四象限变流器PWM双闭环控制系统的计算机仿真

电力电子与电力传动

2000年第3期机　　车　　电　　传　　动№3,2000　

研究　　开发

四象限变流器PWM双闭环控制系统的计算机仿真

李　波

(铁道部科学研究院机车车辆研究所,北京　100081)

作者简介:李　波(1973—),男,1995年毕业于上海铁道大学电力牵引与传动控制专业,研实员,现主要从事。

摘　要:介绍了使用SABER对四象限变流器PWM双闭环控制系统进行计算机仿真的一套方法,阐述了PWM双闭环控制原理,将部分仿真波形与实际试验波形进行了对比,表明仿真结果是可信的。

关键词:四象限变流器;脉宽调制;控制系统;计算机仿真

中图分类号:TM46;TP391.9　　文献标识码:A　　文章编号:()0322Comdoubleclosed-loop

for4-qconverter

LIBo

(RollingStockResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China)

Abstract:http://www.77cn.com.cnparisonofsomesimulationwaveformswithmeasuredtestwaveformsshowsthesimulationresultsarebelievable.

Keywords:42qconverter;PWM;controlsystem;computersimulation

0　引言

自从70年代产生四象限变流这种独特的交直变换拓扑结构以来,四象限变流器便作为交流传动电力机车交直交传动系统的电网侧变流器,扮演着重要角色。简言之,通过四象限变流器的控制,对电网侧,可以使电网电流波形接近于正弦,电网功率因数接近于1,最大程度地提高电网的经济效益,减少电网对周围环境的电磁污染;对直流侧,在电网电压或负载发生变化时,能够维持直流中间电压的稳定,给电机侧逆变器提供良好的工作条件。而且,四象限变流器可以实现牵引与再生工况间快速平滑地转换。80年代以来,随着计算机的飞速发展,计算机仿真技术已逐步深入到科研、产品开发等各个领域。在电力电子领域,通过使用计算机仿真技术,设计者在设计阶段就能全面考察系统的动静态特性,选择合理的系统结构及参数,在最大程度上避免设计的盲目性,提高试验的一次成功率,缩短研制周期、节约研制成本。这种利用计算机仿真技术进行辅助设计的方法已成为电力电子研究领域的发展方

收修改稿日期:19992122

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向。本文介绍了使用SABER软件对四象限变流器PWM双闭环控制系统进行计算机仿真的过程,并给出了仿真波形及相对照的部分实际试验波形。

1　SABER简介

SABER是美国ANALOGY公司开发的一种可

用于电力电子、自动控制、光电、电磁、机械、液压、热工等领域的计算机仿真软件。从结构上看,它主要由3部分组成:SABERSKETCH、SABERGUIDE和SABERSCOPE。SABERSKETCH用于以图形方式输入被仿真的系统;SABERGUIDE把输入的系统当作一个网络,首先通过网络列表(Netlist)提取系统的结构信息,然后通过直流分析(DCAnalysis)得到系统的静态工作点,在此基础上再对系统进行时域(TimeDomain)及频域(FrequencyDomain)范围内的各种分析;当对系统完成分析计算后,便可用SABERSCOPE观看所有变量的波形,并对波形进行各种分析运算。

SABER的优点可概述如下:(1)SABER秉承了模块化、自顶向下、层次化(Hierarchy)的设计思想,增强了设计的科学性,提高

了设计效率。

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电力电子与电力传动

第3期　　　　　　　　　　　李　波:四象限变流器PWM双闭环控制系统的计算机仿真　　　　　　　　　　　　　　　

(2)SABER具有丰富的模型,它的模型库中包括

了电力电子、机械、液压等领域的各种常用模型。同时,SABER还给用户提供了一个硬件级的建模语言MAST。使用MAST语言,可以方便地构造出自己的

　　由四象限变流器的瞬时

功率平衡公式uNiN=UdId可以看出,四象限变流器对能量的控制实际体现在对iN的控制上,对Ud和功率因数的控制最终都是通过控制iN来实现。

根据图1可画出四象限　　　图2　Υ=0时四象限变

　　　　流器输入回路矢量图

变流器输入电路矢量图(见→→

　　(Υ为UN与IN1的相位差角)

图2)。

根据图2,→οUN=jΞLIN1+NS1(1)→οοLjIN1RRIN1N;

US1——US的基波分量;

→

模型。

(3)SABER提供了强大的系统分析功能。设计者可以从各个方面对系统进行考察。在时域方面有直流分析(DCAnalysis)、瞬态分析(TransientAnalysis)等;在频域方面有傅立叶分析(FFT)、频响分析(Small2SignalFrequencyAnalysis)、畸变分析(Small2SignalDistortionAnalysis)等。SABER还可用于应力

分析(StressAnalysis)及统计学方面的蒙特卡罗分析(MonteCarloAnalysis)。SABER还有一个非常实用的分析功能——参数敏感性分析(ParametricSensitivityAnalysis),利用这种分析功能,对系统特性的影响,(4)SAB,、、、液压等数个不同。这种强大的混合仿真能力其实是SABER的最大优点。

US1 =K Ud,K为调制比。

从图2及式(1)可以看出,在UN、IN1、US13个量中,US1是控制对象,通过对US1的控制可达到对IN1的控制。在控制过程中只要保持矢量UL与UN的正交,就可保证电网的基波功率因数等于1。

四象限变流器PWM双闭环控制正是基于此原理实现的。以Ud给定值与反馈值之差作为电压调节器的输入,以Υ给定值与反馈值之差作为相位调节器的输入,2个调节器的输出经PWM调制对矢量US1进行控制,达到稳定Ud和保证Υ=0的目的,从而实现电压、相位双闭环控制。图3为控制系统的原理框图

。

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→

2　四象限变流器PWM双闭环控制原理

四象限变流器PWM双闭环控制系统的工作原理及各种参数的计算方法在文献[1]和[2]中已做了详尽论述,在此仅对四象限变流器PWM双闭环控制原理做一简述。

四象限变流器主电路的原理电路如图1所示。四象限变流器作为交直交传动系统中的电网侧变流器,其实质是交流电网与直流中间回路进行能量交换的中间介质。当负载增加时,它从电网吸取更多的能量供给直流侧;当负载减小时,它将直流侧多余的能量返送给电网;当由牵引转入再生时,它使直流侧由从电网吸收能量变为向电网输送能量,反之亦然。在对能量的这些控制过程中,四象限变流器通过PWM双闭环控制算法来实现维持直流中间电压稳定,使电网功率因数接近于1,电网电流波形接近于正弦等控制特性

。

图3　四象限变流器PWM双闭环控制系统原理框图

3　计算机仿真

3.1　仿真系统构成

整个仿真系统由主电路及控制电路构成。主电路根据图1来构建。交流侧使用理想交流电压源,因为进行的是系统级仿真,所以对GTO元件做了合理简化,

图1

　四象限变流器主回路原理电路图

将其近似为理想开关。主电路中的电阻、电感、电容器、理想开关、交流电压源等均采用SABER提供的模型。

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电力电子与电力传动

机　　车　　电　　传　　动

2000年

制器。当直流中间电压快速上升,四象限变流器来不及将其调回给定值时,直流中间电压动态过压限制器工作,通过斩波限压的方式,将直流中间电压限制在保护值以下,协助四象限变流器将直流中间电压调回到给定值上。3.2　仿真策略

:uN=1200Ud为2600V,

1200W。

在仿真过程中,用在直流侧投切电阻的方法来模

拟负载的突变。负载分3次投入,每投入1个电阻,系统输出功率升高400kW,第3个电阻投入后,系统输出功率升为1200kW。然后,将3个电阻一起切除,与此同时,将一 …… 此处隐藏：3864字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……