电流追踪型电力变换器研究电气传动年第卷第期.pdf

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1、电流 追踪型 电力 变换器研究电气传动年第卷第期电流追踪型电力变换器研究赵 影李超信建 国天津理工大学摘要传统的 电力变换器中的高次谐波,污染电网成为电力公害已是不容忽视 的 问题。为了防止 电网遭受到污染,在高功率因数 电力变换器方面的研究得到社会的广泛重 视。根据电流追踪控制技术,采用新型的控制器件,设计了以高性能的芯片为核心的全数字控制系统,根据电力变换器 的工作原理对 电力变换器进行控制。由于控制系统对输入 电流进行了实 时的控制,可以改变输人电流 的相位和大小使电力变换器 的功率因数提高,从而改善了电力系统的运行特性,具有一定的技术和经济意义。关键词功率因数电力变换器控制系统,一一,

2、引言随着 电力 电子 技 术和微 电子技术的发 展,多种 电力 变换 器已广 泛 应 用到电力、冶金、化工、煤炭等各个领域。电力变换器通常是由二极管或 晶闸管等组成的一个非 线 性 电路,主要存在以下 缺点网侧 功率因数低输人 电流谐波含 量高交流侧电网电压波形 畸变等。传统的电力变换器 中的高次谐波,污染电 网成 为 电力公 害已是 不容忽视的问题。为了防止 电网遭受到 污 染,在高功率因数电力变 换 器、有源电力 滤 波等方面的研究得到社 会 的广泛重视。开展对低污染及高功率因数电力变换 器及其系统 的研究是 十分重要的课题,高功率因数电力 变换器 在 解决电力 公 害 方 面有 十分重要

3、 的作用,目前 这 方 面 的研究除了探索新的电路拓扑结构外多集中在其控制策 略 的实用性研究方面。本文根据高功率因数电力变换器 的研制开发,提 出其设计思 想和控制策略并给出其仿真结果。系统概述电流追踪型电力变换器作为一种 电力 电子变换和控制技术装置,系统 的 主要 功 能是 维持直 流端电压恒定,交流输人 电流正弦且功率因数较高,在设计 中,采用 电流 追踪型控制对电力变换器 进行 控制,设 计了以高性 能的芯 片为核心 的全数字控制系统。采用滞环比较控制与数字 闭环调节原理将被控制量与它 的给定量在给定范 围内进 行比较,以确定电力变换器 开关元件的开关时序。由于在 系统中对输人 电流

4、进行控制,可以改 变 电力 变换 器 系统中输人电流 的大小和相位,减小甚至消除对 电力系统谐波污染。电流追踪型电力 变换器还具有低控 制器硬件成本,体积小,重 量轻,耗 能 小。软件设计具有 很大的灵活性,可以加快产品的更新换代,可以进行多功 能 的组合。其控制系统精度 较 高,存储量 较 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电气传 动年第卷第期电流追踪型 电力 变换器研究大和有逻辑判断功 能强等特点,可以用高级 复杂的控制方 法,获得快速精密 的控制效果

5、。电流追踪型电力变换 器 系统 的构成,主要 从以下两个方面来考虑。硬件部分硬件部 分主要包括主电路、控制电路、驱动电路及保护 电路。主电路是三相 电压变 流器。主开关器件选 用模块,加上缓冲电路、驱动 电路与控制电路构成本系统三相电力 变 换 器,同时 采 用 多 种传感 器作 为检 测装置。当直流侧接负载时作为高功率因数整 流 器使用,当直 流侧接 的不 是负载而是 太阳能 电池、燃 料 电池 时则起 到并网运行逆变器的作用。系统结构如 图所示。一、芦芦芦厂二二阵弃弃钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊钊全全乌巨巨玉玉架架一一贝贝门门门门门门门门门门门坦坦坦坦曰曰曰曰曰曰曰门门门

6、门门门门门门门,入入,入入口口口口口铂控控控控制板板制算法发 出驱动信号同时利用其外设 为 系统平 台提供专用接口。由于具有高速 的运算能力,较高的采样精度,外设配 置性 能和功能较强,能够胜任实时性 要求高的滞环控制任务。驱 动 电路采 用 一 种 适合于桥 式 变 换 器 的高频驱 动 电路。驱 动 电路由控 制板构成,驱动 电路 提 供了的路全 桥 的驱动。可 直接驱 动三相桥 式个管,其输人端接有可隔离 电压光 电藕合器,使控制电路与驱动 电路隔离,并且 根据本 身的特性,设计了相应 的保护 电路。软件部分软件部分主要是 指 由实现 的控 制电路的编程 部 分。系统 控 制 策 略 是

7、 采 用 数 字 式调节器 的滞环 电流控制的实 现。系 统 的软件设计包括 主程序和 中断服务子 程序设计,程序采用模块化 编程,具有很强 的移植性。图电力变换 器 的主电路图控 制电路 采用芯片,为高性 能 的控 制提供先进、可靠、高效 的信号处 理与控 制 的平 台,它将数字信号处理的运算能力 与面向高性 能控制 的能力集于一体,可以实现用 软件取代模拟器件,可以方便地修改 控 制 策略,修正控 制参数,这 种特 殊 的微处理器具有 用于高速信号处理和数字控制功能所必需 的结 构特点,同时还具有控 制应用方 案所需的外设 功 能,作为 系统管理器,具备强大 的片 内和其它外设功能,面向应

8、用优化 的外设 单元和高性 能内核 的结合,为电力变换装置提供高速的先进 控 制技 术,特殊 的附 加 功 能 包 括可编 程 的 死区功 能和 空间矢 量状态 机。是 电力 变 换 器的核心部分,主要任 务是采集电流信号,完成 控控制策略及设计思想系统的控制策 略 是 采 用 数 字 式调 节 器 的滞环 电流控制的实现。由于该系统是通过计算机参与控制了系统 的闭环控制与滞环 电流控制,它属于直接电流控制,使系统 动 态 性 能 明显 改善。应 用双闭 环 控 制 方式。电压外环输出作为 电流指 令,电流内环控制输人 电流,使之快速跟踪 电流指令,其动态 响应速度快,控制精度高。系统 的功能

9、 为调 节 的滞 环 控 制,包 括调节器、滞环比较环节和开关函数产生单元,主要设计思想、滞环控制原理 和开关函数 的应用。滞环 控 制原理滞环电流控 制 是 一 种瞬时值反馈控制模 式,其基本思想是将电流给定信号 与检测到 的电力变换器实际输人 电流信号相比较,若实际电流大于给定值,则可以通过改变 电力变换器 的开关状态使之减少,反之增 大。这样,实际电流 围绕 给定电流波形作锯齿状变化,并将偏差限制在一定 的范 围 内。它集电流控制 与于一体。实际电诚与电流给定信号 的上、下 限相比较,交点作为开关点。通 过滞环比较器产生控制主 电路中开关通 断 的信号,该信号 经 驱 动 电路,控制开关

10、 的 通 断,从而控 制 交 流 电 流信号的变化。1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电流追踪型电力 变换器研究电气传 动年第卷第期电流反馈的存在 能够加快动态响应 和抑制环内扰动,而且还可以通过 防止变换器过流而保护功率开关 元 件,这 些优 点使它 得到了广泛的应用。开关函数的应用可以把一个 电力 电子 系统视 为带有输入、输出端口的黑箱,根据整 流变不同运行工 况,系统的输人输出变量 可以是直流变量,也 可以是交流变量。系统 的功能一般用反 映输人和

11、输出变量关系的传递函数进行描述,特别地,系统 中的非独立变量可以用传递函数和 系统 中独 立变量来表示。每个传递函数都可 能包 含 不同的开关函数,开关函数的概念有很 强的物理 意义,对 于高功率因数电力变换 器 这样一个系统,通常只控制桥式电路中桥臂上、下管通断情况,来达到交流输人 电流 的增 减进行 滞环控 制,保证系统主 要 功 能 的实现。几,二巧几出,图系统仿真实验结果系统的实施与仿真用于芯片实现滞环 电流控制,需 要作以下工作网压同步信号 的采集号交流三相实际 电流 的采样给定电流与实际 电流进行滞环比较并给出开关信号。控 制系统软件设计使用汇 编语言和语言 混 合 编程。在的开发

12、环境 下编辑、汇编、编译、链接、调试。系统 的软件设计包括 主程序和中断服务 子 程序设 计,其 任 务 是 实 现 系 统 初 始化,电压、电流 的反馈运算、波形 的生成、功率驱动保护 的实现等功 能。程序采用模块化编 程,具有较强 的移植性。实验及仿真 结果为了验证系统 平 台设计的正确性,系统选 用模块加上缓冲电路、驱 动电路控制板 与 控 制电路芯 片等构成三相 电力 变 换 器 系 统试验 环境,采用智 能交 流 电压传感器和智能交 流电流传感器一等作为检测装置。同时进行了系统 实 验,并 且 在 不 同电感量和不 同电阻值的情况 下 进 行了仿真 实 验,其仿真实验结果 如图所示。

13、结论本文介绍 了采用芯片控制实现 电流跟踪型控制的设计思想并把它应用 到变换器 的实验环境中,从而体现 出在高性能的控制,先进、可靠、高效的信号处 理能力与运算能力等方面 的优势,是系统得以实现 的保证。通过对 电力变换器电路在不同的 电感值和 电阻值情况下进行的仿真和实验,由实验与仿真结果可以看出输人 的 电流波形,可以看作正 弦波,输人电流跟随电压按照正弦规律变化,基本可以达到同相位,做到功率因数等于,输人 的 电流波形在滞环内跟随基准电流变化。实验结果与仿真相同。系统的参数主要 是 电感量改 变以后,对于控制思想 的实现 有 着 很 大 的作用,也 就 是说电感抑制滞环策略中的 电流增加

14、和减 小,对 电力变换器 的动态特性有显著的影 响。电感量 不 同时,电流 的快速 跟踪性 不 同,谐波分量增加,输 出 的 电流、电压 出现 了较 大 的波动。参考文献张占松编开 关 电源的原 理与 设计北 京电子工业 出版社,王兆安,杨君,刘进军编谐波抑 制和无 功功率补偿北京机械工业 出版社,李永东编交 流 电机数字控 制系统匡北京机械工业 出版社,刘和平,王维俊,江渝等编语言开发应用北京 北京航空航天大学出版社,修改稿日期一一 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/