单相电压型四象限整流器控制策略研究与实现

摘要

作为交流传动系统重要组成部分的四象限整流器既要实现中间直流环电压的稳定控制,还要实现供电接触网或牵引变压器一次侧的功率因数校正。当牵引电机工作在再生制动工况时,整流器充当逆变器功能,使网侧输入电压电流反相位,将再生能量回馈到电网,从而实现变流器能量的双向流动。四象限整流器控制策略的选择,对于提高电网功率因数、降低网侧电流谐波含量、稳定中间直流电压以及保证电机侧逆变器的正常工作有着重要的影响。
　　 本论文首先分析了单相电压型四象限整流器的工作原理,分析了单相电压型四象限整流器主电路拓扑,并根据定义的开关函数建立了数学模型；其次,详细阐述了具有二阶闭环传递函数的Ⅰ型系统和三阶闭环传递函数的Ⅱ型系统的整定方法,在此基础上对电流内环控制系统和电压外环控制系统以及加入电压前馈环的复合控制系统进行设计；最后,详细阐述了加入输入电压前馈控制的复合控制瞬态直接电流控制和预测电流控制策略,Matlab仿真结果表明,这两种控制策略均可实现四象限整流器高功率因数运行,且具有良好的动态响应和稳态特性。
　　 针对无直流侧二次滤波环节的单相电压型四象限整流器,分析了网侧输入电流谐波产生机理及其消除方法。通过采用新型峰值检测算法改进了纹波电压补偿算法,进而改进了瞬态直接电流控制和预测电流控制策略。Matlab仿真结果表明,新型的改进控制策略不仅实现了直流侧电压稳定和能量双向流动,而且能有效地降低输入电流的3、5、7次谐波含量和总谐波畸变率THD,提高功率因数并减少系统对电网的谐波污染。与传统滤波方式相比,新型的改进控制策略具有更好的动态性能。
　　 在理论分析的基础上,进行了四象限整流器系统的硬件和软件设计,设计了基于TMS320F2812DSP的信号采样调理电路、保护电路、锁相电路、开关管驱动电路及其缓冲吸收电路；设计了软件控制流程,对其中的数字PI调节器设计进行了详细的阐述。
　　 最后,搭建了单相电压型四象限整流器实验平台,设计了单位功率因数整流和单位功率因数回馈实验。对瞬态直接电流控制及其新型的改进控制策略、预测电流控制及其新型的改进控制策略进行了相关实验。实验结果验证了上述控制策略及其新型的改进控制策略的正确性。