雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張駿華

（上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司，上海201100）

0 引言

異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科研等領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用。交流系統(tǒng)中，電流轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)都采用交直交結(jié)構(gòu)，二極管組成整流部分，可控開(kāi)關(guān)器件組成逆變器，這是一種普遍采用的控制結(jié)構(gòu)。但由此引起的整流器電流波形失真和諧波污染已經(jīng)成為越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題。雙PWM變頻器指的是采用全控型開(kāi)關(guān)器件的逆變器和整流器，運(yùn)用PWM的整流技術(shù)方案對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，確保網(wǎng)側(cè)的電流大概是正弦波的形式，保證整流環(huán)節(jié)以單位功率因數(shù)運(yùn)行，而且能夠?qū)崿F(xiàn)能量在雙方向上進(jìn)行流動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)雙PWM調(diào)速系統(tǒng)，仍然采用交直交結(jié)構(gòu)，用PWM可控整流器取代二極管不可控整流器。這種新型結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)勢(shì)，比如可以實(shí)現(xiàn)能量再生利用和交流電機(jī)的四象限運(yùn)行等。

1 雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

雙PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有兩部分：PWM整流器和PWM逆變器。前端電網(wǎng)側(cè)包括PWM整流器、電路的等效電阻R以及電路的電感L，中間部分的直流側(cè)由濾波電容組成，后端部分由異步交流電動(dòng)機(jī)和PWM逆變器所組成。DSP產(chǎn)生的PWM波對(duì)整流橋開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，電網(wǎng)側(cè)的輸入電流就接近于正弦波，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。對(duì)產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行濾除，就可以消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。后端逆變側(cè)通過(guò)以DSP為核心建立的控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制。

圖1 雙PWM變頻調(diào)速電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

雙PWM調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該Matlab仿真模型運(yùn)用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，該三相雙PWM交直交可逆四象限調(diào)速系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了電容器模塊、網(wǎng)側(cè)端的電感器模塊、三相PWM逆變的主電路結(jié)構(gòu)模塊和三相PWM整流的主電路結(jié)構(gòu)模塊四個(gè)模塊。逆變器模塊和整流器模塊都采用SVPWM對(duì)三相PWM進(jìn)行控制，從而確保電機(jī)能在四象限運(yùn)行以及能量可以雙方向流動(dòng)。

圖2 雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真結(jié)構(gòu)圖

在具有兩個(gè)PWM的調(diào)速系統(tǒng)中，VSR的結(jié)構(gòu)與PWM逆變器類似。VSR具有驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的功能，三相PWM逆變具有驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的功能，兩部分結(jié)合起來(lái)構(gòu)成三相雙PWM交直交可逆四象限調(diào)速系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)是PWM整流和PWM逆變的變頻調(diào)速技術(shù)的聯(lián)合。

圖2中通過(guò)展示雙PWM調(diào)速系統(tǒng)中主電路組成的各個(gè)模塊，清晰地展示了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和思路，該系統(tǒng)采用矢量控制策略，VSR運(yùn)用基于5 kHz的固定開(kāi)關(guān)頻率。電流控制方法可以調(diào)節(jié)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q）中調(diào)節(jié)器輸出的空間電壓矢量的大小，然后再運(yùn)用SVPWM模塊使PWM整流器輸出的空間電壓矢量時(shí)刻和調(diào)節(jié)器輸出的空間電壓矢量保持一致。電流控制一般有直接電流控制和間接電流控制，本系統(tǒng)中運(yùn)用直接電流閉環(huán)控制方法，采用電流和電壓雙閉環(huán)矢量控制的研究思路。為了對(duì)網(wǎng)側(cè)電流幅值和相位進(jìn)行控制，首先需要電量傳感器測(cè)量出網(wǎng)側(cè)電流的瞬時(shí)值，然后運(yùn)用3s/2r坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法將電流有功和無(wú)功分量轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。本文最終采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)矢量控制策略，矢量控制的基礎(chǔ)是坐標(biāo)變換程序模塊和SVPWM程序模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)構(gòu)建好的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)功率為2.2 kW。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為主電路、DSP控制器和信號(hào)處理三部分，如圖3所示，為以DSP為控制核心的雙PWM調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，主要由異步交流電動(dòng)機(jī)、逆變橋、整流橋、交流側(cè)電感以及直流側(cè)電容幾大部分所組成。

圖3 基于DSP的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 控制軟件設(shè)計(jì)

雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括逆變側(cè)軟件和整流側(cè)軟件，使用TI公司的F2812DSP控制芯片及SVPWM技術(shù)的控制策略，在DSP上可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)字化，方便控制系統(tǒng)控制算法的在線更新。

整流側(cè)的程序功能模塊框圖如圖4所示。

使用基于VSR的解耦控制進(jìn)行整流部分的軟件設(shè)計(jì)，VSR的解耦控制主要由以下幾部分組成：坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)模塊、SVPWM信號(hào)波形生成模塊、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字化的比例積分調(diào)節(jié)器模塊等子程序。整流側(cè)主程序流程圖如圖5所示。

圖4 整流側(cè)的程序功能模塊框圖

4 系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為本文設(shè)計(jì)的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)。該平臺(tái)主要由三部分組成：三相可調(diào)電感、雙PWM變頻電源和2.2 kW三相交流直流電機(jī)組。電網(wǎng)接三相可調(diào)電感，可控整流橋?qū)θ嘟涣麟娬?，通過(guò)電容平波，逆變電路在DSP2812的控制下，產(chǎn)生三相電壓，接到異步電機(jī)的定子上，拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于時(shí)間和目前條件的限制，筆者只得到了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 網(wǎng)側(cè)整流器不控整流過(guò)程

圖5 PWM整流控制部分程序流程圖

圖6 雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)

電網(wǎng)接三相自耦變壓器，將線電壓降到50 V，可調(diào)電感調(diào)零，整流橋的六個(gè)續(xù)流二極管對(duì)三相交流電進(jìn)行不控整流，產(chǎn)生直流電壓，通過(guò)電容濾波，接到直流電阻箱上，電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。示波器CH1接高壓探頭，測(cè)量電壓波形；CH2接電流鉗，測(cè)量電流波形。

圖7為頻率50 Hz的電網(wǎng)電壓和電流，圖8的直流電壓和電流波形為整流后的波形。整流電路由整流二極管構(gòu)成，整流二極管沒(méi)有控制功能，在輸入一定的交流電壓的條件下，不可以調(diào)節(jié)負(fù)載上得到的直流電壓值，且諧波電流較大。

圖7 交流側(cè)電壓電流

4.2 網(wǎng)側(cè)整流器全控整流過(guò)程

電網(wǎng)接三相自耦變壓器，將線電壓降到50 V，可調(diào)電感調(diào)為7 mH，PWM整流電路在DSP2812的控制下產(chǎn)生直流電壓，通過(guò)電容濾波，接到直流電阻箱上，電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

整流電路如果由IGBT組成，在輸入一定的交流電壓的條件下，可以調(diào)節(jié)負(fù)載上的直流電壓的值，且最小值為輸入線電壓的峰值，實(shí)驗(yàn)中將給定直流電壓設(shè)為70 V（圖9）。由圖10可見(jiàn)，電網(wǎng)的諧波電流較小，功率因數(shù)接近1。

圖8 直流側(cè)電壓電流

圖9 直流側(cè)電壓電流

圖10 交流側(cè)電壓電流

4.3 電機(jī)定子電壓電流波形

電網(wǎng)接三相自耦變壓器，將線電壓降到200 V，可調(diào)電感調(diào)為7 mH，PWM整流電路在DSP2812的控制下產(chǎn)生直流電壓，然后通過(guò)電容濾波，PWM逆變器在DSP2812的控制下產(chǎn)生三相電壓，負(fù)載接2.2 kW三相異步交流電機(jī)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

圖11和圖12分別為逆變器設(shè)定為30 Hz和50 Hz下的電機(jī)側(cè)電壓電流。直流電壓給定230 V，30 Hz下速度為190 r/min，50 Hz下速度為320 r/min，基本符合調(diào)速要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于TI2000系列DSP控制器設(shè)計(jì)了雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，整流部分采用PWM的控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以控制網(wǎng)側(cè)的單位功率因數(shù)，性能比運(yùn)用不可控或相控整流的變頻電源的控制更加優(yōu)良，使得直流環(huán)節(jié)電壓可控，同時(shí)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。交流電網(wǎng)側(cè)和直流電壓側(cè)的能量可以在任意時(shí)間瞬時(shí)流動(dòng)。

圖11 頻率30 Hz的電機(jī)側(cè)電壓電流

圖12 頻率50 Hz的電機(jī)側(cè)電壓電流