基于空間電壓矢量電力機車四象限整流的研究

摘要：本論文側重于三相電壓型PWM整流器及其控制系統的工程設計與實現，以提供一種較為實用的控制器設計與選取方法。論文主要內容包括算法研究、控制器設計、裝置開發、樣機仿真。介紹了四象限整流器為核心的電力機車系統,闡述了四象限整流器的運行原理及控制電路設計。提出一種簡單的空間電壓矢量算法，該算法在矢量區間判斷上采用非坐標變換法進行判斷，給出了在各個扇區中的矢量選擇以及作用時間的計算公式。這種改進方法對SVPWM控制算法有一定程度的簡化，從而使其更易于數字化實現。最后建立了Matlab/Simulink環境下的仿真模型，對上述控制算法進行了仿真，仿真結果驗證了控制算法的正確性和可行性。同時，這種控制算法亦能使整流系統的能量雙向流動，實現能量再生，且具有控制算法簡單，直流電壓利用率高的特點。

敘詞：四象限;整流器;PWM;空間電壓矢量 電源

Abstract：This dissertation focuses on the engineering design and realization of high power three-phase Voltage Source Rectifier (VSR) with emphasis on the control technique. The dissertation work, covering the methodology study, controller design, prototype implementation and experiment, is presented as following. Electric locomotive system mainly concentrated on 4-quardant rectifier is stated. Circulate principle and Control system design of electric locomotive 4-quardant rectifier are presented .A simplified algorithm is proposed in this paper for space voltage vectorwhich adopting non-standard vertical reference frame to judge the vector sector and calculate the action time. The ways make the calculate load of the SVPWM reduced and more easily digital applied. At last, the whole simulation module of control system is built up under the power MATLAB/SIMULINK platform and the above several ways are used in the simulation module. The result of the simulation proves that control ways are right and feasible. At the same time, from the concrete analysisthe rectifying system applied the simple algorithm can make the power bi-directional flow. Moreover, its control algorithm is easy and the range of DC utilizing efficiency is large.

Keyword：4-quardant;Rectifier;PWM;Voltage space-vector

1引言

自1879年世界上第一條電氣化鐵路建成以來的100余年時間內，人們不斷地作出努力，試圖制造出具有實用價值的交流傳動電力機車。隨著電力電子學和微電子技術的崛起和進步，半導體的出現和發展，使情況有了巨大的轉機[1]。1964年的分諧波控制的逆變器(即現在的脈寬調制逆變器)、1973年提出的在載波整流理論的基礎上研制的所謂四象限脈沖整流器、1971年提出的磁場定向控制和1985年提出的直接轉矩控制方法[2]，把逆變電路中的PWM技術應用于有MOSFET、IGBT等全控器件組成的整流電路，工作時可以使網側電流正弦化，運行于單位功率因數，能量可以雙向流動，真正實現綠色電能轉換，因而備受關注。這種整流器稱為PWM整流器[3]。綜上所述，本文采用PWM四象限整流，則功率因數、能量回饋等指標都可以得到滿足。因此四象限整流技術應用于電力機車成為一種科學的控制方式。

2 PWM整流器的選擇

2.1四象限運行原理

圖2.1 PWM整流器模型圖

圖2.1所示為PWM整流器模型電路。從圖可以看出：PWM整流器模型電路由交流回路、功率開關橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢 以及網側電感L等;直流回路包括負載電阻 及負載電勢 等;功率開關橋路可由電壓型或電流型橋路組成。

當不計功率橋路損耗時，由交、直流側功率平衡關系得[4]：

由式(2-1)不難理解：通過模型電路交流側的控制，就可以控制其直流側;反之亦然。其中交流側電感吸收無功功率是由直流側提供的，也就是說整流器需要有反饋的能力。四象限脈沖整流器能夠執行脈寬調制和能量變換，即整流和反饋兩方面功能[5]。作為電力牽引用的整流器，實現牽引、制動狀態下的前進、后退四種工況。反饋：通過IGBT將直流能量逆變為交流，因此可以實現PWM整流器四象限運行。

2.2主電路拓撲結構

本文采用三相半橋電壓型PWM整流器拓撲結構。

圖2.2 三相半橋電壓型PWM整流器

圖2.2為三相半橋PWM整流器拓撲結構，其交流側采用三相對稱無中線連接方式[6]，采用了6個功率開關管，這是最常用的三相PWM整流器拓撲結構。三相半橋PWM整流器較適用于三相電網平衡系統。

3系統硬件設計

3.1控制系統總體框圖

圖3.1 三相電壓型PWM整流器模塊功能原理圖

3.2檢測電路設計

1、三相交流電流檢測電路

定子電流檢測的精度和實時性是整個矢量控制系統精度的關鍵，對電流檢測要求精度高和速度快，本系統采用北京萊姆公司生產的LEM霍爾電流傳感器模塊來檢測電流[7]。它的工作電壓為 12V，由于霍爾輸出的是弱電流信號，因此開始時得把霍爾電流信號轉化為電壓信號，然后再經過濾波放大處理，又由于霍爾輸出的是有正反方向的電流信號，而TMS320LF2407中的A/D轉換器的輸入為0~+5伏的電壓信號，因此得有電平偏移電路。設計中先將霍爾的電流信號通過電阻轉化為電壓信號，由于電流反饋具有較大的噪音紋波，因而采用低通濾波電路。然后用-5伏電壓基準把正負電壓信號變換為TMS320LF2407需要的單極性電壓信號，為了防止電壓過高或過低，設計了由二極管構成的限幅電路。如圖3.2則是實現A相電流采集的電路原理圖。