《電子技術(shù)應(yīng)用》
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單相PWM整流器DQ變換控制的模擬電路設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
劉 煒,盧偉國
重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400044
摘要: PWM整流器控制中常通過引入坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功無功解耦,以簡化控制器設(shè)計(jì)。為此,提出了一種基于全通濾波器方式的坐標(biāo)變換模擬電路設(shè)計(jì)方案,應(yīng)用所提坐標(biāo)變換方案并結(jié)合單相PWM整流器給出了虛擬DQ變換的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),同時基于系統(tǒng)模型分析分別給出了電壓環(huán)和電流環(huán)補(bǔ)償器的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果,進(jìn)一步構(gòu)建出系統(tǒng)的具體模擬控制電路,最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提坐標(biāo)變換電路與補(bǔ)償器參數(shù)設(shè)計(jì)的有效性。
中圖分類號: TN710
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166103
中文引用格式: 劉煒,盧偉國. 單相PWM整流器DQ變換控制的模擬電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(8):132-135.
英文引用格式: Liu Wei,Lu Weiguo. Analog-circuit implemented DQ transform controller in single-phase PWM rectifier[J].App-
lication of Electronic Technique,2017,43(8):132-135.
Analog-circuit implemented DQ transform controller in single-phase PWM rectifier
Liu Wei,Lu Weiguo
State Key Laboratory of Power Transmission Equipments & System Security and New Technology, Electrical Engineering College of Chongqing University,Chongqing 400044,China
Abstract: Coordinate transformation is usually introduced to realize de-coupled control of active and reactive power and simplify the controller design for controlled PWM rectifier. For this reason, an analog all-pass filter circuit to realize coordinate transformation is prosed in this paper. Furthermore, a double-loop control structure based on virtual DQ transformation which is realized by the aforementioned all-pass filter is further given. Then, the controller parameter is designed explicitly based on the analysis of system model and analog control circuit of the system is built. Finally, the relevant experiment results show the validation of the coordinate transform circuit and the accuracy of control parameters selection.
Key words : PWM rectifier;coordinate transformation;all-pass filter;double-loop control

0 引言

    PWM整流器以其高功率因數(shù),輸入電流諧波成分少且易于控制等優(yōu)勢在諸多場合中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。其中,系統(tǒng)控制策略決定了PWM整流器的工作性能,工程中常通過引入坐標(biāo)變換方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有功無功的解耦控制設(shè)計(jì)[4-6]。而由于坐標(biāo)變換運(yùn)算較為復(fù)雜且單相系統(tǒng)虛擬量的構(gòu)建不便于模擬電路實(shí)現(xiàn),因此,PWM整流器常采用數(shù)字控制[7-8]的形式,該方式由于AD轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的引入,其量化誤差在一定程度上降低了系統(tǒng)控制精度,其次,采樣與計(jì)算延時也會降低系統(tǒng)帶寬,在某些情況下系統(tǒng)會發(fā)生振蕩甚至失去穩(wěn)定性。

    針對以上問題,本文提出一種坐標(biāo)變換模擬實(shí)現(xiàn)電路,由全通濾波器實(shí)現(xiàn)周期正弦信號的延時,結(jié)合運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換,應(yīng)用該電路并結(jié)合運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)了單相PWM整流器旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制,進(jìn)一步在DQ坐標(biāo)系下分析了系統(tǒng)模型與控制結(jié)構(gòu)并給出了補(bǔ)償器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。最后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的有效性與補(bǔ)償器參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。

1 單相PWM整流器DQ坐標(biāo)系雙環(huán)控制

    單相PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,其中vs為電源電壓,is為網(wǎng)測電流,idc為直流側(cè)輸出電流,RL為負(fù)載電阻,L為交流側(cè)儲能電感,起到傳遞能量,抑制電流高次諧波的作用,Rs為交流側(cè)的等效電阻主要表現(xiàn)為電感寄生電阻。

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    為實(shí)現(xiàn)有功無功的解耦控制,文獻(xiàn)[4]給出了一種DQ坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制策略,分析了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文對此提出了一種模擬電路實(shí)現(xiàn)上述所提控制,圖2為其實(shí)現(xiàn)框圖。

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2 模擬控制電路設(shè)計(jì)

    由圖2控制框圖可看出系統(tǒng)包含延時電路、dq變換及dq反變換電路、補(bǔ)償器電路、運(yùn)算電路和PWM調(diào)制電路設(shè)計(jì)。

2.1 延時電路設(shè)計(jì)

    對于單相PWM整流器輸入電流is只有一相,為進(jìn)行坐標(biāo)變換,通過全通濾波器電路實(shí)現(xiàn)相位延時90°構(gòu)建其虛擬正交量,電路如圖3所示。

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    其傳遞函數(shù)Gd(s)為:

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2.2 dq變換及dq反變換電路設(shè)計(jì)

    dq變換矩陣T與dq反變換矩陣T-分別為:

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    為實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換,需分別構(gòu)建d軸基準(zhǔn)信號cosωt與q軸基準(zhǔn)信號sinωt。本文將交流側(cè)輸入電壓vs經(jīng)霍爾傳感器得到的采樣信號作為d軸基準(zhǔn),其采樣系數(shù)為1/vm,再由d軸基準(zhǔn)通過圖3的延時電路作為q軸基準(zhǔn),最后結(jié)合運(yùn)放構(gòu)成的運(yùn)算電路即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換與坐標(biāo)反變換,電路分別如圖4和圖5所示。

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2.3 電壓電流補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

    圖6給出了單相PWM整流器DQ變換雙環(huán)控制傳遞函數(shù)框圖,其中為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無差,電壓補(bǔ)償器Gcu(s)與電流補(bǔ)償器Gci(s)分別采用線性PI控制器,其中,Gcu(s)=kpu+kiu/s和Gci(s)=kpi+kii/s分別為電壓與電流控制器的傳遞函數(shù);G1(s)為控制電壓到輸出的傳遞函數(shù),G2(s)為整流器交流側(cè)電流d軸分量id到直流側(cè)輸出電流idc的傳遞函數(shù)。

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2.3.1 補(bǔ)償器參數(shù)設(shè)計(jì)

    考慮到控制電壓改變時,脈寬調(diào)制器和PWM整流器需經(jīng)過短暫的延遲才能反映到輸出,延遲時間一般取開關(guān)周期的一半,即可等效為一階慣性環(huán)節(jié):

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    為得到電壓環(huán)傳遞函數(shù),應(yīng)首先確定G2,當(dāng)整流器工作在單位因數(shù)整流時,PWM調(diào)制器采用雙極性SPWM調(diào)制,定義開關(guān)函數(shù)p為:

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2.3.2 補(bǔ)償器電路設(shè)計(jì)

    由于補(bǔ)償器為PI控制器,則選用圖7所示的基本的運(yùn)算放大器構(gòu)成,傳遞函數(shù)Gc(s)為:

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2.4 調(diào)制電路設(shè)計(jì)

    PWM調(diào)制為雙極型SPWM調(diào)制,開關(guān)管PWM信號由比較器與反相器輸出,原理圖如圖8所示。

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3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    表1給出了實(shí)驗(yàn)主電路參數(shù),為驗(yàn)證系統(tǒng)分析與電路設(shè)計(jì)的正確性,采用小功率實(shí)驗(yàn)板簡化設(shè)計(jì)。由式(11)和式(19)可得出補(bǔ)償器參數(shù)kpi=10,kii=1 000,kpu=45,kiu=225 000,代入式(20)可得補(bǔ)償器電路具體參數(shù)。

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    圖9給出了坐標(biāo)變換基準(zhǔn)信號,實(shí)現(xiàn)了工頻信號的90°相移。圖10為坐標(biāo)變換測試波形,輸入信號為vs,可以看到d軸分量vd為10 V,交軸分量vq為0 V,驗(yàn)證了坐標(biāo)換電路的正確性。圖11分別給出了id*=2 A,iq*=0 A和id*=3 A,iq*=0 A電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)波形,實(shí)現(xiàn)了電流指令的跟蹤,其中電流波形存在一定畸變,這是由于電路中元件參數(shù)不可避免存在一定誤差。圖12給出了雙閉環(huán)電壓定向控制實(shí)驗(yàn)波形,實(shí)現(xiàn)了輸出電壓穩(wěn)定無差,輸入功率因數(shù)接近于1。

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4 結(jié)論

    本文給出了坐標(biāo)變換的具體實(shí)現(xiàn)電路,并實(shí)現(xiàn)了單相PWM整流器DQ變換的雙環(huán)控制,進(jìn)一步分析了得出控制參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提電路及參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性,為在DQ坐標(biāo)系下所構(gòu)建的控制策略提供了一種簡單有效的模擬電路實(shí)現(xiàn)方案。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

劉  煒,盧偉國

(重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400044)

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