基于臺達AFE2000的四象限變頻控制

1 前言

自上世紀80年代末，變頻調速技術(shù)登上工業(yè)傳動(dòng)的歷史舞臺以來(lái)，變頻調速技術(shù)就以其調速范圍寬、調速精度高、工作效率高、控制靈活和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成為最具影響力的工業(yè)自動(dòng)化調速技術(shù)。基于該技術(shù)發(fā)展的變頻器一直延續著(zhù)采用無(wú)控或半控器件來(lái)進(jìn)行電網(wǎng)側的整流，這種模式導致了變頻器只能工作在電動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現真正的制動(dòng)，因此這類(lèi)變頻器被稱(chēng)為兩象限變頻器。兩象限變頻器的弱點(diǎn)在于無(wú)法實(shí)現制動(dòng)回饋，導致電能的浪費;此外功率因數較低，DCBUS上的電流無(wú)法形成真正的正弦，間接地造成了電能不必要的浪費。

兩象限變頻器最大的問(wèn)題就是整流側的器件無(wú)法實(shí)現全控，導致無(wú)法進(jìn)行能量回饋操作。因此，高頻PWM整流技術(shù)孕育而生了。高頻PWM整流技術(shù)分為直接電流控制PWM整流和間接電流控制PWM整流兩種方式，間接PWM整流是依據PWM整流器的穩態(tài)電壓平衡關(guān)系得到的控制方式，具有良好的靜態(tài)特性，控制簡(jiǎn)單方便，但是同時(shí)由于沒(méi)有檢測輸入交流電流，造成動(dòng)態(tài)響應慢、穩態(tài)性差。因此，在實(shí)際的設計中往往在間接電流PWM整流的基礎上增加電壓外環(huán)，組成雙閉環(huán)結構，保證動(dòng)態(tài)響應。

2 三相PWM整流器工作原理

2.1 主回路工作模式

三相電壓型PWM整流器主回路如圖1所示。

圖1 三相電壓型PWM整流器主回路

當整流器進(jìn)入穩定工作狀態(tài)，輸出直流電壓恒定，整流橋的三相橋臂按正弦的脈寬調制規律驅動(dòng)。當PWM整流器處于整流狀態(tài)時(shí)，三相交流電源將會(huì )通過(guò)IGBT或二極管向DC端進(jìn)行整流。當PWM整流器處于逆變狀態(tài)，即需要進(jìn)行能量回饋的時(shí)候，DC端電流將會(huì )通過(guò)IGBT或整流器向電網(wǎng)回饋。

為了討論三相PWM整流器的整流與逆變過(guò)程，采用圖2所示的空間電壓矢量來(lái)描述三相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖2 空間電壓矢量

圖2表明，當電網(wǎng)電壓信號經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，空間電壓矢量已經(jīng)從U1-U5-U4-U6-U2-U3-U1旋轉了一周，并且在每個(gè)狀態(tài)的變換中，包含了U0和U7兩個(gè)狀態(tài)。結合圖2，將三相電流空間坐標定義為如圖3所示的狀態(tài)。

圖3 空間電流坐標

我們將U1-U5定義為Ⅰ區域，U5-U4定義為Ⅱ區域，U4-U6定義為Ⅲ區域，U6-U2定義為Ⅳ區域，U2-U3定義為Ⅴ區域，U3-U1定義為Ⅵ區域。各個(gè)區域內的電流空間矢量變化共同造就了合成磁勢的旋轉，從而形成正弦電流。其結果見(jiàn)圖4。

圖4 合成磁勢一周狀態(tài)

以第Ⅰ區域為例，結合三相電壓型PWM整流器來(lái)進(jìn)一步描述三相橋臂的導通與電流流向狀況，如圖5所示。

圖5 第Ⅰ區域電流變化與IGBT導通狀況

在U1狀態(tài)時(shí)，V4、V6、V5導通，此時(shí)電流ia由VD4流通，電流ib由VD6流通，電流ic由VD5流通。在狀態(tài)U2時(shí)，V1、V6、V5導通，此時(shí)電流ia由V1流通，電流ib由VD6流通，電流ic由VD5流通。其他狀態(tài)可參考相同方式進(jìn)行分析。由此可見(jiàn)，三相PWM整流器的IGBT即使導通電流也不一定會(huì )進(jìn)行流通，這是由于壓差造成的，而并聯(lián)二極管則可配合流通電流。這是三相PWM整流器IGBT工作的最大特點(diǎn)。

2.2控制算法原理

從三相PWM整流器的主回路驅動(dòng)狀況可分析出，開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)，由于電感的濾波作用，高次諧波電壓產(chǎn)生的諧波電流非常小，只考慮電流和電壓的基波，整流橋可以看作是一個(gè)理想的三相交流電壓源。適當的調節控制量的大小和相位，就能控制輸入電流的相位，以達到改變功率因數的目的，而控制輸入電流的大小以控制傳入整流器的能量，也就控制了直流側電壓，可見(jiàn)PWM整流器的控制目標是輸入電流和輸出電壓，而輸入電流的控制是整流器控制的關(guān)鍵。輸入電流的控制目標是使電流波形為正弦波，且與輸入電壓同相位。

三相PWM整流器的具體控制思想是通過(guò)SVPWM控制超前角，以控制功率因數的調節，在此定義超前角為α，因此，功率因數在一定范圍內可以通過(guò)α來(lái)控制。DC-BUS側直流電壓可以在一定范圍內通過(guò)調制深度M來(lái)控制。對于PWM控制電路，調制深度M和控制器角α可任意設定。其控制原理圖如圖6所示。

圖中整流器采用SVPWM控制，通過(guò)調節控制器角α和調制深度M，可以獨立控制功率因數COSφ和直流電壓Ed。圖中黃色和綠色點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)框，分別為相位控制環(huán)和電壓控制環(huán)，只要使用相位控制環(huán)就可以使PWM整流器運行，使用直流電壓控制環(huán)可實(shí)現DC-BUS電壓恒定，從而實(shí)現過(guò)電壓狀態(tài)的能量回饋，保證電壓恒定。下面來(lái)深入分析一下相位和電壓控制過(guò)程。

(1) 相位控制

相位控制部分也可稱(chēng)為功率因數控制，實(shí)質(zhì)為調節功率因數的大小，保證實(shí)現電流與電壓的同相位。相位控制環(huán)通過(guò)檢測相電流iR的基波相位，經(jīng)低通濾波后得相位角φ，再與指令φ*比較，并經(jīng)PI調節器后用于調節PWM調制的相位控制器角α，使系統工作在任意的功率因數角下。相位檢測的精度對控制特性有很大影響，因此，要求有穩定工作的基波電流相位檢測電路。LPF的輸出信號電平?jīng)Q定了α的控制，一般要附加限幅電路，使α限制在±π/4之內。