电流型变频器实验装置关键技术研究

辛 平, 刘德君, 弭洪涛

(北华大学 电气信息工程学院, 吉林 吉林 132021)

近些年来,电流型双PWM变频器,因具有四象限运行能力、可实现可靠的短路保护、运行效率高等特点,在大功率场合具有显著优势,相关控制技术成为国内外的研究热点[1-3]。变频器的发展道路十分广阔,同时还有好多的问题等待解决,需要做更多更深入研究。

1 基于DSP的电流型变频器实验原理

Ti DSP2812是一款功能强大,专门用于运动控制开发的芯片。其片内有可以用来专门生成PWM波的事件管理单元EVA、EVB,配套的12位、16通道的AD数据采集,丰富的CAN、SCI等外设接口,为电流型变频器的开发提供了极大的便利。基于DSP的电流型变频器调速系统框图见图1。

系统上位机发送转速设定值及其他运行参数到DSP片内,采用矢量控制对交流电机数学模型进行解耦,使用SVPWM调制算法[4-6]形成6路触发脉冲对开关管通断进行控制。以DSP TMS320F2812为核心,搭建实验平台,并利用CCS软件进行程序开发,完成对不同控制算法的编写,验证理论分析和仿真结果的正确性,并不断完善所提出的理论与技术方案。

2 实验技术与方法

由于电流型变频器是一个多变量、非线性、强耦合[7-8]的复杂系统,要想直接获得预期的控制效果比较困难。因此必须在深入研究理论和不断推导论证的基础上,经过反复设计与实验,才能逐步实现系统的高性能控制效果,完成最终研究目标。

图1 基于DSP的电流型变频器调速系统

2.1 新型SVPWM调制算法的理论研究

开关时间预估模型以精确采样点位置为思想，以减少计算误差为目标，最终实现降低谐波含量。经过充分的分析与初步研究认为:对扇区内每一个工作矢量作为计算对象,根据调制序列的安排分别设定采样点位置,相比于传统的扇区所有工作矢量使用相同采样点位置来说,开关时间计算结果误差将大大降低,进而大幅降低谐波含量。图2为开关时间预估模型原理框图。

图2 开关时间预估模型原理框图

针对传统SVPWM存在的谐波影响,为精确计算采样点位置,构建一种开关时间预估模型。基于该模型,改进传统SVPWM调制算法,实现电流型变频器低谐波含量与高工作效率。

分析传统的SVPWM调制算法,研究适合于电流型变频器的调制序列,运用二重傅里叶积分理论求解谐波函数表达式,总结传统SVPWM方法的谐波特性,寻找存在的缺点与不足,探讨降低谐波含量的途径与突破口。

2.2 能量成型控制策略研究

采用基于端口受控耗散哈密顿(PCHD)模型的互联和阻尼注入配置的无源控制(IDA-PBC)方法[9-10],通过能量成型原理和参数匹配方案设计IDA-PBC控制器, 实现电流型整流器在交流侧运行于单位功率因数、输出侧直流电流快速达到期望值并保持基本稳定。图3为能量成型控制策略示意图。

图3 能量成型控制策略示意图

分析三相电流型整流器的工作原理,建立其动态数学模型,基于Hamilton方程探讨和建立电流型整流器的闭环状态PCH系统数学模型。

以提高工作效率和功率因数为目标,从能量损失最小化和最小磁场能量角度提高功率因数。利用系统的能量函数作为Lyapunov函数,保证系统的稳定性。

确定系统期望稳定的平衡点(期望轨迹),设计合理的控制律,确保系统的动态响应性能并能快速收敛到期望的平衡点。

3 实验装置应用的前景预测

3.1 减少能源浪费，提高装置转换效率的工业生产需求

电流型变频器采用变频调速技术可以使大中型变工况电机获得优良调速性能,这不仅大大减少采用直接拖动电机所带来的资源和能源浪费,而且达到了很好的节能效果。然而,当电流型变频器应用于大容量交流调速场合时,其本身转换效率的高低对造成能源和资源的浪费也不可忽视。另外,较低的转换效率除了对能源造成浪费外,还会影响系统的性能,使电力电子开关器件因过热而损坏。因此,提高电流型变频器装置转换效率,减小电力电子开关器件损耗和谐波损耗对系统很必要[11-12]。

3.2 高性能变频调速系统的要求

变频调速作为一种具有效率高、调速平稳、调速范围宽、无极变速等优点的调速技术,在大功率中高压交流传动场合,如轧钢、水泥、煤炭、造纸、船舶及铁路等工业领域中,该技术应用十分广泛[13]。电流源型变频器作为中高压大功率交流电动机调速的主要驱动装置,其显著特点是容易实现回馈制动[14]和四象限运行,尤其在大容量可逆轧机、卷扬机等工业场合的应用,通过控制其内部功率开关器件的开通与关断,将电压幅值和频率固定的工频电变换成幅值和频率可调的交流电,以至于实现对轧机的精确调速控制,从而更好地改善生产工艺条件,提高生产效率和产品质量。

4 结语

实验室是科学研究的基地,对科技发展具有重要的作用。新型实验装置的研发不仅代表科技的进步,同时对工业的发展和国家的发展发挥着重要的作用。在实验装置的开发过程中融合创新思想和方法、实现关键技术创新、取得具有自主知识产权的研究成果,能更加体现出科技的价值。

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