雙PWM變頻調速系統研究與設計

張駿華

（上海阿爾斯通交通設備有限公司，上海201100）

0 引言

異步電機調速系統發展迅速，在工業、農業和科研等領域發揮了非常重要的作用。交流系統中，電流轉換器的結構都采用交直交結構，二極管組成整流部分，可控開關器件組成逆變器，這是一種普遍采用的控制結構。但由此引起的整流器電流波形失真和諧波污染已經成為越來越嚴重的問題。雙PWM變頻器指的是采用全控型開關器件的逆變器和整流器，運用PWM的整流技術方案對系統進行控制，確保網側的電流大概是正弦波的形式，保證整流環節以單位功率因數運行，而且能夠實現能量在雙方向上進行流動。

本文設計雙PWM調速系統，仍然采用交直交結構，用PWM可控整流器取代二極管不可控整流器。這種新型結構具有很多優勢，比如可以實現能量再生利用和交流電機的四象限運行等。

1 雙PWM變頻調速系統的原理和結構

雙PWM調速系統硬件結構如圖1所示，主要有兩部分：PWM整流器和PWM逆變器。前端電網側包括PWM整流器、電路的等效電阻R以及電路的電感L，中間部分的直流側由濾波電容組成，后端部分由異步交流電動機和PWM逆變器所組成。DSP產生的PWM波對整流橋開關管進行控制，電網側的輸入電流就接近于正弦波，實現了單位功率因數。對產生的高次諧波進行濾除，就可以消除對電網的諧波污染。后端逆變側通過以DSP為核心建立的控制系統對電機進行矢量控制。

圖1 雙PWM變頻調速電路系統結構示意圖

雙PWM調速系統的Matlab仿真結構框圖如圖2所示。該Matlab仿真模型運用模塊化的結構設計方式，該三相雙PWM交直交可逆四象限調速系統一共設計了電容器模塊、網側端的電感器模塊、三相PWM逆變的主電路結構模塊和三相PWM整流的主電路結構模塊四個模塊。逆變器模塊和整流器模塊都采用SVPWM對三相PWM進行控制，從而確保電機能在四象限運行以及能量可以雙方向流動。

圖2 雙PWM變頻調速系統的Matlab仿真結構圖

在具有兩個PWM的調速系統中，VSR的結構與PWM逆變器類似。VSR具有驅動直流電機進行調速的功能，三相PWM逆變具有驅動交流電機進行調速的功能，兩部分結合起來構成三相雙PWM交直交可逆四象限調速系統。由此可見，雙PWM變頻調速系統是PWM整流和PWM逆變的變頻調速技術的聯合。

圖2中通過展示雙PWM調速系統中主電路組成的各個模塊，清晰地展示了控制系統的結構和思路，該系統采用矢量控制策略，VSR運用基于5 kHz的固定開關頻率。電流控制方法可以調節兩相旋轉坐標系（d，q）中調節器輸出的空間電壓矢量的大小，然后再運用SVPWM模塊使PWM整流器輸出的空間電壓矢量時刻和調節器輸出的空間電壓矢量保持一致。電流控制一般有直接電流控制和間接電流控制，本系統中運用直接電流閉環控制方法，采用電流和電壓雙閉環矢量控制的研究思路。為了對網側電流幅值和相位進行控制，首先需要電量傳感器測量出網側電流的瞬時值，然后運用3s/2r坐標轉換方法將電流有功和無功分量轉換到兩相旋轉坐標系下。本文最終采用了轉速、電流雙閉環矢量控制策略，矢量控制的基礎是坐標變換程序模塊和SVPWM程序模塊。

2 系統硬件設計

根據構建好的雙PWM變頻調速系統結構，對其硬件結構進行分析設計。所設計系統功率為2.2 kW。系統硬件結構分為主電路、DSP控制器和信號處理三部分，如圖3所示，為以DSP為控制核心的雙PWM調速系統的硬件結構，主要由異步交流電動機、逆變橋、整流橋、交流側電感以及直流側電容幾大部分所組成。

圖3 基于DSP的雙PWM變頻調速系統結構框圖

3 控制軟件設計

雙PWM變頻調速系統的軟件設計包括逆變側軟件和整流側軟件，使用TI公司的F2812DSP控制芯片及SVPWM技術的控制策略，在DSP上可以實現控制系統的數字化，方便控制系統控制算法的在線更新。

整流側的程序功能模塊框圖如圖4所示。

使用基于VSR的解耦控制進行整流部分的軟件設計，VSR的解耦控制主要由以下幾部分組成：坐標旋轉模塊、SVPWM信號波形生成模塊、模擬/數字轉換模塊、數字化的比例積分調節器模塊等子程序。整流側主程序流程圖如圖5所示。

圖4 整流側的程序功能模塊框圖

4 系統仿真及實驗結果

圖6為本文設計的雙PWM變頻調速系統。該平臺主要由三部分組成：三相可調電感、雙PWM變頻電源和2.2 kW三相交流直流電機組。電網接三相可調電感，可控整流橋對三相交流電整流，通過電容平波，逆變電路在DSP2812的控制下，產生三相電壓，接到異步電機的定子上，拖動電機運轉。

由于時間和目前條件的限制，筆者只得到了部分實驗結果。

4.1 網側整流器不控整流過程

圖5 PWM整流控制部分程序流程圖

圖6 雙PWM變頻調速系統

電網接三相自耦變壓器，將線電壓降到50 V，可調電感調零，整流橋的六個續流二極管對三相交流電進行不控整流，產生直流電壓，通過電容濾波，接到直流電阻箱上，電能轉化為熱能消耗掉。示波器CH1接高壓探頭，測量電壓波形；CH2接電流鉗，測量電流波形。

圖7為頻率50 Hz的電網電壓和電流，圖8的直流電壓和電流波形為整流后的波形。整流電路由整流二極管構成，整流二極管沒有控制功能，在輸入一定的交流電壓的條件下，不可以調節負載上得到的直流電壓值，且諧波電流較大。

圖7 交流側電壓電流

4.2 網側整流器全控整流過程

電網接三相自耦變壓器，將線電壓降到50 V，可調電感調為7 mH，PWM整流電路在DSP2812的控制下產生直流電壓，通過電容濾波，接到直流電阻箱上，電能轉化為熱能消耗掉。

整流電路如果由IGBT組成，在輸入一定的交流電壓的條件下，可以調節負載上的直流電壓的值，且最小值為輸入線電壓的峰值，實驗中將給定直流電壓設為70 V（圖9）。由圖10可見，電網的諧波電流較小，功率因數接近1。

圖8 直流側電壓電流

圖9 直流側電壓電流

圖10 交流側電壓電流

4.3 電機定子電壓電流波形

電網接三相自耦變壓器，將線電壓降到200 V，可調電感調為7 mH，PWM整流電路在DSP2812的控制下產生直流電壓，然后通過電容濾波，PWM逆變器在DSP2812的控制下產生三相電壓，負載接2.2 kW三相異步交流電機，電能轉化為機械能。

圖11和圖12分別為逆變器設定為30 Hz和50 Hz下的電機側電壓電流。直流電壓給定230 V，30 Hz下速度為190 r/min，50 Hz下速度為320 r/min，基本符合調速要求。

5 結語

本文基于TI2000系列DSP控制器設計了雙PWM變頻調速系統，整流部分采用PWM的控制技術來實現，可以控制網側的單位功率因數，性能比運用不可控或相控整流的變頻電源的控制更加優良，使得直流環節電壓可控，同時電機可實現四象限運行。交流電網側和直流電壓側的能量可以在任意時間瞬時流動。

圖11 頻率30 Hz的電機側電壓電流

圖12 頻率50 Hz的電機側電壓電流