基于臺達AFE2000的四象限變頻控制

圖6 控制系統(tǒng)框圖

(2) 電壓控制

PWM整流器的輸出直流電壓基本上取決于交流線電壓和調(diào)制深度M，并與調(diào)制深度M基本成反比關(guān)系，因此，可以與功率因數(shù)分開，獨立控制直流電壓。從控制特性上考慮，當直流電壓需要穩(wěn)定控制時，必須用到電壓控制環(huán)，由于直流電壓與M成反比關(guān)系，因此，控制電路對電壓控制信號最好具有線性關(guān)系。而且，閉環(huán)控制時，最好加調(diào)制深度限幅電路，使得調(diào)制深度不要小于MC。

2.3有功無功分解控制

了解到三相PWM整流器的控制原理后，在此基礎(chǔ)上進行算法的深入研究。通過控制原理的了解，我們可以發(fā)現(xiàn)，PWM整流器的控制目標是輸入電流和輸出電壓，而輸入電流的控制是整流器控制的關(guān)鍵。輸入電流的控制目標是使電流波形為正弦波且與輸入電壓同相位。

在PWM整流器控制方法上，將三相交流電流變換成d-q坐標系，從而進行對電流d、q的分量單獨控制，這樣有功功率和無功功率的單獨調(diào)節(jié)將會十分簡便。

通過圖1可列出PWM整流器的三相控制電壓方程：

(1)

采用空間坐標變換方法，將上述方程變換到兩相靜止坐標中，其變換陣為：

(2)

變換方程為：

(3)

再進一步由α-β坐標系轉(zhuǎn)換為d-q坐標系，變換陣為：

(4)

變換方程為：

(5)

經(jīng)過以上變換后，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下PWM整流器方程為：

(6)

上式中，usd與usq為d-q坐標系下的電源電壓，ud和uq為d-q坐標系下的橋臂中點控制電壓。再回到三相空間靜止坐標下，取三相輸入電壓usa、usb和usc為：

(7)

則經(jīng)過同樣坐標變換，在d-q同步坐標系下有：

(8)

將式(8)代入式(6)得：

(9)

由式(9)可見，id,iq之間存在耦合，通常有電壓前饋解耦控制和電流反饋解耦控制兩種，前者雖是一種完全線性化的解耦控制方案，但實時性問題實現(xiàn)起來效果并不好。本文采用電流反饋解耦控制方式實施方便，控制電路簡單。

實際應(yīng)用中，當電壓環(huán)的采樣頻率遠高于電網(wǎng)電壓的頻率時，在方程中造成互耦的ωLid和ωLiq對電流調(diào)節(jié)器性能影響小，忽略這個因素，這樣將電流控制指令 與反饋電流id,iq比較，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到電壓給定信號，即：

(10)

將式(1)至式(10)的過程整合起來，得到控制框圖如圖7所示：

圖7 PWM整流器矢量變換控制圖

3 臺達AFE2000能量回饋單元

AFE2000是臺達IABU提出的一款與變頻器匹配的能量回饋裝置，AFE2000采用有功無功電流解耦控制，通過CLARK-PARK變換達到有功和無功的解耦控制，從而實現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整和能量回饋控制。其外觀圖如圖8所示。

圖8 AFE-2000外觀圖

AFE2000將回生能量通過IGBT逆向回饋至電網(wǎng)，改善了傳統(tǒng)的熱電阻消耗的熱能浪費、維修困難等缺點。兩種模式的狀況對比如圖9所示：

圖9 回生能量消耗方式

通過圖9可知，能量回饋也分為兩種方式，一種為只進行能量回饋，但是無法實現(xiàn)功率因數(shù)的改善;另一種為進行能量回饋，同時也進行功率因數(shù)的改善。AFE2000屬于最高層，即可以進行能量回饋，同時也能實現(xiàn)功率因數(shù)的改善，且控制參數(shù)簡便，容易調(diào)整。