電壓源型SPWM逆變器_異步電機系統(tǒng)發(fā)電工作原理的研究

1、電機電器技術電機電器技術22003年第2期電壓源型SPWM逆變器異步電機系統(tǒng)發(fā)電工作原理的研究PrincipleanalysisoftheelectricitygenerationofSPWMconverter-inductionmotorsystem辛凱,馬志源(華中科技大學,武漢430074)摘要:分析了電壓源型SPWM逆變器異步系統(tǒng)發(fā)電的基本工作原理以及當異步電機從電動進入到發(fā)電運行時逆變器從無源逆變狀態(tài)轉換到將電機的發(fā)出的能量轉送到直流側這種類似于整流的工作狀態(tài)的根本原因。最后通過Matlab軟件進行仿真驗證了理論的正確性。關鍵詞:逆變器;SPWM;異步發(fā)電機;電動汽車Abstract

2、:Thispaperanalyzestheprincipleoftheelectricityof-motorsystem,anddiscussesthereasonthatthewinverterisinmotormodewhileworksasrectifierwhenthe,thetheoryisverifiedbythesimulationresults.Keywords:inverter;SPWvehicle1前言,DC-AC逆變器技術的迅猛發(fā)展,使得逆變器電機系統(tǒng)用于混合動力電動汽車成為可能。籠型異步電機具有結構簡單、堅固、價廉、維護方便和功率密度高等突出優(yōu)點。異步電機作為可逆電機能

3、作發(fā)電運行。在采用電力電子裝置與異步電機結合的系統(tǒng)中,需發(fā)電運行時則要求的逆變器必須能雙向控制能量傳遞。目前電動控制技術已有比較成熟原理分析,本文主要討論電壓源型SPWM逆變器異步發(fā)電系統(tǒng)的工作原理。2異步發(fā)電機的基本工作原理異步電機作電動運行時轉速n低于同步轉速n1。如果去掉負載,采用一臺原動機拖動異步電機,當電機轉速升至大于同步轉速時,轉差率s為負,由異步電機的基本公式:U1=E1+P1Z1=-E1+P1(R1+jX1)E2=P2(+jX2)sP1=Pm+P1L=Pm+(-P2)E1=E2E1=-PmZm(1)電機發(fā)電運行控制技術作為混合動力電動汽車關鍵技術之一,應用十分廣泛。例如混合動力

4、汽車發(fā)電機、電動機制動時的能量回饋以及新型的起動發(fā)電一體化電機(ISA/ISG)等,都涉及到發(fā)電的問題。因此發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能和效率直接影響到電動汽車的總體性能。本文對電壓源SPWM型逆變器異步電機的發(fā)電工作原理進行了分析,并深入探討了逆變器在電機電動運行和發(fā)電運行時能量傳輸方向相反的根本原因,由此得出系統(tǒng)發(fā)電運行的基本控制策略?？傻卯惒桨l(fā)電機的向量圖如圖1所式。需要注意的是此時磁場切割轉子導體的方向與電動狀態(tài)時相反,導體內的感應電動勢和電流的有功分量也改變了方向,在定轉子合并的向量圖中轉子向量應疊加轉子的轉速,所以轉子電流I2旋轉方向不變但相位反而應超前<m=(90°+2

5、)角度,其中2為空間矢量P2與-E1之間的相位差。由于s<0,電機的電磁功率Pem=2m1I2<0s(2)電機電器技術電機電器技術2003年第2期3臂的開關狀態(tài),控制施加到電機上的電壓,交流電機驅動中常用的SPWM實現方法有規(guī)則采樣法和空間矢量調制法。本文將采用線性調制規(guī)則采樣法的電壓源型SPWM逆變器。圖1異步發(fā)電機向量其中m1為相數。電機進入發(fā)電運行狀態(tài)。實際上但只有當|Pem|大于電機的鐵耗、定子銅耗等損耗之和時,電機才能從真正發(fā)出電回饋電源,下面本文中所說的發(fā)電沒有特殊說明都是指的這種情況。此時定子電壓U1與電流I1的相位差<,有功功率1滿足90°1<

6、180°1<0P1=m1U1I1cos1>P2=1。)(4)圖2三相電壓型PWM3(a)為雙邊,一個PWM周期采,PWM脈沖的上升沿和下降沿在采樣點兩側。以一相為例,設三角載波的周期為(k),則由三Ts,采樣時刻正弦調制波值為u(k)和u角形的相似性可得:()=uTs()=2UTs3電壓源型逆變器異步電機系統(tǒng)發(fā)電原理傳統(tǒng)的不帶變頻器的異步發(fā)電機有直接并聯電網運行和在定子端并聯電容器自勵運行兩種運行方式。而當異步電機用在電動汽車這種原動力和轉速變化大,特別既要作電動又要作發(fā)電運行的場合時,就要求采用能量雙向傳輸都可以控制的變頻調速系統(tǒng)。現在電動汽車用的電機多采用電壓源型PW

7、M逆變器供電,因此下文將重點分析電壓源型逆變器異步電機系統(tǒng)發(fā)電的工作原理。電壓源型逆變器的中間直流環(huán)節(jié)采用電容儲能,電壓不能反相,發(fā)電運行時直流電流方向與電動時相反,其主電路如圖2所示。設Sa、Sb、Sc分別表示橋臂a、b、c的開關狀態(tài),例如Sa=1表示橋臂a上邊的開關V1閉合下邊的開關V4斷開,Sa=0則相反,同一橋臂上下兩個開關交替通斷,處于互補工作狀態(tài),這樣SPWM逆變器的開關狀態(tài)共有8種:(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)。SPWM的控制就是通過改變逆變器三個橋(5)圖3規(guī)則采樣法雙邊不對稱調制原理整理得Tk=-44UTk=+

8、44U(6)電機電器技術電機電器技術42003年第2期三相調制時,不妨設此時uA>uC>uB,如圖3(b)所示,由式(6)可以得到各相PWM波上升沿和下降沿所在的時間TA(k)=TB(k)=TC(k)=()-44U()-44U()-44U(7)T7=T0=T4=()44U()()4U()()T5=4U(9)()+44U)、)分別表示開關狀態(tài)(000)、其中T0(T0T7(T7由式(7)可得到逆變器各開關狀態(tài)的作用時間:T0=-44UT4=()()4U(111)的作用時間,在這兩種狀態(tài)下直流側電流Id=)表示開關狀態(tài)(100)的作用時間,在這種狀0;T4(T4態(tài)下直流側電流id=iA

9、;T5(T5)表示開關狀態(tài)(101)()()T5=4UT7=+44U(8)的作用時間,在這種狀態(tài)下直流側電流id=iA+iC=-iB。從圖3(b)uA>uC>uB不變,(100)(101)()(,0457540,同理可得表1Idt3090°150°210°210°270°270°330°330°390°AuC>uBuA>uB>uCuB>uA>uCuB>uC>uAuC>uB>uAuC>uA>uB開關模式04575400467640

10、0267620023732001373100157510直流側電流Id0iA(-iB)00(-iB)iA0iA(-iC)00(-iC)iA0iB(-iC)00(-iC)iB0iB(-iA)0(-iA)iB00iC(-iA)0(-iA)iC00iC(-iB)0(-iB)iC0以30°<t<90°區(qū)間為例進行分析,在這個區(qū)間里uA>uC>uB,開關模式為(000)(100)(101)(111)(101)(100)(000),IiAd沿著軌跡0(-iB)0變化,其波形如圖4所0(-iB)iA示。由式(8)可以得到(tk,tk+0.5)區(qū)間(如圖3(b)所示

11、)內狀態(tài)(100)的保持時間)()()(10)T4=-4U4U當載波比很大時,可近似認為此時直流側電流等于iA在采樣點tk的瞬時值,即id1T5=()()()=4u4u(12)此時直流側電流itk-120°-d2=-iB=-Imsin(1)由式(10)(13)可得:id1T4+id2T5=(13)1Icos8Um(14)可以看出id1TA+id2TC值與k無關,而(000)(111)狀態(tài)時id=0,故一個三角波周期內id的平均值Id=2(id1T4+id2T5)/Ts=iA(tk)=Imsin(tk-1)(11)(tk,tk+0.5)區(qū)間內狀態(tài)(101)保持時間1Icos4Um(30

12、°)(15)<t<90°電機電器技術電機電器技術2003年第2期5電流Id<0,直流側功率為負,這時能量傳遞的方向發(fā)生了變化,電機進入發(fā)電狀態(tài),變換器將把電機側的能量傳送到直流側。4電壓源型逆變器異步電機系統(tǒng)發(fā)電控制策略的簡介由上面對系統(tǒng)發(fā)電工作原理的分析可以看出逆變器在系統(tǒng)發(fā)電運行時的工作模式與電動運行是一致的,仍然工作在SPWM方式,只需要采用相應的發(fā)電控制策略使電機運行在發(fā)電狀態(tài),逆變器就能將電機發(fā)出能量傳送到直流側。按照主控量的不同,本文將發(fā)電控制策略分為三類:(1)他控式變頻發(fā)電控制策略他控式變頻發(fā)電控制策略把逆變器輸出的頻率f1作為主控量,控制

13、f1f使,U1作f1。圖430°<t<90°區(qū)間直流側電流波形由上述結論,在30°<t<90,0°<90°時,如圖4(b)I;當時,4°(c)所示I<,如圖4(d)所示Id<0。1其它5Id值,結果發(fā)現Id,(15)成立。當0°<時,如直流電流Id>0,電壓源逆變器直1<90°流電壓Ud不變,有功功率從直流側傳輸到電機側;當時,如直流電流Id=0,忽略電機的損耗,1=90°這時直流側和電機之間沒有有功功率的交換,逆變器從電源側提供給電機運行所需的

14、無功功率,該無功功率由直流側電容Cd提供;90°<1<180°時直流s作為主控s小于0。(3)矢量發(fā)電控制策略矢量發(fā)電控制策略將M、T坐標下的定子電流的兩個分量im1和it1作為主控量,其中轉矩電流分量it1在矢量發(fā)電控制策略中為負值,在空間上比勵磁電流分量im1滯后90°。5仿真為了驗證上述結論,采用了Matlab軟件對圖2系統(tǒng)建立了仿真模型(如圖5所示),進行了仿真,結果仿真所得電機電動運行和發(fā)電運行時Id波形分(b)所示,與上文的分析結果相符。別如圖6(a)、圖5系統(tǒng)仿真模型框圖電機電器技術電機電器技術62003年第2期無刷直流電動機無傳感器控制

15、集成電路譚建成(廣州電器科學研究院,廣州市510300)近年,無刷直流電動機無傳感器控制技術應用日漸增多,例如家用電器領域在變頻空調器、變頻冰箱中的無刷直流壓縮機、無刷直流貫流風機的控制,計算機信息產業(yè)的硬盤驅動器、軟盤驅動器、數字攝象機、CD、MD驅動器等。利用無傳感器控制技術,無刷直流電動機內不必安放專門的轉子位置傳感器,從而有簡化電動機結構、減少電動機尺寸、減少引線數目等優(yōu)點,進而降低電動機成本。解決了霍爾元件在變頻壓縮機內因溫度過高不能可靠工作的問題。為此,各國知名的半導體公司先后推出了許多無刷直流電動機無傳感器控制集成電路們結合研究工作,收集了相關信息,品向讀者介紹,1TB6520P

16、PWM型三相全波無傳感器電動機控制器1.1概述TOSHIBA的TB6520P是一個PWM斬波型三相全波無傳感器無刷直流電動機控制器。當連同TA8483CP使用的時候,可組成一個30V、1.5A以下完整的PWM型無傳感器無刷直流電動機驅動器,控制驅動。1.特征MPWM驅動占空比由模擬輸入控制(內置7位A/D轉換器)(a)電動時id仿真波形(b)發(fā)電時id仿真波形圖6電流id仿真波形6結論本文對電壓源型SPWM逆變器異步發(fā)電系統(tǒng)的工作原理進行了分析,得出了當電機由電動狀態(tài)轉換為發(fā)電狀態(tài),逆變器的能量轉送方向改變的根本原因是電機定子電壓與電流相位差功率因素角1大小的改變,而與逆變器的工作模式沒有直接的聯系這一結論。系統(tǒng)逆變器由無源逆變轉換到將電機的發(fā)出的能量轉送到直流側