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[導(dǎo)讀]摘要:在建立三相PWM整流器的非線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,針對(duì)傳統(tǒng)PI控制難以達(dá)到良好的控制效果的問題,采用電壓外環(huán)為滑模變結(jié)構(gòu)控制,電流內(nèi)環(huán)為前饋解耦控制的方法,并且以DSP為主控芯片搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī),為降低開關(guān)損

摘要:在建立三相PWM整流器的非線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,針對(duì)傳統(tǒng)PI控制難以達(dá)到良好的控制效果的問題,采用電壓外環(huán)為滑模變結(jié)構(gòu)控制,電流內(nèi)環(huán)為前饋解耦控制的方法,并且以DSP為主控芯片搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī),為降低開關(guān)損耗,采取五段式空間矢量調(diào)制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的可行性和優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞:整流器;滑模控制;前饋解耦;空間矢量調(diào)制

1 引言
    三相PWM整流器具有四象限運(yùn)行,功率因數(shù)高,輸入電流諧波含量小等優(yōu)點(diǎn),符合“綠色能源”的發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用前景。目前多采用雙環(huán)PI控制策略,但由于系統(tǒng)的非線性和強(qiáng)耦合性,很難達(dá)到良好的控制效果。滑模變結(jié)構(gòu)控制具有自適應(yīng)性,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,快穩(wěn)定范圍等優(yōu)點(diǎn),特別適合電力電子系統(tǒng)的開關(guān)控制。針對(duì)此,這里采用電壓外環(huán)滑??刂撇呗?,電流內(nèi)環(huán)采用傳統(tǒng)的前饋解耦策略,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種混合控制具有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)用前景良好。

2 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型
    三相電壓型PWM整流器的主拓?fù)淙鐖D1所示。ua,ub,uc為三相輸入交流電,L,R為輸入電感和電路等效內(nèi)阻,C為輸出側(cè)直流電容,RL為負(fù)載,定義開關(guān)函數(shù):
   
    可得到其狀態(tài)方程為:
   


    通過坐標(biāo)變換則可以得其d,q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型為:
   

3 滑模電壓控制
    滑??刂破仁瓜到y(tǒng)的狀態(tài)軌跡沿著設(shè)計(jì)好的滑模面運(yùn)動(dòng)到平衡點(diǎn),系統(tǒng)一旦進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài),在一定條件下對(duì)外界干擾及參數(shù)擾動(dòng)具有不變性,從而具有比魯棒性更加優(yōu)越的完全自適應(yīng)性,具有抗擾性強(qiáng),動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。選取狀態(tài)變量偏差ev=Uref-Udc,Uref為電壓給定量,則滑模面為:
   
    在三相平衡系統(tǒng)中,單位功率因數(shù)若要實(shí)現(xiàn),則穩(wěn)態(tài)時(shí),iq=uq=diq/dt=0,則Sq=-ωLid/Udc,在穩(wěn)態(tài)條件下id為直流量,可令Lid /dt=0,得Sd=-(ud-Rid)/Udc,等功率坐標(biāo)變換下,Ums為輸入交流電相電壓的有效值。又直流電壓給定為恒定值,則dUref/dt=0,將Sd,ud代入式(5)化簡得:
   

4 電流環(huán)前饋解耦控制
    由式(3)可知:
   
    可見,為了達(dá)到d,q軸解耦的目的,單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí),iqref=0。

5 五段式空間矢量調(diào)制方式
    對(duì)于理想的三相正弦電壓,電壓空間矢量定義為U=ua+aub+a2uc,其中。
    三相VSR的空間矢量共有8條.其中2條為零矢量,其分布如圖2所示,對(duì)于任意給定參考電壓矢量,均可由這8條矢量合成,傳統(tǒng)合成方式是在開始、結(jié)束和中間穿插U0和U7,每個(gè)開關(guān)周期每個(gè)開關(guān)均有一次開關(guān)動(dòng)作。這里采取在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)保持一開關(guān)不動(dòng)作,僅有兩個(gè)開關(guān)管動(dòng)作,即零矢量只用U0或U7,這樣開關(guān)頻率降低為傳統(tǒng)方式的2/3。圖中,在任意一扇區(qū)內(nèi)均有一開關(guān)管保持不變,有效地降低了開關(guān)的損耗。



6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),控制芯片為TMS320F2812,主電路電感選取4 mH,電容為兩個(gè)4700μF串聯(lián),IGBT選用CM150DY-24H型IGBT橋臂模塊,最大電壓為1200 V,最大通態(tài)電流為150 A,開關(guān)頻率設(shè)置為15 kHz,直流輸出電壓650 V,帶30 Ω純電阻負(fù)載,額定功率在14 kW。根據(jù)電路參數(shù)設(shè)計(jì)了電壓電流雙環(huán)控制參數(shù),采取五段式空間矢量調(diào)制方式,有效地降低了開關(guān)損耗。圖3a為額定功率下a相電壓電流波形,功率因數(shù)接近于1,圖3b分別示出由空載到帶載時(shí),帶載時(shí)由不控到可控和空載時(shí)由不控到可控的Udc和ia波形。



7 結(jié)論
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)功率因數(shù)接近于1,額定功率時(shí)諧波含量為2%,滑模控制響應(yīng)速度快且無明顯超調(diào),在負(fù)載擾動(dòng)時(shí),電壓無明顯波動(dòng),電流響應(yīng)好,驗(yàn)證了控制思想的正確性和優(yōu)越性。采取五段式空間矢量調(diào)制,明顯降低了開關(guān)損耗,提高了效率,在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合具有一定的發(fā)展前景。

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