器的输出功率、功率因数以及直流电压【矧。其主要作 用： 隔离电网电动势与p w m 整流器交流侧电压。通过p w m 整流器交流侧电压( 或电 流) 的相位、幅值的p w m 控制可实现p w m 整流器的四象限运行。 + 滤波。滤除交流侧p w m 谐波电流，实现p w m 整流器交流侧正弦波电流控制。 使p w m 整流器具有b o o s t 变换的性能。 使p w m 整流器具有良好电流波形的同时，还可以向电网传输无功功率，甚至实 现交流侧纯电感、纯电容运行特性。 + 使p w m 整流器控制系统获得了一定的阻尼特性，有利于控制系统的稳定运行。 基于t m s 3 2 0 i f 2 4 0 7d s p 电力机车四象限整流的研究 忽略交流侧等值电阻，整流器的工作方程如下： l 譬= k 。h 。( 3 1 ) 4 式( 3 1 ) 中； k = 墨艚= 妄( s 。+ s 。+ s 。) i n - - - a ，b ，c h d 输出直流电压 以a 相为例，改写为增量方程： a f 。= 竿( h - k 。h 。) ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中：l 一开关周期 从前面的分析可知，无论电感l 的值选择是过大或过小均会对整流器的性能产生很 大的影响同样以a 相为例，电流在跟踪参考信号的过程中。电流波动量越。在每个 开关周期中均不能超过最大给定的波动值。考虑最坏