雙向四象限控制及應用技術

1、雙向四象限控制及應用技術、概述電力電子電路是指由半導體電力電子器件組成的電路，隨著技術進步已發(fā)展了多種電力電子電路，按變換功能可分為直流變換電路（DC/D。、交流變換電路（AC/AQ、整流電路（AC/D。、逆變電路（DC/AQ,按控制方式可分為相控式、頻控式、斬控式、組合式，按電能流傳方向可單向電路、雙向電路，按電隔離能力可分為隔離型與非隔離型，按開關環(huán)境可分為電硬開關電路與軟開關電路。所有的電力電子電路均包含功率電路與控制電路兩部分，功率電路又稱主電路，它依靠功率器件的開關性能和電路結構實現(xiàn)電能變換；控制電路是根據(jù)采用的控制策略和工具對控制信號（含主控和反饋等信號）進行必要的加工處理以形成功

2、率器件控制極信號，實現(xiàn)對電能的變換與控制，隨著PID（功率集成器件）和PIC（功率集成電路）的發(fā)展，這兩部份電路無論在制作工藝和電路結構等方面日益緊密相連。單向電路是指電能只能從電路的輸入端向輸出端負載輸送的電路，如直流變換電路中的單象限電路；相反雙向電路的電能則可在電路出入端之間來回流傳。如直流變換電路中的多象限電路。若忽略電路內耗，電路出入端的功率平均值應相等。但功率瞬時值并不對應，也即出端功率平均值為正，其瞬時值在某些時區(qū)可為負，存儲在負載中的能量在該時區(qū)中經(jīng)電路反饋到電源；對于帶有源負載的直流變換電路，負載功率瞬時值為負不止是載波周期的某些時區(qū)，而是持續(xù)一段時間，例如車輛減速制動過程的

3、大部分時間。若電路具有雙向功能，則負載多余的能量將經(jīng)是電路反饋到電源。在該過程中，電路出入端功率平均值皆為負。無論從提高電路性能和節(jié)能等方面，雙向電路均優(yōu)于單向電路。隨著技術的進步，雙向電路的應用日廣。單象限、雙象限、四象限控制的特點：1、當變換電路出端電壓和電流只維持一種極性時稱為單象限電路，若負載為直流電動機，則僅能運行于正轉電動狀態(tài)，構成不可逆調速系統(tǒng)。2、若出端電壓或電流平均值極性為可變時稱為雙象限電路，若負載為直流電動機，則可工作于電動和制動雙種狀態(tài)。3、若變換電路出端電壓和電流平均值極性均為可變時稱為四象限電路，若負載為直流電動機，則可工作于正、反轉電動和制動狀態(tài)，構成直流可逆調速

4、系統(tǒng)。單象限電路是最基本的電路。而多象限電路是利用不同拓撲的單象限電路復合而成，例如電流雙象限電路是利用兩個不同的單象限電路復合而成等。雙向四象限技術已成功應用于直流調速系統(tǒng)、有源電力濾波器、UPS變頻率器等領域，利用雙向電路的四象限控制實現(xiàn)節(jié)能、改善電能質量、復雜控制應用等要求。使產(chǎn)品具有效率高、成本低、體積小、功能強等優(yōu)點。I1二、直流調速系統(tǒng)中的應用可逆直流調速系統(tǒng)帶反抗型負載，具轉矩特性如圖1所示，反抗性負載轉矩是恒轉矩負載的一種常見形式，是由摩擦阻力產(chǎn)生的轉矩，故又稱摩擦轉矩，其特點是不管運動方向如何，具轉矩與電動機轉速包保持同號，即始終是制動轉矩，常見的生產(chǎn)機械中如起動機的行走機構

5、等。圖1轉矩特性雙極性PWM四象限橋式電路帶他激式直流電動機負載時的開環(huán)轉速公式可表小為：(2D-1)|no-10ro/Ce小(1)n=<、(2D-1)no+Ioo/Ce(|)(2)式(1)適用于第一和第四象限(Io>0):當0.5<D<1時，電路工作于第一象限，電動機運轉于正轉電動狀態(tài)；當0<D<0.5時，電路工作于第四象限，電動機運轉于反轉制動狀態(tài)。式(2)適用于第二和第三象限：當0.5<D<1時，電路工作于第二象限，電動機運轉于正轉制動狀態(tài)；當0<D<0.5時，電路工作于第三象限，電動機運轉于反轉電動狀態(tài)。三、有源電力濾波器(A

6、PF)中的應用各種非線性負載應用日益廣泛，電網(wǎng)中的無功功率和諧波污染已經(jīng)成為一個非常嚴重的問題。為了消除無功和諧波對電網(wǎng)造成的污染，有源電力濾波器(APF)得到了飛速發(fā)展，其主電路就是雙向四象限運行。其采用的控制方法主要分為三角載波線性控制、滯環(huán)比較控制、無差拍控制3種類型。這些方法均存在一定的缺陷，如三角載波的波形畸變，滯環(huán)控制開關頻率變化以及畸變電流檢測的快速實時響應等。隨著微機控制技術的不斷發(fā)展以及數(shù)字信號處理器(DSP運算速度的不斷提高，無差拍控制法，單周控制法及其他快速優(yōu)化控制法將在APF中得到進一步的應用。單周控制法作為一種非線性控制法，最早由美國學者KeyueM.Smedley和

7、SlobodanCukg出。其基本思想是：控制開關的占空比，使每個周期內開關量的平均值與控制參考信號相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。目前已成功地應用到DC-DC變換、音頻開關放大器、功率因素校正和有源電力濾波器等。本文所提出的基于DSP的單周控制有源電力濾波器不僅結構簡單可靠，而且具有很好的動態(tài)和靜態(tài)補償特性及控制器簡單的優(yōu)點?？闺娫锤蓴_能力強，魯棒性好。1.單周控制單周控制原理如圖1所示，它由控制器、1個比較器、1個可復位積分器及時鐘組成，其中控制器可以采用RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器。開關K,K1為一對互補的開關，頻率為fs=1/Ts。在每一個周期開始，即t=0時，時鐘信號到，開關K閉合

8、，K1斷開，輸出y的波形和輸入x的波形相同，積分器由0開始積分。在t=dTs時(其中d為占空比，d=Ton/Ts,根據(jù)模擬控制參考vref調制，且0<d<1),積分器的輸出Vint達到給定參考電壓Vref時，比較器輸出發(fā)生變化，使K斷開，K1閉合，積分器復位。等到下一個周期開始的時候，又重復前面的動作。因1單月按削原理圖從圖1中可以看出，輸人信號x(t)被開關斬波形成輸出信號y(t),輸出信號y(t)的頻率和脈寬是與開關函數(shù)一致，而輸出信號y(t)的包絡線與輸人信號x(t)一致。占空比D為模擬控制參考信號Vref所調制，從而達到對控制變量平均值進行控制的目的。2、主電路分析與控制量

9、關系圖2為包括電源電壓US非線性負載、電壓源型變換器以及DSP單周控制器構成的單相并聯(lián)型APF主電路，其中L為輸出濾波電感；C為儲能電容；RS為電流取樣電阻。IS2單周掛制宥源電力冷波注轉相挺圖如果圖2中開關S1,S2,S3和S4采用單周控制器輸出的調制脈寬波進行控制，并分別設開關S1,S2在一個時鐘控制周期中導通的占空比為di和d2;相應地開關S3,S4在一個單周期內開通的占空比則分別為（1-d1）和（1-d2）。APF工作時能量在交流電源和APF直流側電容之間交換，故變換器應工作在四象限。在電源電壓US的正半周，開關S4應該始終開通，同時S2則始終關閉，開關S1,S3由脈寬調制波控制其互補

10、開閉；在電源電壓US的負半周，開關S3應該始終開通，同時S4則始終關閉，而S1,S2由脈寬調制波控制其互補開閉。根據(jù)單周控制原理，由圖2可知，在一個單周期內有下式（1）:,出=其中Ts為開關周期。由于在一個單時鐘周期內，電容電壓uc、電源電壓us和電感電壓uL均可以視為常數(shù)，可以被提到積分號外面，因此可得：d=3上+uL*4必=-(us+ui)由于出«兄，忽略其影響.則式（2）又可寫為:(3)式（3）就是主電路中交流電壓與變換器直流側電壓的關系。然而，式（3）似乎表明直流電壓等于交流電壓。實際不然，式（3）所表示的實際上是在一個時鐘控制周期內，交流電壓與直流電壓的關系。3控制模型在A

11、PF控制下，從電源角度看，APF與非線性負載并聯(lián)后構成的總負載應該有單位功率因數(shù)，即單周控制APF的控制目標就是使電源的總負載呈電阻性，即電路應該滿足下式:5=Rj<4）式（4）中5為電源電壓f為電源中電流它應是具有單一頻率的正弦電流且與U同相位，足為總的等效負載電阻把式（4）代人式（3）可得：d1-RJri</；urh兄3（5）上式兩端同乘采樣電阻RJR并令：£=R.ut/Rt（6）則有tducR34dMRjj（7）式（6）即為單相并聯(lián)型APF的單周控制模型。在式（7）的控制關系成立時，電路中的電壓電流關系也必然使式（4）成立，即使電路具有單位功率因數(shù)。式（7）中u&#

12、39;c實際上可以對變換器直流側電容電壓做適當分壓并經(jīng)過比例調節(jié)器得到，而Rs為與電源串聯(lián)的取樣電阻。同時，式（7）的單周控制模型表明：對電容電壓的分壓值進行積分，積分輸出與式（7）右邊的Rsis或-Rsis進行比較，根據(jù)比較結果來決定是否使積分器復位，即決定開關的占空比。由以上分析及式（7）可得到圖3的單相并聯(lián)型APF單周控制模型。該模型采用2個獨立復位積分器分別滿足式（7）中2個式子的比較量需要。積分器的積分時間常數(shù)應滿足下式：因此可以得到枳分器的積分時間常數(shù)O口.力=。=。（9）由式（7給出的控制關系所得該模型的單冏控制波形示意圖見圖3,從圖3可見T的正、負半周中蛤終存在由此=。和4處=

13、口（10）故L正半周期間應始終為S.開通&關Wh負半周期間應始終與開通，號關用。三、在變頻器中的應用在上個世紀80年代末，交流變頻調速逐漸登上了工業(yè)傳動調速方式的歷史舞臺。變頻調速在調速范圍、調速精度、控制靈活、工作效率、使用方便等方面都有很大的優(yōu)點，這使變頻調速成為最有發(fā)展前途的一種交流調速方式。普通的變頻器大都采用二極管整流橋將交流電轉化成直流，然后采用IGBT逆變技術將直流轉化成電壓頻率皆可調整的交流電動機。這種變頻器只能工作在電動狀態(tài)，所以稱之為兩象限變頻器。由于兩象限變頻器采用二極管整流橋，無法實現(xiàn)能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)。在一些電動機要回饋能

14、量的應用中，比如電梯，提升，離心機系統(tǒng)，只能在兩象限變頻器上增加電阻制動單元。將電動機回饋的能量消耗掉。另外，在一些大功率的應用中，二極管整流橋對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的諧波污染。IGBT功率模塊可以實現(xiàn)能量的雙向流動，如果采用IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的DSP產(chǎn)生PWM控制脈沖。一方面可以調整輸入的功率因數(shù)，消除對電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為綠色產(chǎn)品”。另一方面可以將電動機回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng)，達到徹底的節(jié)能效果。吉納電機自2001年開始進行四象限變頻器開發(fā)和研制工作。到目前已經(jīng)形成380V、660V兩個系列功率等級的成熟的產(chǎn)品和技術，并廣泛應用于煤礦和油田領域。1、四象限變頻器的

15、工作原理四象限變頻器的電路原理圖如圖1所示。當電機工作在電動狀態(tài)的時候，整流控制單元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側的6個IGBT的開通和關斷。IGBT的開通和關斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流橋產(chǎn)生的6K±1諧波。功率因數(shù)高達0.99。消除了對電網(wǎng)的諧波污染。此時能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機，變頻器工作在第一、第三象限。輸入電壓和輸入電流的波形如圖2所示。圖2輸入電壓和輸入電流的原形當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側的二極管回饋到直流母線，當直流母線電壓超過一定的值，整流側能量回饋控制部分

16、啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達到節(jié)能的效果。此時能量由電機通過逆變側、整流側流向電網(wǎng)。變頻器工作在二、四象限。輸入電抗器的主要功能是電流濾波?；仞侂娏骱碗娋W(wǎng)電壓波形如圖3所示：圖3回饋電流和電網(wǎng)電壓波形2四象限變頻器的系統(tǒng)構成主回路的構成：預充電電路，輸入電抗、智能功率模塊，電解電容和輸出電抗。各部分的功能列舉如下：預充電電路：由交流接觸器、功率電阻組成及相應的控制回路。主要功能是系統(tǒng)上電時，完成對直流母線電容的預充電。避免上電時強大的沖擊電流燒壞功率模塊。輸入電抗器：電動狀態(tài)下起儲能作用，形成正弦電流波形?；仞仩顟B(tài)下，起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分

17、。智能功率模塊：整流側和逆變側IGBK隔離驅動、電流檢測以及各種保護監(jiān)測功能。電解電容：儲能，濾波。輸出電抗：降低輸出dv/dt,對電機起到一定的保護作用。3、整流部分整流部分主要是實現(xiàn)有源功率因數(shù)校正與有源逆變放電這個雙向功能，實現(xiàn)四象限工作，系統(tǒng)控制方框圖如圖4所示。POSilT國由f上£R+SHitch5®-Foitntvnifk區(qū)*uNS(O(uNhuj訓rOritiSiSUL-JHe中已除hfflMk就PBfStLvitekET-*-4整流部分系統(tǒng)控制方框圖如圖4所示，系統(tǒng)的給定是直流母線電壓指令，這個指令與直流母線電壓反饋的誤差送到電壓環(huán)的PI調節(jié)器。電壓環(huán)的P

18、I調節(jié)與三相輸入正弦波的乘積成為三相電流的指令，三相電流指令與各自電流所饋作比較，誤差送到電流環(huán)的PI調節(jié)器。電流環(huán)PI調節(jié)器的輸出可以通過載波調制產(chǎn)生各相IGBT的PWM控制信號，也可以通過空間矢量的方式產(chǎn)生PWM信號控制IGBT上述的運算都是通過DSP完成的。4、四象限變頻器的典型應用四象限變頻器的典型應用是具有位勢負載特性的場合，倒如掉開機，機車牽引，油田磕頭機，離心機等。以提升機的應用為倒，當提升重物時，四象限變頻器拖動電機克服重力做工，電動機處于電動狀態(tài)。當下放重物時，逆變側產(chǎn)生勵磁電流，重力牽引電機發(fā)電，電動機處于發(fā)電狀態(tài)。勢能轉化為電能通過整流側回饋的電網(wǎng)，實現(xiàn)節(jié)能。采用帶有PW

19、M控制整流器變頻器具有四象限運行的功能，能滿足各種位勢負載的調速要求，可就電機的再生能量轉化為電能送回電網(wǎng)，達到最大限度的節(jié)能的目的。不僅如此，它還可減少電源的諧波污染，功率因數(shù)可接近于1,是一種真正的綠色”變頻器。四、在不間斷電源（UPS）中的應用UPS460年代問世以后，經(jīng)過20多年的發(fā)展和應用，技術已趨于成熟和完善，然后在逆變技術和供電系統(tǒng)方面仍有新的發(fā)展，法國梅蘭日蘭公司的GALAXYUPS0德國Pillar公司的靜態(tài)/旋轉型UPS引起了人們的注意。GALAXYUPS梅蘭日蘭公司1992年底推出的單機容量為40300KVA的UPS產(chǎn)品，可6臺并聯(lián)運行，輸出1200KVA其中三相逆變器采

20、用雙極型晶體管和PWM技術，選用6個橋臂逆變電路（常規(guī)電路為3個橋臂），不需要晶體管并聯(lián)，每兩個橋臂構成一相，每相輸出電壓調節(jié)互相獨立，其電氣性能和可靠性有明顯提高，而且?guī)Х蔷€性負載能力強。由于削波頻率、削波方式和晶體管控制方法采用獨特的設計方法，有效地減小了晶體管開關損耗，整機效率在40%95%額定負載的范圍內達到了95%。Pillar公司的靜態(tài)/旋轉型UPS的供電系統(tǒng)新穎，綜合了傳統(tǒng)靜態(tài)UPS和旋轉UPS的優(yōu)點，克服了靜態(tài)UPS過載能力差和旋轉UPS體積大、笨重的缺點。該UPS采用整流器、蓄電池、逆變器和一個旋轉變壓器（即交流電動機與交流發(fā)電機的組合體），平時由旋轉變壓器向負載供電，可提供

21、23倍額定電流的過載能力。逆變器故障時，由于旋轉變壓器具有慣性可繼續(xù)發(fā)電，故向旁路電源轉換過程中對系統(tǒng)輸出電壓影響很小，保證了真正的不間斷供電。目前實際應用的UPS絕大部分都屬于傳統(tǒng)靜態(tài)UPS系統(tǒng)，傳統(tǒng)靜態(tài)UPS系統(tǒng)至今已使用20多年，技術成熟、運行可靠，但在UPS內部需要經(jīng)過整流、逆變二級變換，故輸入諧波電流較大，效率較低。而近年來國外研制的單極變換UPS已成為UPS系統(tǒng)的一次革命。該單級變換UPS是由四象限逆變器、蓄電池和電感組成的，由市電經(jīng)電感直接為負載供電。在供電過程中，通過對逆變器輸出電壓和逆變器相對市電相角的調節(jié)，實現(xiàn)對UPS系統(tǒng)輸出電壓的調節(jié)以及對逆變器從電網(wǎng)吸收有功電流的控制，

22、從而保證了UPS系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定和對蓄電池的充電（注：當電網(wǎng)電壓與逆變器電壓相等而相角超前于逆變器時，有功功率會從電網(wǎng)經(jīng)逆變器流入蓄電池，給蓄電池充電）。如市電停電，則由蓄電池放電給逆變器，由逆變器向負載供電。實現(xiàn)UPS的雙向流動。單級變換UPS系統(tǒng)效率可達97%,系統(tǒng)取消了整流器，無輸入諧波電流，所以對電網(wǎng)和油機的影響小。目前這種UPS產(chǎn)品容量，單相為0.510kVA,三相為100200kVAUPS系統(tǒng)逆變技術方面。從采用器件到控制方法均在不斷更新。逆變器采用的器件有SCRGT。雙極型晶體管、MOSFETIGBT等，其中雙極型晶體管和MOSFET目前應用最多，90年代以來，中小功率的UPS開始采用IGBT目前實際應用的逆變器大多采用PWM技術，近年來采用零電壓轉換和零電流轉換的LC諧振式逆圖1四象限逆變器控制原理雙向四象限逆變器控制的特點：電網(wǎng)側電流正弦化及單位功率因數(shù)，大大節(jié)省電能；既能充電又能放電；可以實現(xiàn)恒壓、恒流；按時調定充放電功能；一般采用瞬時電流PWM辦法。雙向四象限控制技術已廣泛應用于有源電力濾波器、變頻器、直流可逆調速系統(tǒng)等領域，隨著UPS相關DSP數(shù)字控制技術的發(fā)展，UPS呈現(xiàn)小型化、全數(shù)字化、高頻化、高效率、智能化的發(fā)展趨勢，四象限控制技術應用于UPS