電機(jī)控制系統(tǒng)分析摘要脈寬調(diào)制（PWM技術(shù)就是控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的通斷時間比，即通過調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期來實現(xiàn)控制輸出電壓的一種技術(shù)。由于它可以有效地進(jìn)行寫撥抑制，而且動態(tài)響應(yīng)好，在頻率、效率諸方面有著明顯的優(yōu)勢，因而在電力電子變換器逆變中廣泛應(yīng)用，其技術(shù)也日益完善。1三相雙PWM轉(zhuǎn)換器工作原理11基本原理現(xiàn)對雙PWM電路的主電路和控制電路的設(shè)計如下雙PWM交一直一交電壓型變換器的主電路如圖1所示變換器的2個PWM變換器的主電路結(jié)構(gòu)完全相同，三相交流電源經(jīng)PWM整流器整流，再經(jīng)PWM逆變器逆變?yōu)轭l率和幅值可調(diào)的交流電，帶動三相電阻負(fù)載。整流器和逆變器觸發(fā)電路的設(shè)計是變換器設(shè)計的核心2整流電路從PWM整流器的功能可見，PWM整流器應(yīng)該是一個其交、直流側(cè)可控的四象限運行的變流器。目前，PWM整流器分成兩個大類一、電壓型PWM整流器，二、電流型PWM整流器。它們兩種結(jié)構(gòu)在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PWM信號發(fā)生、控制策略等方面都有各自的特點，而且兩者在電路上是對偶的。21電壓型整流器VSR電壓型（VOLTAGESOURCERECTIFIERVSRPWM整流器有個明顯的特點就是直流側(cè)一般采用電容進(jìn)行直流儲能。這樣一來就使得VSR直流側(cè)呈現(xiàn)低阻抗電壓源特性。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下三種圖21A就是單相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖21B是單相全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由上圖21A可知，單相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，相比而言比較的簡單，只有一個橋臂用了IGBT開關(guān)，另一個則是由兩個電容串聯(lián)而成。這種結(jié)構(gòu)適合于價格低，成本低，小功率的場合。而在全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，如圖21B，則采用了4個IGBT開關(guān)。兩個電路里每個IGBT都反并聯(lián)一個續(xù)流二極管，可以保證無功電流的流動。其中電容的作用是均壓和儲能，但是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對電容的數(shù)值要求比較高，系統(tǒng)對死區(qū)也比較的敏感，所以其控制算法和策略方面仍然處于研究階段。22電流型整流器CSR電流型（CURRENTSOURCERECTIFIERCSRPWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最明顯的特點是直流側(cè)采用電感存儲能量，從而使得CSR直流側(cè)呈現(xiàn)出高阻抗的電流源特性。CSR跟VSR樣，有單相和三相兩種不同的結(jié)構(gòu)2。圖22A單相CSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖22B三相CSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上圖22A中所示的單相CSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它與單相了一個濾波電容，作用是和電感一起構(gòu)成LC濾波器，VSR相比，交流側(cè)還增加濾除網(wǎng)側(cè)來的諧波電流，抑制諧波電壓。并且每個IGBT開關(guān)管都串聯(lián)了個二極管，主要的目的是阻斷反向電流，提高反向耐壓能力。上圖22B為三相CSR拓?fù)鋱D，可以看出這也是個半橋結(jié)構(gòu)，它工作原理大致和單相的一樣，其中的電容和電感的作用和單相CSR是一樣的。由于大功率整流的電流比較的大，所以為了防止鐵心飽和，直流側(cè)的電感器鐵心體積會比較龐大，這樣的話就增加了電路損耗，同時也限制了直流電流的大小，不能太大。三相電流型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用正弦波調(diào)制的方法控制直流電流在各開關(guān)器件的分配，使交流電流波形近似與電源電壓同相位的正弦波，實現(xiàn)功率因數(shù)近似為1。由于整流器的非線性，其交流側(cè)電流波形中含有較多的諧波成分，需在交流側(cè)加裝濾波器來減少交流電流諧波直流側(cè)有大的平波電抗，穩(wěn)態(tài)時，直流側(cè)電流紋波很小，類似電流源。3P麗整流電路及其控制方法31P麗整流電路結(jié)構(gòu)三相系統(tǒng)里面，三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是VSR最為常用的一種。與單相全橋VSR相比，三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主電路則多了一個橋臂。三相半橋VSRPWM整流器主電路結(jié)構(gòu)如上圖所示，其中至6是全控型功率器件，/至/6為整流二極管，交流側(cè)每相電路串接的電感起儲存、傳遞能量和平衡電壓的作用，為濾波器。通過對電路進(jìn)行正弦波PWM控制，使得整流橋的交流輸入端產(chǎn)生正弦PWM電壓，對各相電壓進(jìn)行控制，就可以使各相電流/FL、為正弦波且和電壓相位相同，從而使功率因數(shù)為1。當(dāng)電路工作在整流狀態(tài)下，能量從電網(wǎng)側(cè)流向直流側(cè)負(fù)載傳輸當(dāng)電路工作在再生狀態(tài)下，類似于三相PWM電壓型有源逆變器，可以將直流側(cè)的能量回饋到交流電網(wǎng)側(cè)。所以對于三相VSR，需要對其三相橋臂施加幅值、頻率相等而相位上互差120G的三相對稱正弦波調(diào)制信號。32PWM整流電路的控制方法為了使PWM整流電路在工作時工率因數(shù)近似為1，即要求輸入電流為正弦波且和電壓同相位，可以有多種控制方法。根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，沒有引入電流反饋的稱為間接電流控制，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制。下面分別介紹這兩種控制方法的基本原理3。321間接電流控制間接電流控制也稱為相位控制和幅值控制。圖32A為間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中的PWM整流電路為圖4所示的三相橋式電路。控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。直流電壓給定信號UD和實際的直流電壓UD比較后送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流指令信號ID，ID的大小和整流器交流輸入電流的幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時，UDUD，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，PI調(diào)節(jié)器的輸出ID和整流器負(fù)載電流大小相對應(yīng)，也和整流交流輸入電流的幅值相對應(yīng)。當(dāng)負(fù)載電流增大時，直流側(cè)電容C放電而使其電壓UD下降，PI調(diào)節(jié)器的輸入端出現(xiàn)在偏差，使其輸出ID增大，ID的增大會使整流器的交流輸入電流增大，也使直流側(cè)電壓UD回升。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，UD仍和UD相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而乙則穩(wěn)定在新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流相對應(yīng)。當(dāng)負(fù)載電流減小時，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。若整流器要從整流運行變?yōu)槟孀冞\行時，首先是負(fù)載電流反向而向直流電容C充電，使UD抬高，PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負(fù)偏差，其輸出G減小后變?yōu)樨?fù)值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實現(xiàn)逆變運行。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，UD和UD仍然相等，PI調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，其輸出ID為負(fù)值，并與逆變電流的大小相對應(yīng)。圖中兩個乘法器均為三相乘法器的簡單表示，實際上兩者均由三個單相乘法器組成。上面的乘法器是ID分別和A,B，C三相相電壓同相位的正弦信號，再乘以電阻R，就可得到各相電流在RS壓降URA、URB和URC現(xiàn)面的乘法器分別乘以A，B，C三相電壓相位超前/2的余弦信號，再乘以電感L的感抗，就可得到流在電感LS上的壓降ULA、ULB和ULC各相電源相電壓UA、UB、UC分別減去前面求得的輸入電流在電阻R和電感L上的壓降，就可得所需要的整流交流輸入端各相的相電壓UA、UB和UC，用該信號對三角波載波進(jìn)行調(diào)制，得到PWM開關(guān)信號去控制整流橋，就可以得到需要的控制效果。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及上述分析可以看出，這種控制方法在信號運算過程中要用到電路參數(shù)L和R的運算值和實際值有誤差時，必然會影響到控制效果。此外，這種控制方法是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計的，其動態(tài)特性較差。因此，間接電流控制的系統(tǒng)應(yīng)用較少。321直接電流控制在這種控制方法中，通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此這種方法稱為直接電流控制。直接電流控制中有不同的電流跟蹤控制方法，圖32B給出的是一種最常用的采用電流滯環(huán)比較方式的控制結(jié)構(gòu)圖。上圖的控制系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)。外環(huán)的結(jié)構(gòu)，工作原理均和32A的間接電流控制系統(tǒng)相同，前面已進(jìn)行了詳細(xì)的分析，這里不再重復(fù)。外環(huán)H調(diào)節(jié)器的輸出為直流信號分別乘以和A，B,C三相相電壓同相位的正弦信號，就得到三相交流電流的正弦指令信號IA，IB和IC可以看出，IA，IB和IC分別和各自的電源電壓同相位，其幅值和反映負(fù)載電流大小的直流信號成正比，這正是整流器作單位功率因數(shù)運行進(jìn)所需要的交流電流指令信號。該指令信號和實際交流電流信號比較后，通過滯環(huán)對各個開關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使實際交流輸入電流跟蹤指令值，其跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。4總結(jié)采用