交流电力测功器的变频装置的研究

1 引言 　　测功器是动力装置测试的重要仪器。交流电力测功器的前景广阔，具有动态响应快，无需经常保养，体积小，测量精度高等特点，可用于被测动力装置的稳态，瞬态及高动态试验，而且将所吸收的能量转换成电能回馈到电网。【1】交流电力测功器采用变频调速装置来实现电网固定频率交流电与测功器转速变化范围的衔接问题。一种交－直－交电压型源型的双向变流器作电力变频装置，待测的动力装置（例如发动机）直接驱动三相交流电动机（工作于发电状态），控制双向变流器主回路上的功率开关，使吸收的能量转换成电能而回馈到电网，同时测出发动机的功率和相关的参数。 双向变流器是由两侧结构完全相同的功率开关组成，两个变流器均可以工作在两种状态：整流和逆变。 　　采用自关断器件的全数字控制的PWM变频器已经实现通用化，但绝大多数变频器，其网侧变流器常采用不可控的二极管整流器。如图2所示 　　在常规的交流电力测功器的变频装置中，必须在逆变器直流侧加装耗能或馈能装置，这主要是因为交－直－交拓扑结构中的整流环节大都采用二极管整流器。 　　这带来两个问题：其一，由于二极管的单向导电性能，电机制动的再生能量无法回馈给电网。 　　其二，网侧电流波形严重畸变，造成电网功率因数较低，由于整流采用二极管整流，因此，最高功率因数只可能为0.8左右。随着这类非线性负载容量的增大和应用的不断普及，会引起供电系统功率因数降低，大量的高次谐波注入电网，影响其它用电设备正常，安全，经济的运行，造成危害。 　　采用PWM控制方式的交—直变流器作为交—直—交变频器中的网侧变流器，它能得到好的单位功率因数，减少线电流畸变，并且能够使再生能量回馈给电网。有几种控制方案能够满足这些要求。其中幅相控制PAC具有简单的控制结构并且具有良好的开关特性。本文对这种变流器的控制进行全面的分析。 2 高功率因数变流器的工作原理 　　变流器的控制目的就是要达到功率因数为1和将能量回馈，其主电路如图3所示。 　　要控制功率因数为1也就是要控制e1和i1同相，也就是要满足图4的向量图。 　　在此将电流控制转换成电压控制，属于间接控制（间接电流控制的依据时系统的低频稳态数学模型），关键就是要控制好Vu，使之满足上面的向量图。而控制Vu 关键就是要控制好IGBT的触发脉冲，也就是所谓的PWM波，而PWM波的控制关键就是要控制好调制系数m和相位角ψ。先建立一个一般的数学模型，然后通过使用傅立叶变换，参考向量的旋转变换和小信号线性化处理，找到调制系数m与相位角ψ的数学关系。要控制能量回馈，即当 时( 为图3中电容C两端的电压)，使变流器发生逆变，也可以通过m和ψ的关系方程求出对应的m和ψ，这点将在后面给出具体的解法。 4 高功率因数变流器系统模型的求解 　　交－直－交电压源变流器的一般模型对于用计算机仿真得到这个变流器的精确的时间响应时非常有用的。这个模型时一个时变，非线性，且包括开关函数的模型，因此，要得到一个闭环解时非常困难的。为了解决这个问题，采用了下面三种技术： 　　第一时用傅立叶变换去掉不连续，然后，这个一般模型分为下面二个模型：低频模型和高频模型。这两个模型都是连续的，分开的界限是转换频率； 　　第二个是旋转变换，类似于固定频率，使这个系统变成了时不变系统； 　　第三个技术是在直流工作点附近进行小信号线性化处理，这个系统进一步分成两个部分：稳态直流模型和小信号交流模型。从这两个模型可以得到静态工作点，各种动态响应。 5 结束语 变频调速装置的交－直－交拓扑结构，常规的整流环节大都采用二极管整流器，无法实现电能的双向流动，因而无法实现电能回馈。若将电力测功器中的变频装置的二极管整流器用PWM整流器取代，不仅可以实现交流电动机的四象限运行，使能量得到双向流动，使能量能够回馈电网，节约能源，以及网侧单位功率因数正弦波电流控制，还可以使直流侧获得足够高度且稳定的直流电压，从而改变电动机的驱动性能。另一方面引入适当的控制策略，还可以大大减少直流侧电容的容量，提高装置运行可靠性。 参考文献 [1]张笑微“新型节能电力测功器”，内燃机，Aug.2003，No.4，pp29-31。 [1]吴克刚，曹建明编著 发动机测试技术 人民交通出版社 2002年 第1版 [2]吴守箴，臧英杰等著 电气传动的脉宽调制控制技术 机械工业出版社 第2版 [4]郑颖楠，等，三相AC-DC电压源型变流器主电路参数关系的仿真研究【J】.电气传动，1998，（2）：15－18。 作者简介： 严利：女，1977年出生，西南科技大学硕士研究生在读，主要研究方向，电气自动化 张笑微：女，西南科技大学信控学院，副教授，主要研究方向，电气传动