基于SVPWM的航空高功率因數(shù)整流器設(shè)計(jì)

現(xiàn)代飛機(jī)越來(lái)越多地采用電力作動(dòng)技術(shù)，大量先進(jìn)機(jī)載用電設(shè)備的應(yīng)用使得飛機(jī)供電系統(tǒng)容量迅速增加。傳統(tǒng)的變壓整流器和非線性負(fù)載的大量使用使電網(wǎng)中電流諧波含量較高，對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)和供電質(zhì)量造成很大影響。消除電網(wǎng)諧波污染、提高整流器的功率因數(shù)是電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。空間矢量PWM(SVPWM)控制具有直流側(cè)電壓利用率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。本文采用空間矢量技術(shù)對(duì)三相電壓型整流器進(jìn)行研究，使其網(wǎng)側(cè)電壓與電流同相位，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流。

1 空間矢量控制技術(shù)
    SVPWM控制技術(shù)通過(guò)控制不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的組合，將空間電壓矢量V控制為按設(shè)定的參數(shù)做圓形旋轉(zhuǎn)。對(duì)任意給定的空間電壓矢量V均可由這8條空間矢量來(lái)合成，如圖1所示。任意扇形區(qū)域的電壓矢量V均可由組成這個(gè)區(qū)域的2個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到。這幾個(gè)矢量的作用時(shí)間可以一次施加，也可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加。也就是說(shuō)，SVPWM通過(guò)控制各個(gè)基本空間電壓矢量的作用時(shí)間，最終形成等幅不等寬的PWM脈沖波，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)。主電路功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率越高，就越逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

    為了減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)于三相VSR某一給定的空間電壓矢量，采用圖2所示的合成方法。在扇區(qū)I中相應(yīng)開(kāi)關(guān)函數(shù)如圖3所示。零矢量均勻地分布在矢量的起、終點(diǎn)上，除零矢量外，由V1、V2、V4合成，且中點(diǎn)截出2個(gè)三角形。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，VSR上橋臂功率開(kāi)關(guān)管共開(kāi)關(guān)4次，由于開(kāi)關(guān)函數(shù)波形對(duì)稱，諧波主要集中在整數(shù)倍的開(kāi)關(guān)頻率上。

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2 直接電流控制策略
    三相VSR的電流控制策略主要分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制采用網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，提高了網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)、靜態(tài)性能，并增強(qiáng)電流控制系統(tǒng)的魯棒性。而在直接控制策略中固定開(kāi)關(guān)頻率的PWM電流控制因其算法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)較為方便，得到了較好應(yīng)用，在三相靜止坐標(biāo)系中，固定開(kāi)關(guān)頻率的PWM電流控制電流內(nèi)環(huán)的穩(wěn)態(tài)電流指令是一個(gè)正弦波信號(hào)，其電流指令的幅值信號(hào)來(lái)源于直流電壓調(diào)節(jié)器的輸出，頻率和相位信號(hào)來(lái)源于電網(wǎng)；PI電流調(diào)節(jié)器不能實(shí)現(xiàn)電流無(wú)靜差控制，且對(duì)有功電流和無(wú)功電流的獨(dú)立控制很難實(shí)現(xiàn)。在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)中的電流指令為直流時(shí)不變信號(hào)，且其PI電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)電流無(wú)靜差控制，也有利于分別對(duì)有功電流和無(wú)功電流獨(dú)立進(jìn)行控制。

3 三相VSR數(shù)字控制系統(tǒng)
    三相VSR數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)和兩個(gè)電流內(nèi)環(huán)組成雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，電壓環(huán)控制三相VSR直流側(cè)電壓，通過(guò)輸出直流側(cè)電壓Vdc與給定參考電壓差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生電流參考信號(hào)，起到跟蹤控制輸出直流電壓的目的；電流環(huán)用來(lái)按照電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，按照電壓外環(huán)輸出的電流信號(hào)對(duì)輸入電流進(jìn)行控制，利用SVPWM算法產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)控制整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。

    三相PWM整流器是采用電機(jī)矢量控制的思想通過(guò)控制電流來(lái)調(diào)節(jié)電壓。采樣后的三相電流通過(guò)CLARK和PARK坐標(biāo)變換獲得兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的id、iq分量，將電壓誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)作為有功電流指令值，而無(wú)功電流的指令值可以直接設(shè)為零，通過(guò)解耦得到三相VSR的指令電壓，并通過(guò)SVPWM算法得到三相整流器的控制信號(hào)。
3．1 交流側(cè)電壓調(diào)理電路
    系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)給定輸入電壓為三相交流115 V，對(duì)電壓進(jìn)行采樣時(shí)通過(guò)變壓器進(jìn)行降壓采樣，然后調(diào)理電壓信號(hào)，使電壓信號(hào)值在TMS320F281 2的數(shù)據(jù)采集端要求的0～3 V之間，電壓調(diào)理電路如圖5所示。

3．2 直流電壓調(diào)理電路
    直流側(cè)輸出電壓約350 V，為實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電壓的數(shù)據(jù)采集，采用運(yùn)算放大器組成雙輸入放大電路，通過(guò)選擇合理的參數(shù)值將直流側(cè)的輸出電壓轉(zhuǎn)換到O～3 V范圍之內(nèi)，然后送入DSP的AD接口。[!--empirenews.page--]
3．3 TMS320F2812程序初始化流程
    通過(guò)對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)控制算法的詳細(xì)分析和三相VSR的建模與仿真發(fā)現(xiàn)，SVPWM的控制算法具有便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。選用目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)比較成熟的低功耗、低成本且具有相當(dāng)集成度的定點(diǎn)TMS320F2812作為核心控制器。該器件是Tl公司推出的新一代低價(jià)格、高性能的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器DSP。數(shù)字信號(hào)處理器是三相高功率因數(shù)整流器的重要組成部分。TMS320F2812實(shí)現(xiàn)的軟件部分主要包括主程序和中斷子程序。主程序主要是完成系統(tǒng)的初始化工作，包括系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、初始化寄存器的值和開(kāi)全局中斷以及開(kāi)事件管理器中斷進(jìn)入工作狀態(tài)。其程序流程如圖6所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)三相VSR的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)原理，在實(shí)驗(yàn)室中搭建了實(shí)驗(yàn)電路并進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中電源為115 V／400 Hz三相交流電源，當(dāng)負(fù)載為217Ω時(shí)，測(cè)得網(wǎng)側(cè)A相輸入電壓與A相輸入電流波形如圖7所示，由圖7中可以看出輸入電壓與輸入電流同相位，從而實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)整流。

5 結(jié)論
    為了滿足航空整流器對(duì)整流電源低諧波、高功率因數(shù)、快速響應(yīng)、直流輸出穩(wěn)定等要求，利用輸入電壓空間矢量定向，提出了一種新的便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的SVPWM控制策略。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用空間矢量控制技術(shù)設(shè)計(jì)的整流器網(wǎng)側(cè)電流很好地跟隨網(wǎng)側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)整流，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。