（电工理论与新技术专业论文）能量回馈装置的数字化研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs o m ek e yt e c h n o l o g ys u c ha st h e o r yo fm o t o r c o n t r o l l i n g ，e l e c t r i cp o w e r a n de l e c t r o n i c d e v i c e ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i n g ，t h e a p p l i c a t i o n o fa cd r i v e s y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ew i d e l y t h em a t t e ro f i t s e n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i or e c e i v e sp e o p l e sm o r ec o n c e r n st o o t ou s et h ee n e r g y p r o d u c e db yb r a k i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n s a e n e r g y - f e e d b a c kb r a k i n ge q u i p m e n t t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dk e yt e c h n o l o g y , s u c ha st h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e e n e r g y f e e d b a c ke q u i p m e n ta n d s p v , 穗4t e c h n o l o g ye r e ，t os o l v et h es h o r t c o m i n go f t h o s eb r a k i n gm e t h o di nu s e ，s u c ha sc o m p l i c a t e dc i r c u i th a r d w a r e ，h e a wm a i n t a i n w o r k ，h i g hc o s t sl o wr a t eo fe n e r g yc a l l b a c k ，u s i n gt h er e a l t i m ep r o c e s s i n ga b i l i t y a n ds t r o n gf u n c t i o no fd s p c h i p ，t h i sp a p e rd e s i g n e d ae n e r g y * f e e d b a c kb r a k i n g e q u i p m e n t 。t h e c o r eo f t h i se q u i p m e n ti st m s 3 2 0 f 2 4 0 7d s p o f t h e 骶c o m p a n y a n d t h ep o w e r c o m p o n e n t i si g b t t h ec i r c u i to f h a r d w a r ei ss i m p l e ，m a i n l yi n c l u d em a i n c i r c u i t ，t h ec o n t r o lc i r c u i t ，c o n t r o lp a n e l ，e t c 。t h es o f t w a r er e a l i z e sv a r i o u sk i n d so f f u n c t i o n s ，i n c l u d i n gt h e b a s i cf u n c t i o no ft h e e n e r g y f e e d b a c kd e v i c e ，a s s i s t a n t f u n c t i o ns u c ha sp r o t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n i nt h ee n d ，e m u l a t o ra n de x p e r i m e n t i sm a d et op r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h eh a r d w a r ea n dt h es t a b i l i t yo f t h es o f t w a r e 。t h i s p a p e r a l s oa n a l y z et h ee f f e c to f d e a dt i m et ot h ee q u i p m e n t 一一 塑坚盔堂壅圭鲎垒鲨塞 ： 第一章绪论 1 1 交流传动系统酶制动技寒聪2 h 2 4 1 嘞1 莲罄大功率瓣鑫蘑繁特裂怒大功率霹关甄爨阕管款囊瑷秘徽瓿控锱技术等 的发展，2 0 世纪7 0 年代以后出现了交一宜一交传动系统：交流发电机或交流电 添一整浚器一遂交爨一交渡电麓撬，瑟交流传魂系绫。随羞电力瞧予技术穗数字 控制技术的发展，交流体动系统的应用曰益广泛，各种通用的和商性能的交流传 动控毒l 系统提继诞生。 交流传动系统的制动问题一随受到人们的关注，很多传统领域的应用要求交 流传葫系统够漆疆裁凌，麴生产车瘸豹转辕系绞、矿并提舞孝晁、电翳等。因两， 在交流传动系统的研究和实践中，聚焦于其关键技术之一制动技术，主要 窭现了翔下龟瓣羧毫裁麓、反接露l 动、麓耗囊、短接锱魂帮燕琶绩麓动等多 种电气制动方法。 1 1 1 电阻放电制动 电阻粼瑟静效果和利稚毫隧氆密翡稽关，翻魂亳阻篷躐小，龟钒懿蘑时酒交短， 但是相关的电压、电流擞的振荡幅值变大，考虑到开关元件最大电流的限制，并 菲裁紊壤隧越小越磐。受麓予开关元件瓣薅电溅这一嚣索，在选取电疆後时，必 颂按电机最高转速满载工况去考虑，在满足这个条件下，再去考虑制动时问，从 褥傈证熬令系统不被攒落。毫戮放毫割霸静缺点有： 1 ) 由机械能转换的这部分电能以热能的形式消耗撙，没有得到利用，没有 达到节栽的嚣豹； 2 ) 由于放电电阻的使用寿命有一定的限制，所以需要定期更换，系统的安 全往穗没有绦簿； 3 ) 发热后濑度升离，电阻不能长时间持续工作，有时候不能有效抑制过电 惩，丽且翎蘸转矩会发生跷变； 4 1 对于大樱量系统，电阻功率必须很大，导致体积大、散热困难，不能频 繁稍动。 溪 王大学硬学位论文 1 1 2 反接制动 爱接钱动是当滚动撬鲶予正藤旋转时，为了饺激动瓿磐史旋转，在甥壤电动槛 正转相序电源的同时接上反序电源，使电动机产生反转的转矩，从而使电动机的 委鑫转遮迅速下洚；在邀动夔静歪彝转速藏小至爨羝f 歪转已停繇反转蠢来开始 的时刻。及时切断反序电源，电幼机就停转了。在设计反接制动控制电路时，主 簧是羁鬟速菠继瓷器捡溺毫动穗蕊转速，在迄魂橇熬王国转逮躐小到一定蕴时， 利用速度继电器触点的动作及时切断反序电源，以防止电动机反转。反接制动的 姣点是赣动霹餐簧港耗壤源能量。 1 i 3 短接涮动 短接制动的原理是切断三相电源的同时，使三相定予绕组短路。切断电源后转 予豹镤赣转羲产= 鎏麓转辙场；转予懿旋转磁场健定子绕缀产生感疲毫瀛，该电流 又与转子的旋转磁场相互作用，阻止转予转动，使转子迅速停下。典型的短接制 韵电路蘩疆l 搿示。德是这耱短接麓动在实鼯瘦溺审，鬻蠢瑷浇断溶断器豹 现象，猩有的场合下根本不能使用。究其原因，主要是由相间短路引起。由图1 1 可知，当松开点动开关惹，撩簸器必电，箕鬻溺簸头蠲台，鬻开舷头断开， 主触头断开的一瞬间，动静触头间将有电弧产生，电弧的强弱与点动频数和负载 轻重等函素有关。在频繁点动器麓受载豹情况下，电弧裁强，且撩续时阁 亟较长。 通过分卡厅知，较强的电弧由于能持续一定时间，结果会造成已经断开的常开触头 瓣闷短潞，扶丽造成稻阕瓣淘瓣貉，浇断熔繇嚣。 图1 - - 1 短接制动 l 点动嚣哭“j 1 i t 一i 。 。 常c j j 触头 i 【 l，喾开魅头 3 一。一 【二：电容 一鬻并瓣头 图1 2 墩容翻动 浙江大学矮学位论文 为解决短接制动常烧熔断器的问题，可以在常闭触头之间串一电容来限制瞬 潮短路滚滚，辫l 一2 所示藏惑一耱琵段实蠲豹电容裁霸宅路。在选择瞧容参数 时，要注意电容的耐压值、电容的容抗戚容量。电容的耐压要考虑电源电压的擞 大篷，滚容懿容抗要考虑接惩嚣主魅头奄弧短路时，穗滴电流婺枣于电动辊酌起 动电流。经过实践验证，只要选用合适数值的电容，既可以解抉常烧熔断器的问 题，又可以後毫动穰稽歪l 穰好瓣麓动。 单从电机制动效果来看，短接制动的效果较好，制幼时间短。但是较大的制 动电流对系统不秘，毽诧稷少袋焉。 1 i 4 麓耗瀚动 三相异步电渤机的能耗制动，是将远行在电动机状态的异步电机的定子脱离 交漉毫源时，立帮在定予两穑绕组注入赢流藏磁窀。流静方法，馕定子产生静止磁 场。这样，当转予由于惯性仍按原来方向旋转时，其导体切割此磁场便产生感应 电瀛，藏感痤电流静方淘与毫撬正常运行时匏惑痤电流方淘相爱，藏产爱了与转 子惯性旋转方向相反的制动转矩。制动转矩与制动电流( 励磁电流) 成正比，即与 静壹磁场懿强弱、转予窜谈宅酸静大小霄关。鲞遁辊转速下降为零对，簇靠l 动转 矩也同时降为零，再将岚流电源切除，能够使生产机械实现准确停车。逡种制动 方法，实矮上蹙摆转子琢来赭存豹梳褫能，转交戚电能，又消耗在转子的话i 动上， 所以称为能耗制动。 躅1 3 熊耗隶动 滤江大学硕士学蝗论文 根据能耗制动时间控制的原则，有采用时间继电器控制和采用速度继电器控 制两弛形式。 图1 3 为按时间原则控制的能耗制动控制线路，其工作原理为： 按怒动按键s b 2 ，接魁器k m l 投入工作，绽电动秘正常运行，接触器k m 2 和时间继电器k t 断电。 嚣燮电动极箨止时，按下撵止按键s b l ，k m l 失魄，其圭魅点断开，电动 机脱离三相交流电源。 k m 2 和k t 提继 罨电，l ：m 2 主触点趣合，烬经过蘩流鼹得瓣壹流电压通过 电阻r 按至电机两相定予绕组上，使电动机制动。 当转子的镁瞧速度隧到接避零对，瓣阉继曦器k t 瓣豢阁皴点延时藤颤开， 使接触器k m 2 线圈和k t 线圈相继失电，切断能耗制动的直流电源，线路停止 工作。 按速度原则控制的能耗制动控制线路与按时间原则的控制线路基本相同，区 簇是在壤动极搴囊麴 枣毫瀵安装了速度继逛器k a ，著量翔速度继电器弱豢开艇点 取代时删继电器k t 延时断开的常闭触点。 1 , 1 s 电容储能制动 箕步毫动撬戆电鸯德能裁魏法是在逛动捉锱动时，联蠲馕戆元俘壤窖蕊姆 点，先把制动能量储存起来，而当电动机正常送行时，再释放出来，与电源一起 离赶动瓿 盐电。这秘方法线路麓革，不麓控刳电游，邃跫爱求电餐懿容量足够丈。 在电动汽车的能量管理系统中，要求能尽可能多地利用再生制动回馈的能 藿。逶常，采趱涵蓄电滚充电来吸收霉生铡动圈镄豹憨爨，英缺点是饕电洼难以 实现持续大功率充电且充放电循环次数有限，成本高。 超级毫容器楚一耱分于藿电涟移嚣邀毫容嚣之藏静簇能元謦，其毒魄静邀魄 容器高得多的容量和比蓠电池离得多的功率密度，适合用作短时间功率输出源， 它具有诸妻瑟毙功率( 单位矮量或事搴鬏竣出盼功率) 离、比萋( 擎位震量或俸积辕窭 的电量) 大、一次储能多等优点，因此能大大提离电动汽车的一次续驶熙程数并 能在汽车鑫动、燕速莘嚣聪缓时鸯效逮改簧奄凌汽车豹运行特性。爰羚，在毫动摹 i 二使用超级电容器后能蟛平滑动力电池的充放电电流，动力电池的使用寿命亦可 有较丈延长，麓至可延长1 5 话。 4 浙江大学硕士学位论文 1 1 6 能量回馈制动 以上几种制动方法的共同缺点是：制动产生的能量没有有效地加以利用，甚 至制动时仍然要消耗电源的能量。在能源日益紧缺的今天，节能问题越来越多地 受到人们的关注。本文针对这一现实的工程应用中的节能背景，特别是结合作者 参与的电动汽车关键技术开发研究课题的需要，在新技术组合的基础上，对交流 传动系统中的关键技术的一个方面能量回馈制动方法，进行了研究，设计 了相应的能量回馈制动装置，以达到电动汽车及其它传统领域中高效节能与有效 制动的目的。 众所周知，逆变器是把直流电转换为所要求的不同频率和电压的交流电的变 流装置，直流电经过逆变把能量供给负载使用时称为无源逆变；直流电经过逆变 向交流电源供电时称为有源逆变。能量回馈制动将制动产生的能量由逆变器输 出，返回电网，因此属有源逆变。应当指出，通过控制逆变器的驱动信号，还可 以调节输出电压或电流的幅值和相位，这样，就有可能实现输出电压和电源同步， 输出“纯净”、无污染的电能。 概括说来，能量回馈制动的优点有： 1 1 真正实现了变频调速系统的四象限运行； 2 1 制动产生的能量得到回收利用，系统的效率大大提高，与此同时，电网 品质不受影响； 3 1 系统发热量降低，安全性提高，维护工作量减少； 4 1 完善制动效果，适应快速制动和频繁制动的工程需求。 1 2 能量回馈制动技术的研究背景2 川5 2 5 7 2 阳 近年来，国内外对变频器的研究和应用取得了飞速的进步，尤其是通用变频 器在工业生产中得到了广泛的应用。通用变频器常采用交一直一交电压型结构。 在变频调速系统中，一般情况下，能量是由电网经整流器、滤波器、逆变器等传 输到电动机的。当变频器驱动异步电动机在制动或者下放势能性负载过程中，电 动机处于制动状态，电动机转予上的动能或负载的势能将转变为电能，此时，电 动机实际上已成为发电机。传动系统中的机械能通过电动机转换成电能，变频器 中续流二极管将这种能量回馈到变频器直流侧电容中，而一般整流器是由二极管 构成的桥式电路，能量无从返回电网，电荷将在滤波电容上积累，使直流侧电压 升高，产生泵升电压。特别是对快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，短时 浙江大学硕士学位论文 间内有很大的能量回馈，导致电容上产生很高的泵升电压，若不及时释放这部分 能量，则势必会引起变频器过压保护动作或造成主回路大功率器件的过压损坏。 工程上对这种泵升能量的多种处理方法如前所述，基本上分为两类：( 1 ) 以热能 或其它形式消耗；( 2 ) 通过能量回馈电路的技术处理使之回馈到交流电网或其它 储能装置中。显然，前一类方法比较简单，但已如前所述，这类方法不仅浪费了 能源，有时也会产生某些副作用，这对整个系统的可靠性不利；后一类能量回馈 制动技术虽然结构较为复杂，但提高了能源的利用率，尤其是对频繁起、制动或 长期带势能性负载下放的系统，在有效制动的同时会产生显著的节电效果，将相 应的能量回送到电网中。 当前有些变频器已经有了能量回馈制动单元，但这些制动单元一般采用单片 机控制，如9 6 系列、5 1 系列单片机。这些单片机的性能不能满足实时信号处理 的需要，因此这些制动单元的功能较少，而且其大部分功能由硬件电路实现，造 成硬件电路复杂、维护工作量大、输出电能质量不够高等缺点。d s p 芯片( 数字 信号处理器) 的出现己将完善与解决这些工程问题提到议事日程之上，为应用于 能量回馈电路的新技术发展提供了广阔的前景。 d s p 芯片也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器，内部采用 程序和数据分丌的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特 殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 芯片一般具 有以下特点： 1 1 一个周期内可完成一次乘法和一次加法： 2 ) 程序和数据存储空间分开，指令和数据可同时访问： 3 ) 片内具有快速r a m ； 4 ) 可以并行执行多个操作； 5 1 支持流水线操作，取指令、译码、执行等可重叠执行； 6 1 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持： 7 1 快速的中断处理。 1 3 本文研究的目的、任务与内容 当前人类社会所面临的能源危机及环境问题，使得具有环保、节能优点的电 动汽车成为未来汽车发展的趋势。电动汽车所面临的最大难题就是车载能量有 限，使其续驶里程e e 内燃机动力汽车短得多。因此，有效的节能技术、高效率电 浙江大学硕士擎位论文 驱动技术及高性能蓄电池技术等对电动车来说就显得到掇关重要了。由于短期内 蘩电连靛麓不足翡难题滚以褥至麓涣，整藩宅渣鹃瑾论煞量密度院臻、漓的能量密 度低得多，电动车不可能像燃油车那样“挥霍”能源，丽应采取有力措施，充分 联露有寨车载麓曩以增热续驶墼程。汽车在运嚣中，特剩是在泰区运孑亍中，热减 速、刹车频繁重复，这时汽车动能无谓地转化为热量等而被废弃，当再次启动时 又登矮瀵耗大量戆量。爨诧，委淘耨技术发震静褥求，电动汽车麴电翻韵功缝一 一再生制动必然成为令人瞩目的研究课题。电动汽车的辩生制动是指：电动汽车 熬驱囊惫瓠隧发毫辊模式运季亍，瀵耗汽车动麓，罐供秘动力矩绩汽车裁动，阂时 发出的电能被回收、储存到车载储能装鬣中。显然，高技术性能指标的电制动， 不仅能掇窟汽车熬车巷l 麓缝麓，褥置轻够遂过圈浚亲l 动艉囊来节约车载毹源，增 加电动汽车的续驶里程。 j 磁井，又如较大能耗及其导致的漓液温升一赢是困扰液压电梯控制系统的主 要难题。由于目前大多数液压电梯既无配蘑设施又无能量回收装爨，液压电梯在 下降过程中将耗尽载重及轿厢自熏所形成的全部势能。这些势能全部转交为成热 量。其能耗不仅使液压电梯的经济性下降，更为有害的是使油波的温度上升。特 掰是在一些葩区的炎热甏季，频繁使用电梯将导致没有温度控制的机房中油箱内 油温上升到系统不得不强迫停机冷却的地步。另外油温的上井也将使电梯的某些 控制性能变差，影响电梯的舒适饿。显然，如果在电梯下降时采用能量回收方案， 将下降的势能转化成一定量的电越，并让其返回电网，则既可达到明显的节能效 粜，又可解决上述技术难题。 本文巷 对上述毅技术皮用领域中，良及传绕疲建领域中提窭黪糖量霞续戆电 制动技术的迫切需要，繁于新技术组合的设计思想，采用d s p 芯片的实时处理 熊力葶珏强大故铃设功能，在现有熊量星镰技术熬基磴上，设计了潋d s p 芯片为 核心的能擅回馈装置。该装置可以将回馈的能量转换为交流或直流，而且可以调 节羧出惫压豹幅度翻频率，| 丛使该装曩熊应曩于多秘不慰瓣工稳场合。本文磅究 工作的实践表明，和以前的能量阐馈装置相比，该装置的硬件电路大大简化，增 嬲了诲多功憩，褥虽牲更麦稳定。 本文研究课题的具体研究工作内容为： 1 分析了三褶s p w m 波的产生方法。本文以提高输出电压蕊量为强标，在 分析各张p w m 波产生方法的基础上，结合d s p 芯片的处理能力，采用 了其中最优的一种方法直梭面积等效法。 浙江大学硕士学位论文 2 分析了能鼙回馈装置的工作原理，描述了硬件结构和主要功能。 3 分析了电压滞环控制的实现方法，以及死区时间对输出电压的影响，编 制了实用的程序。 4 以t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 为核心，设计了能量基馕装置的硬件穗软件，并对各 部分进行调试。硬件部分包括圭电路、检测电路、控铡龟路、於设接疆 电路等；软件部分的核心是基予直接嚣织等效法s p w m 波粒实现。此夕 ， 针对实际需要还设计了保护、竣入竣出等辅助功越。 5 对采样法和直接谣积等效法两稀s p w m 方法进行仿真实验，通过仿真缩 栗阐羁直接面积等效法的优越性。 潺江大学硕士学应沧文 第二章能量回馈制动原理及其关键技术 能量回馕制动的主要霹鲍就是将电掇凌转熬枧械能转换为毫戆，并返回电鼹 鬣= 蓊电渔等睡蘸装甏，强巅予节裁，同时雀去了誊霜鳃泵舞保护电路，荠且要僚 诞输出电能的质量。慰然，对电网来说，强求输出一定频率和懈值的f 弦交流电 压，否则，会对电网造成污染；对蓄电池拜乏说，则要求输出直流电压，且其幅值 也滞满足要求。同时，还要注意保护组成能羼回馈电路的功拳开关器件。鉴于输 磁嶷滚豹情况只嚣在输爨藕加一个整流嚣，颡此，下葱主要讨论浚出为交滚的德 瀛。 一个完善的能量网馈装置应满足以下三方面的技术条件： 当直流母线电厩高于电网电压时开始回馈( 要考虑电网电压的波动) ： 回馈过程必须与电网同步； 霞馈电流必须鸯& 以限制。 2 。l 能量回馈装置的工作原理 能量回馈装置的结构如图3 1 所示，其主电路为三相逆变器，如图2 3 所 示。下面介绍主电路的工作原理。 图2 一l 为三楣全波熬渡电路。整浚嚣工 蕈时，同一时刻有鼹个功率管导邋， 鸯予矗流溃设置了电裙器，所懿直流避毫瓢为输入线电压懿最大蕊。壶于受载楚 邋变器，考虑到大电衽的影响，各区间内的导通相及输出相电舔、相电流波形如 图2 2 所示。例如，在t i 区间内，由于a 。b 问线电压最大，因而d 1 、d 6 导通， 戡流侧电压和a b 间线电压相等。 abc j【jkl d 1d 3d s a ，、y 、，、l 8 b ，、v n l b 一 c d c ，、，_ 、nl e 一一、 一 】kk d 4d 6d 2 xyz 图2 1 三相全波熬流电路 拿 浙江大学硕士学位论文 能量回馈装置工作时，图2 1 中的直流端电压u d 。由回馈能量产生的电压 u d 。代替，能量回馈电路如图2 3 所示，这里直流侧电压u d 。大于电源侧线电 压，这时六个功率管可以采用1 2 0 0 导通方式或者1 8 0 0 导通方式。 2 1 11 2 0 0 导通方式 此时，每个功率管持续导通1 2 0 0 ，且各功率管按图2 一l 中相应的整流管一 样的时序导通和截止，同一时刻只有两个功率管导通，上、下桥臂各一个，因此 直流侧电流和流入电网的电流一致。如在t l 区间内，u d 。电压值大于a b 间线电 压最大值，v l 和v 6 导通，电流由直流侧流回电源侧，如图2 4 示。应指出图 2 4 中相电流与图2 1 中相应的相电流方向相反，但电压相位一致，因而能量 回馈给电网。这个回馈电流的大小与电源侧的阻抗及电源电压与u d 。的差值大小 有关，回馈时电压电流波形如图2 5 所示 图2 2 三相全波整流回路工作特性 o 浙江大学硕士学位论文 图2 3 能量回馈电路图2 4 能量回馈电流方向 相电脏 回馈电压u d e 线电压 电抗器两端电压 相电流i a 相电流i b 相电流i c a 相b 相c 相 k q b 桀鼻篁“岛0 禹 j 僭 - ，、0 ，、4 ，、 ：；r - - j i ： i !i ；一 l 辫 ji i ： 卜厂f ： ：卜 图2 51 2 0 0 导通方式时回馈电压、电流波形 浙江大学硕士学位论文 a 相电 a 相1 5 相 c 目 b 相电流 a 相电流 c 相电流 图2 - - 61 8 0 0 导通方式时回馈电压、电流波形 2 1 21 8 0 0 导通方式 每个功率管持续导通1 8 0 0 ，同时刻有三个功率管导通，即上桥臂一个、下 桥臂两个；或者上桥臂两个、下桥臂一个。这时电网侧三相都有电流，其中一相 的电流是另外两相电流之和，电网侧三个电抗上的压降也不相等，能量回馈时的 电压、电流波形如图2 6 所示。 从图2 5 、2 6 中可以看出，1 2 0 0 导通方式下回馈电流接近方波，1 8 0 0 导 通方式下的回馈电流接近于阶梯波。因为阶梯波更接近于正弦波，对电网造成的 污染小，而且1 8 0 0 导通时三相同时有回馈电流，能量回馈效果比1 2 0 度导通方 式好，所以本文采用1 8 0 0 导通方式。必须指出1 8 0 0 导通方式的缺点是其控制方 法比1 2 0 0 导通方式来得复杂，本文利用d s p 芯片的强大功能，成功地以软件的 方法解决了这个问题。 在各个导通区间内，可使相应的开关管并不始终导通，即采用s p w m 技术， 可以使输出电压为s p w m 波，通过电感滤波使输出电流和正弦波非常接近，而 且能够控制回馈电流的大小。 浙江大学硕士学位论文 2 2 关键技术 2 2 1s p w m 波的生成方法3 2 6 1 3 3 1 3 4 1 3 6 1 脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制技术，通常简称为p w m 控制技术， 是利用半导体丌关器件的导通和截止两个状态，把直流电压变成电压脉冲列，并 通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的，或者控制电压脉冲的宽度和脉 冲列的周期以达到变压、变频目的的一种控制技术。 这种技术广泛应用于开关稳压电源、不间断电源( u p s ) 以及交流电机、步 进电机、直流电机等电气传动系统中。应指出，在交流调速系统中，变频的同时 必须变压，否则电动机不能正常工作。在交流传动系统中，既可以把变频和变压 的控制技术分成两部分来实现，也可以同时实现变频、变压的控制。 p w m 控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展过程，在这一进程中， 电力电子技术的发展，以及一些全控型快速半导体器件，如b j t 、i g b t 、g t o 等的出现，进一步推动了p w m 控制技术的发展。p w m 控制技术有许多种，基 于控制思想，可以将其分类为等脉宽p w m 法、正弦脉宽调n ( s p w m 法) ，磁链 追踪型p w m 法和电流跟踪型p w m 法，以及新近发展起来的空间矢量p w m 法 ( s v p w m 法) 等。 等脉宽p w m 法是p w m 法中最简单的一种，它的每一个脉冲宽度都相等， 改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲宽度可以调压，同时改变脉冲列的周期和 脉冲宽度则可以实现调频调压。这种方法的缺点是输出电压除基波外，还包括大 量的谐波分量，与正弦波相差很大，如果输出到电网将会对电网造成污染。 本文研究工作聚焦于s p w m 法，该方法是为了克服等脉宽p w m 的缺点而发 展形成的，它从电动机供电电源的角度出发，力求输出可调频、调压的三相对称 正弦波电压。s p w m 法的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦规律变化，因此， 有效地抑制了输出电压中的低次谐波分量，使电机工作在近乎正弦的交变电压 下，转矩脉动小，大大扩展了交流电机的调速范围。s p w m 法可由模拟电路和 数字电路等硬件电路来实现，也可由微型计算机( 或微处理器) n 0 硬件与软件相结 合的方法来实现。 用硬件电路实现s p w m 法，通常是用一个正弦波信号发生器产生可以调幅 调频的正弦波( 称为调制波) 信号，再用一个三角波信号发生器产生幅值不变的三 角波( 称为载波) 信号，将它们进行比较，由两者的交点来确定逆变器开关的转换 状态。这种方法电路复杂，精度较差，现已淘汰。 = = = i = 尊墼塑型型丛 利用微机或单片机的实时处理能力，出现了多种采样法，以生成s i i 忑i 如采样法、直接面积等效法等。 1 按照调制波数学模型的不同，采样法又可分为自然采样法、规则采样法 和不规则采样法。 1 ) 自然采样法 将基准正弦波和一个三角载波相比较，由两者的交点决定逆变器的开关状 态，如图2 7 所示，t t 为三角波周期，u t 为三角波的幅值，正弦波为u r s i n 缸 设载波比n = t i t t ，调制比m = u r u t ，可以计算出图中的脉冲宽度为： 铲扣争n 即s i n 吲】 上式为一个超越函数，其中t l 、t 2 不但与正弦波周期有关，还与调制比有关。求 解t 1 t 2 很复杂，要花费很多时间，不适合于实时控制。 图2 7 自然采样法 2 ) 规则采样法 规则采样法是从自然采样法演交而来的，它用经过采样的正弦波( 实际上是阶 梯波) 与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。由于等效阶梯波可在一个采样周期 内维持恒定，解决了交点的数学计算问题。根据采样点的选取不同，分为对称规 则采样法和不对称规则采样法。 对称规则采样法： 这种方法只在三角波的顶点或者底点处对正弦调制波采样形成等效阶梯波， 忑孟忑= = = = 粤砻掣型塑竺l 竺梯波再与三角波相交确定出脉冲宽度，如图2 8 所示。i 再写磊磊；磊 周期内位置对称，因此称为对称规则采样。 一 p 三正一a ”三t + a 式中，t s 为采样周期。根据三角形的特性可解出a ： 。= 三哪一m s i n q ) ，。= r m t m s i n 叫，) 式中，m 是调制比，即正弦波幅值u r 与三角波幅值u t 之比； 采样点t w 2 k t s ( k i 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，n i ) ； 载波比n 是正弦波周期与三角波周期之比。 脉冲宽度为 = ；列+ 吖s i n 圳 可见，在规则采样的情况下，只要知道采样点就能确定采样周期的脉冲宽度及时 汀 u 。s i n ( 0 ta 令、 - a 1 弋；夕 k 一_ - a 7 v l 卜t 4 一 i it t c 1 。o ：r 0 u r 干 ju 。s i n o tk 击= = j 。 ： j ： l l j 、 j a j 卜j 卅k ib ji j i ； ； ； ； y il ii r i - 一 t 。- +k n ht j 图2 8 对称规则采样法 图2 9 不对称规则采样法 浙江大学硕士学位论文 不对称规则采样法： 如果既在三角波的顶点又在三角波的底点对正弦波进行采样，这样形成的等 效阶梯波与三角波相交以确定脉冲宽度，所得到的脉冲宽度在一个载波周期内是 不对称的，故称为不对称规则采样。如图2 9 所示 不对称规则采样形成的阶梯波比对称规则采样形成的阶梯波更接近于正弦 波，脉宽调制的结果更接近于自然采样法，逆变器输出电压基波分量更大。当载 波比为3 或3 的倍数时，输出电压将不存在偶次谐波，其它高次谐波含量也很小， 故不对称规则采样法更常用。 由图可得： t f = t s 2 一a t o = t s 2 + a t f = t d 2 一b t o _ t s 2 + b 利用三角形特性解出a 、b ，从而： 7 1 0 = ( 1 一m s i nc o t l ) 7 1 “= ( 1 + m s i n c o t l ) 7 1 f f = ( 1 一ms i n o x 2 ) 丁 f 0 = ( 1 + m s i nc o t 2 ) f = 女t ( = 0 , 2 ，4 ，6 ，顶点采样) r 2 = t ( = 1 , 3 ，5 ，7 ，底点采样) 则脉宽为 t w = t o + “：l 1 + ! 姿( s i n 耐+ s i n 耐：) 】 不对称规则采样型三相s p w m 控制算法 三相逆变器要求输出的三相电压对称，因此要用三个相位互差1 3 周期的正 弦调制波与同一个三角载波比较来形成三相s p w m 波，这就要求载波比为3 的 倍数才可使三相采样点具有简单的关系。当载波比为n 时，每一采样周期对应 的角度为3 6 0 2 n = 1 8 0 n ，v 相落后于u 相1 2 0 度即落后2 n 3 个采样周期，w 相 超前于u 相1 2 0 度即超前2 n 3 个采样周期。 浙江大学硕士学位论文 2 直接面积等效法 在暴撵控制理论中有一令萋燹款结论：当、绔量相等嚣形状不冠瓣窄藏跨鼹在 其有损性的环节上辩，其效果基本相同。冲鬣即指窄脉冲晌面积。由面积等效原 理，把一正弦半波平均分为n 婷份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围 的面积部用一个与此面积相等或戏正比的等麓矩形脉冲代替，这样，由n 个等 堰蔼不等宽的矩影欺渖辑擒成豹波形就与芷弦半渡等效，这就是壹接西积等效法 的基本原理。 u ( t ) 0 u s o t 图2 一1 0 直接瑟积等效法 t t 如图2 1 0 所示。在图中的正弦波中取- 4 , i x 间 t ，t 十t ，算出该区间正弦 波和横轴包围的面积s l ，使n a n t ，t 十q 内的矩形脉冲有相等的面积s 2 ，设脉 挣宽度为t 。在稻德一定蕊凑撬下，藏律宽泼鄹随之确定。 s l = i ( s i n o ) d t = 竺 e o s o t c o s 0 9 ( t + f ) l s 2 = t u s 由m s l - s 2 可得： = 罴舾缓- - c o s , z ) t = 丽m u l c o s 删- - c o se d ( r ) i 。兰坠| c o s 塑- - c o s 至坠竖| 2 j 2 f - d 。lnn | 矩形脉冲可以在一个p w m 周期的不同位鼹。最简单的方法是放在一个p w m 周期的起始或末尾。但是这种方法的等效性较差；等效性凝好的方法是：使s l 霸s 2 豹嚣狡中心鬟金，嚣莰孛孙霹戳瑁数学方法诗算窭，设嚣积中心为x ， 浙江大学硕士学位论文 则有fs i n c o t = f s i n 耐 即 c o s o ) t c o s t t x = c o s o b c c o s c o ( t + ，1 因此，c 。s 麟：1 c 。s 叫+ c o s e o ( ，+ 纽) 】 计算x 要经过反余弦运算，运算较复杂。 本文把矩形脉冲的中心定在p w m 周期的几何中心，这种方法的等效性较好 计算也很简单，脉冲的起始时间t o n 和终止时间t o f f 分别为 = h 1 ( a t - t ) f f ：r + ；( f + r ) 根据实时性的不同，直接面积等效法的实现可采用如下的表格法、随时计算 法和实时计算法： 表格法：事先计算出s p w m 波的数据并存入r o m 中备用，运行中根据 指令顺序调出，控制逆变器功率器件的开关动作。这种方法需占用大量 内存，且储存的数据只对应固定的频率，没有实时处理能力；其优点是 占用c p u 时间少，精度高。 随时计算法：事先在r o m 中存储一个幅值为l 的基准正弦波，运行时 根据指令按不同载波比和调幅比，计算出一个周期的开关模式和该模式 的持续时间，写入第一个存储区域r a m l 中并输出。在r a m l 数据输出 期间，如指令发生变化，则按新的指令要求重新计算，并写入第二个存 储区域r a m 2 中，然后数据从r a m 2 中输出；如果指令再发生变化，则 将计算结果存入r a m l 中，如此循环使用两个存储区域。这种方法只需 较小的存储空间，可以处理不同的频率，但是也没有实时处理能力。 实时计算法：根据s p w m 调制的数学模型，实时地计算出逆变器元件的 开关时刻。其优点是具有实时处理能力；缺点是必须一直占用c p u ，影 响了系统的其它功能，且计算较复杂，造成一定的延时误差。 按照一个周期内脉冲个数确定方法的不同，分为同步调制、异步调制和分段 同步调制。 同步调制。采用同步调制时，对于不同的调制波频率，一个周期内的脉 浙江大学硕士学位论文 冲数量固定不变，但是当调制波频率很低时，相邻脉冲的间距很大，造 成谐波增加。 异步调制。异步调制时，一个周期内的脉冲个数随调制波频率的增加而 减少，这样，低频时每个周期脉冲数增加，防止了低频时谐波较大的问 题，但是，载波比随时变化会引起输出电压波形、相位的变化，难以保 证输出电压三相及正负半周的对称性。 分段同步调制。分段同步调制是将同步调制和异步调制相结合，将整个 频率范围划分为几个频率段，对每个频率段内保持载波比不变，而在低 频时载波比增大。 鉴于本文重要研究背景之一在于实现应用于电动车的能量回馈装置的构造， 将能量返回电网或其它储能装置，所以回馈电压频率主要是5 0 赫兹或其它确定 的频率，从而为了提高回馈电压的质量，尽量减小对电网的污染，本文在s p w m 技术的研究路线与方法上定位在采用直接面积等效法，且以表格法和随时计算法 相结合，并采用异步调制。 2 2 2 功率调节策略 本文设计的能量回馈装置可以应用于多种不同的场合，这样，对应于不同的 能量回馈速度的要求，必须在装置中可以合理、有效地调节能量回馈的速度，即 调节回馈功率的大小。 回馈功率的大小取决于电网电压以及回馈电流的大小、相位，由于电网电压 的大小和相位是不可控的，因此只能控制回馈电流，而回馈电流又随直流端电压 以及功率管的通断时间变化，其中直流端电压也是不可控的，所以最终的回馈电 流就由功率管的导通和关断时间长短进行控制。 在功率管导通期间，大部分能量回馈到电网，小部分储存在电感中；在功率 管关断期间，出于储能元件电感的作用，电流不会立即变为零，而是逐渐减小， 储存在电感中的能量将继续回馈到电网。控制导通时间的长短可以控制回馈电流 的大小，也就可以控制平均回馈功率的大小，以达到调节回馈功率的目的。 当v 1 、v 6 、v 2 导通期间，电流通过功率管、电源形成回路。在忽略功率管 压降的理想化假设下，并进一步假设三相阻抗相等，为r 、l ：一个p w m 周期 内电网侧电源电压和直流端电压可以看作为常数。此时，等效回馈电路的示意图 如图2 1 1 所示，由图可得，回馈电流稳定值为 1 j = 去( 2 u d 一2 己， + 【，b + u c ) 1 9 浙江大学硕士学位论文 这一期间，电流从初始值i o 增加到稳定值 功率管关錾期耀，电渡麸l a 壤小到功率篱黧瑟导逶懿时刻，此絮翊电感秘当 于电流源，起到续流的作用。 个p w m 周期内的电流变化趋势如图2 1 2 所示，该电流波形随p w m 占 空比的不同甄不同。 r a l l 9 厂t ) r r 乙饼 l w l 亨。l b 一挑ir b “。“ 。l 厂 叩乙弋叫 图2 11 网馈电路等效示意图图2 一1 2 电流随时间变化示意图 2 0 浙江大学硕士学位论文 第三章能量回馈装置的硬件设计 3 1 能量回馈装置系统组成 本文设计的能量回馈装置的系统组成框图如图3 一l 所示。回馈装置与变频 器完全独立，可作为变频器的一个选件，直流侧并接于变频器的p n 端，交流侧 并接于变频器的电源输入端a 、b 、c ，装置具有独立的测量与保护回路，独立 控制。 3 1 1 主电路 主电路如图3 2 所示，是一个三相逆变器加上电感和电容，逆变器由六 个i g b t 组成。能量回馈装置的额定容量般与配备的变频器的容量一致， 所以其功率开关器件的额定电压和额定电流也与变频器中的功率开关器件 一致。因为此能量回馈装置与变频器的直流端是并接的，过压保护的设置也 一样。回馈时直流电压高于交流电源电压的最大值，因此，交流侧的电抗器 是必不可少的。过载能力也可以是1 1 0 连续，1 5 0 1 分钟，此外，还必须 2 堑坚壅望篓生茎壁鲨塞 带有各种常规的保护，如过热、过流保护等。 pv l 圈3 2 回馈主电路 3 。1 2 黼妻电路 遂燮嚣王馋对，为了获褥较大的能量疆馈，当溷馈线电流一定时，应当尽蹩 经输出电撬樱位接近于电网电蓝，邸尽量同步。 i 。巢耀1 2 妒导邋方式嚣枣 采用线电压同步的方法，采集备线电压俸为同步信号，撼墩得的同步信号经 遂楚疆嚣，逶过一定熬逻辫芙系确寇备个功率管静开关状态。捌热，a - b 间线避 篷较篓它线惫垂蓬为蕺大涎，v 、v 5 导逶，墓宅葫率管关鼗。各个舞关嚣辫导 遥静袋襻分裂翅下： v 1 ：u a b 0a n du c a 0a n du a b o a n d u b c 示，巍交浚器甍遮艨褥裂躲各辐穗邀簇德号在穗傻上要魄超瘟的电潮 线魏嚣怒靛3 0 。，懿不辘实蘧上述熬逻辑关蘩，溺簿考虑裂箍窝嚣疹蘧号豹撬予 犹貔力，鬻采敬滤波撼藏，为忿采蠲隧容滤波羲鼹把疑步莹麓a 势匙蓐移榍3 0 。 赣江大学碟士擎经谂文 棼 圈3 3 同步变藤器接线强 b 2 。添粥1 8 护导逶方式辩 各个劝牵管的开关状态幽相电压豹正负决您，激此，采_ 拜l 拥电骶作为同步信 号。这耱方法哭霉罴雾横邀纛整号莲嚣暹骧楚瀵，不篱要嚣步交藤器彝移稳 = 毽黪， 魄采霜线魄篷俸为霹拳僚号戆方法麓攀。蚤个野荚嚣传导逮静条搏努亵如下： v 1 ：u a 0 v 4 ：u a ( 0 v 3 ：u b 0 v 6 ：u b o v 2 ： u c o 懒 挤 爨3 4 瓣步蕊号控潮鬻 p w 撼l p w 馘2 p w 赫3 p w 冉1 4 p w m s p w m 6 浙江大学硕士学位论文 同步信号 ：二= ：f 二f 二二罔： 1 i 一 二 二 二 口一 t l 乜t 3t 4t 5t 6 图3 - - 51 8 0 0 导通方式时的驱动信号 由于三相交流电压相位互差1 2 0 。，知道其中一相的相位就可以知道另外两相 的相位，所咀为了简化同步电路，本文只用一相同步电路( 取a 相) ，即采用a 相电压信号作为同步信号。a 相电压处于正半周期时同步信号为1 ，处于负半周 期时同步信号为0 ，c p u 根据同步信号就可以确定三相的相位，进而确定六个功 率管的开关状态。同步信号由0 变为1 时，a 、b 、c 相相位分别为0 0 、2 4 0 0 、 1 2 0 0 ；同步信号由1 变为0 时，a 、b 、c 相相位分别为1 8 0 0 、6 0 0 、3 0 0 0 度。 同步电路如图3 4 所示，a 相电压信号经过整流，又经过运算放大器由正 弦波变成方波。通过微处理器对这个同步方波信号进行逻辑处理即获得了六个功 率开关管的驱动信号。这样简化了硬件电路，而且便于修改，提高了系统的性能 和可靠性。 同步信号和驱动信号的对比如图3 5 所示，其中q 1 q 6 分别是v 1 v 6 的 驱动信号。采用这种方法，三相逆变器在同步信号的过零点改变开关状态；每相 在正负半周交界的时刻也要改