专利名称：基于瞬时电流前馈控制的高频冗余pwm整流装置及方法
技术领域：
本发明属于电力电子与电力传动领域，特别涉及基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置及方法。
背景技术：
近年来，由于高性能传动系统，新能源发电，机车牵引等技术得到广泛的应用推广，大量的整流设备投入使用，传统的二极管不控式整流设备由于电流畸变率高，使电网引入了大量的谐波，影响电网电能质量，增加电网能量损耗。因此，近年来，PWM整流器由于谐波小，功率因数高，理想情况下可以工作在功率因数为I的状态下，得到了广泛的关注。目前，多数PWM整流器是以单机运行模式提供直流电源，因为开关管的开关频率 有一定的限制，所以一般PWM整流器的开关频率都不会太高，而PWM整流器的高频化，会给整流器带来一系列的优点，例如，可以减小前端电感的大小，减少交直流两侧的谐波等。故PWM整流器的高频化会进一步提高电源质量。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置及方法，以达到提高整流器功率因数、提高直流侧电源质量、直流电压可控、减小交流侧谐波和减小装置体积的目的。本发明的技术方案是这样实现的基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置，该装置包括IGBT驱动单元、PWM驱动信号电平转换单元、控制单元、校正单元、交流电流互感器、交流电压互感器和直流电压传感器，所述的校正单元包括交流电压校正单元、交流电流校正单元和直流电压校正单元，此外，该装置还包括主电路单元和高频信号逻辑控制单元，其中主电路单元采用两个PWM整流器并联的模式，即为IGBT并联型桥式电路，用于将交流电信号向直流电信号的转换，直流电压输出端输出的电压信号通过直流电压传感器后产生的信号传递给直流电压校正单元；IGBT驱动单元用于将高频信号逻辑控制单元输出的PWM信号转换为适用于驱动主电路单元内IGBT开关管的电平信号，IGBT驱动单元通过驱动信号的输出端连接主电路单元中PWM整流器内IGBT开关管的控制信号输入端，从而控制IGBT开关管导通与关断；高频信号逻辑控制单元用于将PWM驱动信号电平转换单元输出的控制每相桥臂内两个IGBT开关管的PWM信号分解为控制并联的两个桥臂内四个IGBT开关管的PWM信号，控制并联PWM整流器的协调导通，实现IGBT开关管高频化导通，高频信号逻辑控制单元的PWM信号输出端连接IGBT驱动单元的PWM信号输入端；PWM驱动信号电平转换单元用于将控制单元输出的电压信号转换为符合驱动IGBT开关管所需的电压信号，PWM驱动信号电平转换单元的PWM信号输出端连接高频信号逻辑控制单元的PWM信号输入端；
控制单元用于将校正单元输出的交流电压信号，交流电流信号和直流电压信号进行AD转换，实现整个控制系统的计算、输出PWM信号以及与上位机的通讯，控制单元的PWM信号输出端连接PWM驱动信号电平转换单元的PWM信号输入端；校正单元用于将在电网交流侧和直流侧采样得到的强电校信号正为适用于控制单元的弱电信号，交流电压校正单元的交流电压信号输出端连接控制单元的交流电压信号输入端，交流电流校正单元的交流电流信号输出端连接控制单元的交流电流信号输入端，直流电压校正单元的直流电压信号输出端连接控制单元的直流电压信号输入端。所述的主电路单元，包括两个PWM整流器，上述两个PWM整流器并联，单台PWM整流器采用三相桥式整流电路，并且在并联三相桥前端的交流侧，每相各串联一个电感，直流侧并联同一个滤波电容。所述的高频信号逻辑控制单元，由三组相同电路组成，每一组电路包括一个反相 器、一个D触发器和四个门电路，其中反相器的输入端连接第一门电路的第二输入端、第三门电路的第二输入端，并连接第一电压输入信号，所述的反相器的输出端连接D触发器时钟输入端，D触发器的信号输入端分别连接D触发器的反相输出端、第三门电路的第一输入端和第四门电路的第一输入端，D触发器的同相输出端分别连接第一门电路的第一输出端、第二门电路的第一输入端；第二门电路的第二输入端连接第四门电路的第二输入端，并且连接第二电压输入信号。采用上述装置，实现基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流方法，具体包括以下步骤步骤I :进行系统初始化、设置控制单元系统主程序内的AD采样模块、事件管理器EV模块、死区寄存器和SCI串口通讯模块；步骤2 :判断系统启动位是否为启动状态，若不为启动状态，则返回继续执行步骤
2;若为启动状态,则执行步骤3 ;启动位的状态是通过上位机给定；若系统得到上位机启动信号，则启动位变为启动状态；步骤3 :判断控制单元内部AD采样模块是否有AD采样中断信号，若有，则执行步骤4;若无，则执行步骤5;步骤4:进行采样；步骤5 :对采样所得交流电压进行计算，算出三相电压的相角正弦值；步骤6 :对直流电压给定值和直流电压反馈值进行做差计算，将计算所得值作为系统内部的PI调节器的给定值，采用PI计算方法，计算出PI调节电流量；步骤7 :采用瞬时电流前馈控制方法,计算瞬时电流的给定值；步骤8 :计算得到的瞬时电流的给定值与反馈电流值进行计算，将计算所得的三组值分别通过系统内部的三个滞环比较器进行运算，滞环比较器产生八种输出状态；步骤9 :判断系统内部的GPl定时器的下溢中断，若无中断信号，则返回执行步骤9 ;若有中断信号，则执行步骤10 ；步骤10 :系统内部的滞环比较器的输出状态作为EV事件管理器内部矢量选择模块的输入，根据所输入的状态函数，矢量选择模块选择电压矢量，对EV事件管理器的相应寄存器赋值，输出PWM波；步骤11 :将AD采样中断标志置为启动状态，发出中断信号，返回执行步骤2。
步骤7所述的采用瞬时电流前馈控制方法，计算瞬时电流的给定值，所述的瞬时电流前馈控制方法即将电流的瞬时值与电流给定值进行做差计算，上述差值与前馈增益系数相乘，所得乘积作为前馈至电流给定，实现实时调整电流幅值给定，使实际瞬时电流值能够快速跟踪瞬时电流给定值。本发明的优点本发明基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置及方法，本装置工作在接近功率因数为I的状态，实现了 PWM整流器高功率因数；交流侧电流实现正弦化，减小谐波，减小对电网的影响；系统高频化后，直流侧谐波明显变小，电压更平滑，电源质量更高；系统高频化后，本装置交流侧可以选用更小的交流电感，减小装置体积；装置直流侧电压可以由上位机给定，做到了直流电压的可控；本装置实现PWM整流器的冗余运行，其中一台整流 器出现故障情况的时候，迅速切换控制方法，实现单台整流器工作，提供比正常工作情况下略差的直流电源，保持供电的不间断性；本发明在控制方式上采用瞬时电流前馈控制，能够防止滞环比较中，本次采样电流的实际值尚未达到滞环动作值，下次采样时已大超过动作值的情况，并且能够加快瞬时电流的反应速度，减小交流电流谐波。
图I为本发明一种实施例的系统组成框图；图2为本发明一种实施例的主电路原理图；图3为本发明一种实施例的并联PWM整流器一相桥臂电路原理图；图4为本发明一种实施例的并联PWM整流器一相桥臂导通逻辑时序图；图5为本发明一种实施例的交流电压校正电路原理图；图6为本发明一种实施例的交流电流校正电路原理图；图7为本发明一种实施例的直流电压校正电路原理图；图8为本发明一种实施例的控制单元内数字信号处理器的电路原理图；图9为本发明一种实施例的一组PWM驱动信号转换电路原理图；图10为本发明一种实施例的PWM驱动信号转换电路MIC4427芯片内部结构图；图11为本发明一种实施例的一组高频信号逻辑控制单元的电路原理图；图12为本发明一种实施例的高频信号逻辑控制单元内反相器输入与输出时序图，A)为反相器UA输出端Al点输出时序波形，B)为D触发器U2A的Q输出端BI点输出时序波形，C)为门电路UlA的输出时序波形；图13为本发明一种实施例的IGBT驱动电路驱动板电路原理图；图14为本发明一种实施例的系统控制框图；图15为本发明一种实施例的控制单元电流滞环比较器工作波形图；图16为本发明一种实施例的基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置及方法流程图；图17为本发明一种实施例的系统运行波形图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明实施例做进一步说明。
图I为本发明实施例的系统组成框图，该装置包括IGBT驱动单元、PWM驱动信号电平转换单元、控制单元、校正单元、交流电流互感器、交流电压互感器和直流电压传感器，所述的校正单元包括交流电压校正单元、交流电流校正单元和直流电压校正单元，此外，该装置还包括主电路单元和高频信号逻辑控制单元，其中主电路单元采用两个PWM整流器并联的模式，即为IGBT并联型桥式电路，用于将交流电信号向直流电信号的转换；IGBT驱动单元用于将高频信号逻辑控制单元输出的PWM信号转换为适用于驱动主电路单元内IGBT开关管的电平信号；高频信号逻辑控制单元用于将PWM驱动信号电平转换单元输出的控制每相桥臂内两个IGBT开关管的PWM信号分解为控制并联的两个桥臂内四个IGBT开关管的PWM信号，控制并联PWM整流器的协调导通，实现IGBT开关管高频化导通；PWM驱动信号电平转换单元用于将控制单元输出的电压信号转换为符合驱动IGBT开关管所需的电压信号；控制单元用于将校正单元输出的交流电压信号，交流电流信号和直流电压信号进行AD转换，实现整个控制系统的计算，输出PWM信号以及与上位机的通讯；校正单元用于将在电网交流侧和直流侧采样得到的强电信号校正为适用于控制单元的弱电信号。图2为本发明实施例的主电路原理图，主电路采用两个PWM整流器(VSR1, VSR2)并联的模式，单台PWM整流器采用三相桥式整流电路，在并联三相桥前端的交流侧，每相各串联一个电感(LI、L2和L3)，两台整流器的直流侧并联一个滤波电容C，两台PWM整流器进行一体化协调控制，这样并联PWM整流器可以等效为两台PWM整流器的同相桥臂并联，即每相桥臂有四个IGBT开关管工作，这为系统的高频化提供了硬件基础。IGBT开关管选用SEMIKR0N 公司的 SKM100GB12OTN。PWM整流器前端电感的取值由公式(I)决定
权利要求
1.基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置，该装置包括IGBT驱动单元、PWM驱动信号电平转换单元、控制单元、校正単元、交流电流互感器、交流电压互感器和直流电压传感器，所述的校正単元包括交流电压校正単元、交流电流校正単元和直流电压校正单元，其特征在于该装置还包括主电路单元和高频信号逻辑控制単元，其中 主电路单元采用两个PWM整流器并联的模式，即为IGBT并联型桥式电路，用于将交流电信号向直流电信号的转换，直流电压输出端输出的电压信号通过直流电压传感器后产生的信号传递给直流电压校正単元； IGBT驱动单元用于将高频信号逻辑控制单元输出的PWM信号转换为适用于驱动主电路单元内IGBT开关管的电平信号，IGBT驱动单元通过驱动信号的输出端连接主电路单元中PWM整流器内IGBT开关管的控制信号输入端，从而控制IGBT开关管导通与关断； 高频信号逻辑控制単元用于将PWM驱动信号电平转换单元输出的控制每相桥臂内两个IGBT开关管的PWM信号分解为控制并联的两个桥臂内四个IGBT开关管的PWM信号，控 制并联PWM整流器的协调导通，实现IGBT开关管高频化导通，高频信号逻辑控制単元的PWM信号输出端连接IGBT驱动单元的PWM信号输入端； PWM驱动信号电平转换单元用于将控制单元输出的电压信号转换为符合驱动IGBT开关管所需的电压信号，PWM驱动信号电平转换单元的PWM信号输出端连接高频信号逻辑控制单元的P丽信号输入端； 控制单元用于将校正单元输出的交流电压信号，交流电流信号和直流电压信号进行AD转换，实现整个控制系统的计算、输出PWM信号以及与上位机的通讯，控制単元的PWM信号输出端连接PWM驱动信号电平转换单元的PWM信号输入端； 校正単元用于将在电网交流侧和直流侧采样得到的强电信号校正为适用于控制单元的弱电信号，交流电压校正単元的交流电压信号输出端连接控制単元的交流电压信号输入端，交流电流校正単元的交流电流信号输出端连接控制単元的交流电流信号输入端，直流电压校正単元的直流电压信号输出端连接控制単元的直流电压信号输入端。
2.根据权利要求I所述的基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置，其特征在于所述的主电路单元，包括两个PWM整流器，上述两个PWM整流器并联，单台PWM整流器采用三相桥式整流电路，并且在并联三相桥前端的交流侧,每相各串联ー个电感,直流侧并联同一个滤波电容。
3.根据权利要求I所述的基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置，其特征在于所述的高频信号逻辑控制単元，由三组相同电路组成，每ー组电路包括一个反相器、一个D触发器和四个门电路，其中反相器的输入端连接第一门电路的第二输入端、第三门电路的第二输入端，并连接第一电压输入信号，所述的反相器的输出端连接D触发器时钟输入端，D触发器的信号输入端分别连接D触发器的反相输出端、第三门电路的第一输入端和第四门电路的第一输入端，D触发器的同相输出端分别连接第一门电路的第一输出端、第二门电路的第一输入端；第ニ门电路的第二输入端连接第四门电路的第二输入端，并且连接第二电压输入信号。
4.实现权利要求I所述的基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流方法，其特征在干具体包括以下步骤 步骤I :进行系统初始化、设置控制単元系统主程序内的AD采样模块、事件管理器EV模块、死区寄存器和SCI串ロ通讯模块； 步骤2:判断系统启动位是否为启动状态，若不为启动状态，则返回继续执行步骤2 ;若为启动状态，则执行步骤3 ;启动位的状态是通过上位机给定；若系统得到上位机启动信号，则启动位变为启动状态； 步骤3 :判断控制单元内部AD采样模块是否有AD采样中断信号，若有，则执行步骤4 ；若无，则执行步骤5; 步骤4 :进行采样； 步骤5 :对采样所得交流电压进行计算，算出三相电压的相角正弦值； 步骤6:对直流电压给定值和直流电压反馈值进行做差计算，将计算所得值作为系统内部的PI调节器的给定值，采用PI计算方法，计算出PI调节电流量； 步骤7 :采用瞬时电流前馈控制方法，计算瞬时电流的给定值； 步骤8:计算得到的瞬时电流的给定值与反馈电流值进行计算，将计算所得的三组值分别通过系统内部的三个滞环比较器进行运算，滞环比较器产生八种输出状态； 步骤9 :判断系统内部的GPl定时器的下溢中断，若无中断信号，则返回执行步骤9 ;若有中断信号，则执行步骤10; 步骤10 :系统内部的滞环比较器的输出状态作为EV事件管理器内部矢量选择模块的输入，根据所输入的状态函数，矢量选择模块选择电压矢量，对EV事件管理器的相应寄存器赋值，输出PWM波； 步骤11 JfAD采样中断标志置为启动状态，发出中断信号，返回执行步骤2。
5.根据权利要求4中所述的基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流方法，其特征在于步骤7所述的采用瞬时电流前馈控制方法,计算瞬时电流的给定值,所述的瞬时电流前馈控制方法即将电流的瞬时值与电流给定值进行做差计算，上述差值与前馈增益系数相乘，所得乘积作为前馈至电流给定，实现实时调整电流幅值给定，使实际瞬时电流值能够快速跟踪瞬时电流给定值。
全文摘要
一种基于瞬时电流前馈控制的高频冗余PWM整流装置及方法，本发明属于电力电子与电力传动领域。本发明包括IGBT驱动单元、PWM驱动信号电平转换单元、控制单元和校正单元，该装置还包括主电路单元和高频信号逻辑控制单元。主电路单元是整个发明的硬件基础，为IGBT并联型桥式电路。高频信号逻辑控制单元，是实现PWM整流器的核心逻辑单元。本发明还采用了瞬时电流前馈控制方法，瞬时电流前馈控制能够使实际瞬时电流值快速跟踪瞬时电流给定值。本发明采用高频信号逻辑控制和瞬时电流前馈控制方法具有整流器功率因数高、直流侧电源质量高、直流电压可控、交流侧电流正弦、交流侧谐波小和装置体积小的特点。
文档编号H02M1/42GK102684518SQ20121015905
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者于成泉, 刘秀翀, 张化光, 王旭, 褚恩辉, 闫士杰 申请人:东北大学