基于滑模控制的PWM整流器的研制
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摘要:在建立三相PWM整流器的非线性数学模型的基础上,针对传统PI控制难以达到良好的控制效果的问题,采用电压外环为滑模变结构控制,电流内环为前馈解耦控制的方法,并且以DSP为主控芯片搭建实验样机,为降低开关损耗,采取五段式空间矢量调制,实验结果验证了控制策略的可行性和优越性。
关键词:整流器;滑模控制;前馈解耦;空间矢量调制
1 引言
三相PWM整流器具有四象限运行,功率因数高,输入电流谐波含量小等优点,符合“绿色能源”的发展方向,具有广阔的应用前景。目前多采用双环PI控制策略,但由于系统的非线性和强耦合性,很难达到良好的控制效果。滑模变结构控制具有自适应性,动态响应快,快稳定范围等优点,特别适合电力电子系统的开关控制。针对此,这里采用电压外环滑模控制策略,电流内环采用传统的前馈解耦策略,实验结果证明这种混合控制具有较好的动态和稳态性能,应用前景良好。
2 PWM整流器的数学模型
三相电压型PWM整流器的主拓扑如图1所示。ua,ub,uc为三相输入交流电,L,R为输入电感和电路等效内阻,C为输出侧直流电容,RL为负载,定义开关函数:
可得到其状态方程为:
通过坐标变换则可以得其d,q旋转坐标系数学模型为:
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3 滑模电压控制
滑模控制迫使系统的状态轨迹沿着设计好的滑模面运动到平衡点,系统一旦进入滑动模态,在一定条件下对外界干扰及参数扰动具有不变性,从而具有比鲁棒性更加优越的完全自适应性,具有抗扰性强,动态响应好等优点。选取状态变量偏差ev=Uref-Udc,Uref为电压给定量,则滑模面为:
在三相平衡系统中,单位功率因数若要实现,则稳态时,iq=uq=diq/dt=0,则Sq=-ωLid/Udc,在稳态条件下id为直流量,可令Lid /dt=0,得Sd=-(ud-Rid)/Udc,等功率坐标变换下,Ums为输入交流电相电压的有效值。又直流电压给定为恒定值,则dUref/dt=0,将Sd,ud代入式(5)化简得:
4 电流环前馈解耦控制
由式(3)可知:
可见,为了达到d,q轴解耦的目的,单位功率因数运行时,iqref=0。[!--empirenews.page--]
5 五段式空间矢量调制方式
对于理想的三相正弦电压,电压空间矢量定义为U=ua+aub+a2uc,其中。
三相VSR的空间矢量共有8条.其中2条为零矢量,其分布如图2所示,对于任意给定参考电压矢量,均可由这8条矢量合成,传统合成方式是在开始、结束和中间穿插U0和U7,每个开关周期每个开关均有一次开关动作。这里采取在一个开关周期内保持一开关不动作,仅有两个开关管动作,即零矢量只用U0或U7,这样开关频率降低为传统方式的2/3。图中,在任意一扇区内均有一开关管保持不变,有效地降低了开关的损耗。
6 实验结果
搭建实验平台,控制芯片为TMS320F2812,主电路电感选取4 mH,电容为两个4700μF串联,IGBT选用CM150DY-24H型IGBT桥臂模块,最大电压为1200 V,最大通态电流为150 A,开关频率设置为15 kHz,直流输出电压650 V,带30 Ω纯电阻负载,额定功率在14 kW。根据电路参数设计了电压电流双环控制参数,采取五段式空间矢量调制方式,有效地降低了开关损耗。图3a为额定功率下a相电压电流波形,功率因数接近于1,图3b分别示出由空载到带载时,带载时由不控到可控和空载时由不控到可控的Udc和ia波形。
7 结论
实验结果表明样机功率因数接近于1,额定功率时谐波含量为2%,滑模控制响应速度快且无明显超调,在负载扰动时,电压无明显波动,电流响应好,验证了控制思想的正确性和优越性。采取五段式空间矢量调制,明显降低了开关损耗,提高了效率,在中大功率应用场合具有一定的发展前景。