DOI:10.13436/j.mkjx.2010.05.101 第 31 2010 卷第 年 05 05 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.31 No.05 May. 2010 双闭环控制的 可逆整流器的仿真与实验 PWM 张 志 安徽理工大学 电气与信息工程学院 朱一凡 王清灵 ， ， 李文杰 安徽 淮南 ， ， （ 对三相电压型 整流器的拓扑结构进行了分析 旋转坐标系下建立了系统 模型 ： 摘 要 阐述了电压 并在 ， PWM 、 电流双闭环控制的基本原理及其参数选择 ， 最后使用 环境中建立仿真模型 技术 （SVP- PWM 作为处理器对系 WM）， 统进行了实验验证 MATLAB/Simulink 仿真及实验结果表明 关键词 中图分类号 ： PWM 。 整流器 ： TM461 ； 双闭环控制 文献标志码 ； ： A ， DSP-TMS320F2812 所设计的整流器具有快速的动态响应及良好的稳定性 ， 空间矢量 。 ； MATLAB 文章编号 ： 1003 － 0794（2010）05 － 0057 － 04 232001） 在 dq ， 采用电压空间矢量 Simulation and Experimental of Reversible PWM Rectifier Based on Double Closed-loop Control System ZHU Yi-fan, WANG Qing-ling， ZHANG Zhi, LI Wen-jie （College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001 Anhui， China） Abstract: From the configuration of the topology of the main circuit, we constitute the system model of three-phase voltage source rectifier in the d-q synchronous rotating coordinate system. Then, the article discuss the basic principles of the internal current control loop and external voltage control loop, the space vector control system was simulated by using the toolbox of Matlab/Simulink. The results show that the PWM Rectifier has fast transient response and satisfactory steady-state characteristics. Key words: PWM rectifier; double closed-loop control; space vector; MATLAB 整流器的基本原理 1 PWM 1.1 主电路分析 三相电压型 所示 。 1 路如图 用 制状态 ， ， PWM 由于交 流侧电感 脉宽调制可逆整流器的主电 的作 三相桥工作在脉宽调 Li（i=a，b，c） 使电路呈升压斩波特性 。 桥路的交流侧为被调制的三相电压 其基波分量与电网电压同频率 upc， 波分量幅值和相位的调节 值和相位的调节 ， 。 upa、upb、 基 也就是对交流侧电流幅 upa、upb、upc 对 ， 以 态如图 A 2 图 1 相为例 所示 ， ， 整流器主电路图 PWM 其交流侧等效电路及典型工作状 回路电势平衡方程为 dia dt ea=Raia+La 可知 （1） +upa 整 流器在整流 工作时功 ，PWM 这就要求输入电流为正弦波且 相应的电流控制方法主要有 没有引入电流反馈的间接电流控制 由图 2（b） 率因数可近似为 1， 和电网电压同相位 种 ， ：（1） 2 引 ；（2） 57 入电流反馈的直接电流控制 换的电流直接控制方法 时均为直流信号 误差的电流跟踪控制 本文采用 坐标变 其参考值和反馈值在稳态 因此通过调节器可以实现无稳态 dq 。 ， ， 。 （a） 等效电路 图 整流状态 （b） 逆变状态 （c） 相等效电路及其典型状态 2 A ， 1.2 PWM 控制理论 空间矢量 借助于三相 对称交 流 电 源 的 空 间 电 压 矢 量 概 由三相交流电压 念 旋转的空间电压矢量 标系 电源 的分量为 ω（=2πf） 速度旋转的直角坐 轴相对于交流 轴上 中 相绕组轴线的夹角为 在以 ω 轴重合 θ。 经计算得 E。 轴与 E 合成以同步速 。 d 显然 ea、eb、ec dq a 定义 ，E 在 dq d ， Eq=0，Ed=E。 upd=Ed-L did dt -Rid+ωLiq （2） upq=-ωLid-Riq-L diq dt 电 压 空 间 矢 量 控 制 技 术 其电压利用率提高 PWM 通过分析三相 控制相比 ， SPWM 具有良好的动态性能 关组合可知 此 矢量将复平面划分为 共有 8 ， 。 一种开关组合对应 如图 条电压空间矢量 ， ， 个扇区 ， 6 15% （SVPWM） 左右 的 （3） 与 且 ， 种开 因 条非零 3。 并在任一扇区内等 条空间矢量 其中 VSR ，6 8 1 ， 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

双闭环控制的 PWM 可逆整流器的仿真与实验 朱一凡 等 ， ——— 第 卷第 期 05 31 Vol.31No.05 效参考电压矢量 ；2 条零矢量均匀地分布在每一个 用以维持 开关周期中非零矢量以外的时间内 波的基波频率不变 ， 。 PWM PWM 将两相旋转坐 图 4 双闭环控制的 系统图 VSR 图 等功率 空间电压矢量图 3 坐标变换的原则 ” ， 根据 “ 标系下的直流量变成两相静止坐标系下的交流量 其过程 用以进行 调制生成 ， 路脉冲序列 所在扇区的判断 6 ： 参考电 ， 。 SVPWM 参考电压矢量 （1） 压所在扇区与 μβ， 正 负 有 关 ， 可 分 别 令 其 为 3姨 2 Us μα- 1 2 A、B、C， μβ，- 的 μα- 1 2 3姨 2 利 用 符 号 函 数 μβ sgn（x）= 1 x≥0 0 x＜≥ 0 ， 可得扇区号 满足下式 N N=sgn（A）+2sgn（B）+4sgn（C） 相邻两电压空间矢量作用时间的计算 （2） 用双三角形法合成参考矢量 波形是中心对称的 有 。 经计算得 UsTs＝u1T1+u2T2， Us， 以Ⅰ扇区为例 使 其对应的开关函数 坐标系中 在 。 ， αβ 3姨 |Us|Tssin（ π 3 -θ） Udc Ts（ 3 2 μα- 3姨 2 μβ） Udc = ≥ ≥ ≥ ≥ ≥ T1= ≥ ≥≥ ≥ ≥ ≥ ≥ ≥ T2= ≥ ≥≥ ≥ 3姨 |Us|Tssin θ 3姨 Ts μβ = Udc T0＝T7＝0.5（Ts-T1-T2） Udc 当 位于其他扇区时 同理按上述方法可求得 Us 各空间矢量的作用时间 ， 。 交流侧三相开关时间 按照步骤 所述方 按照中心对齐的原则画出电 （2） 。 计算出各相的开关时间 。 （3） 法确定出作用时间后 压空间矢量序列图 ， ， 双闭环控制系统 三相电压型 2 ， PWM （VSR） 控制系统的设 整流器 多采用双 闭环控制方 式 即电流 内环和电压 电流内环的作用主要是按照电压外环输出的 一般要求有较快的 直 双闭环控制的 计中 外环 电流指令信号对电流进行控制 跟随性能 流侧电压 电压外环的作用主要是稳定三相 要求有良好的抗扰性能 VSR ； ， ， 。 ， 。 VSR 2.1 所示 系统图见图 4 电流内环设计 对交流侧三相电流进行检测 。 ， 变换得两相旋转坐标系下的直流量 再对其进行坐标 图 电流环结构图 5 可知 ， ， 的 式 d、q VSR ACR 采用 三相 由式 调节器时 （2）、 分量相互耦合 所以当电流调节器 统进行前馈解耦控制 有功 讨论电流调节器的设计 延时和 PWM 小时间常数 的 PI ， 中间部分所示 轴电 流 （3） 给控制器的设计带来一定的困难 ， 需对系 由于 以 控制为例 考虑电流内环信号采样的 然后合并它们的 得到已解耦 控制的小惯性特性 并且暂不考虑 3 无功两电 流环的对 称性 ed 所示 的扰动 下面 如图 id ， ， ， ， ， 。 、 。 id 电流内环结构如图 其 中 5 。 ，Ts 等效增益 PWM 从动态角 度来说 。 路 差 太大的超调 故选用典型 ； 。 为 电 流 内 环 电 流 采 样 周 期 从稳态角度来说 ，KPWM 为 桥 希望电流无静 希望 电流在突加 扰动是没有 电流环应以跟随性能为主 ， ， 综合考虑 型系统来设计电流调节器 ， ， I 表明 为校正成典型 电流环的控制对象可以化成一个双 电流调节器采用 型系统 ， 。 I ， 图 5 惯性环节 ， 型 ， PI 其传递函数为 WACR（s）=Kip τi s＋1 τi s （5） 式中 KiI ＝Kip /τi Kip、KiI——— （6） 、 积分系数 电流调节器的比例 其超前时间常数 可以使控制对象的大时间常数极 则校正后的电流内环开环 ； 。 τi——— τi ＝L/R， 的零点相对消 ， 若取 点与 传递函数为 ACR KipKPWM Rτi s（1.5 Tss+1） Woi（s）= 根 据 典 型 I 型 系 统 参 数 的 整 定 关 系 则有 0.707， KipKPWM ×1.5 Ts=0.5， Rτi Kip= Rτi 3TsKPWM KiI＝ Kip τi ＝ R 3TsKPWM （7） 可 选 , ξ= （8） （9） ° °= id iq 2 3姨 ° cos（θ－120°） cosθ cos（θ+120°） -sinθ -sinθ（θ－120°） -sin θ（θ+120° ia °） ib ° ° ° ° ° ° ° ° °° ° ic ° ° ° ° ° ° ° ° °° ° 58 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

双闭环控制的 PWM 可逆整流器的仿真与实验 朱一凡 等 ， ——— Vol.31No.05 3 800 V， 311 V， 2 000 μF， MATLAB/Simulink 主要参数为 ， 系统的仿真与实验 在 真分析 电压峰值为 稳压电容为 流侧电容两端电压波形 输出直流电压的动态响应快 为交流侧 定在期望值 可以看出 化 统具有良好的控制效果 且网侧电压 直流电压期望值为 ： 网侧滤波电感为 开关频率为 可以看出 环境下对上述系统进行仿 电源 直流 侧 为直 系统 电压稳 电流波形 ， 系统实现了网侧电流的正弦 本系 在 相的电压 8 kHz。 三相 图 9 。 三相 VSR 电流波形同相位 5 mH， 图 8 VSR 综上所述 0.04 s 以后 A ， ， ， ， 、 ， ， 、 ， 。 在理论建模和软件仿真的基础上 选用 的 TMS320F2812 作 为 处 理 器 作为主开关器件对 （PM75DSA120） 可逆整流 器进行了实 验验证 动信号均进行了光耦隔离 PWM 为 防止干扰 软件流程如图 ， ， 并 用 ， 公司 TI 模 块 IPM 脉宽调制 所 有驱 所示 ， 10 。 。 。 图 8 直流侧输出电压波形 时 ， 2.2 第 卷第 期 05 31 由以上分析 电流内环闭环传函可近似为 ， 当开关频率足够高并忽略高次项 Wci（s）≈ 1 1+ Rτi KipKPWM 1 1+3Tss = s （10） 电压外环设计 PWM 流侧电压 控制的系统来说 波频率时 Vdc， ， ， 整流器的电压外环主要是为了稳定其直 对于由交流侧单位功率因数正弦电流 当开关频率远高于电网电动势基 系统直流侧电流可近似为 idc≈0.75 mImcos θ 表示开关函数初始相位角 其中 ，θ 调制比 器 结构如图 间常数 ， 电压调节器 （m≤1）。 并考虑直流侧电容 所示 图 。 6 则三相 ， 中 ，τν 6 PWM 表示 ，m 仍然采用 （11） 的 调节 电压外环控制 表示电压环采样小时 VSR PI AUR ，Wci（s） 为电流环闭环传递函数 。 同样为 AUR PI 图 电压环结构图 6 调节器 其传递函数为 ， WAUR（s）=Kνp Tνs＋1 Tνs （12） 式中 电压调节器的参数 Kνp、Tν——— 电压外环的近似处理 由式 ： （10） ，KνI＝Kνp/Tν。 可知 ，Wci（s）≈ 考虑对系统稳定性的最大影响 用 1 1+3Ts s ； 的最大比例增益 代替 ； 0.75 mImcos θ 样小时间常数 得 析 ， τν 忽略负载电流 的扰动 Teν=τν+3Ts； 电压环的简化控制结构如图 iL 。 所示 ， 0.75 合并电压环采 3Ts， 综合以上分 和电流内环等效小时 间常数 7 。 图 9 交流侧 相电压 、 A 电流波形 图 7 电压环简化结构图 当着重考虑电压环的抗扰性能时 Ⅱ型系统设计电压调节器 传递函数为 ， 由图 7 Wov（s）= 0.75 Kνp（Tνs＋1） CTνs2（Teνs＋1） 由此得电压环中频宽 hν＝Tν/Teν 根据典型型系统参数的整定关系 的抗扰性能与跟随性能 可选 ， hν＝5， Kνp＝ 4C （τν+3Ts） KνI= Kνp Tν ＝ 4C 5（τν+3Ts）2 应按照典型 得电压环的开环 ， （13） （14） 综合电压环 , 经计算得 图 10 PWM 整流器软件流程 4 结语 通过仿真与实验的验证 整流器运行结果符合理论分析 ， 环境下调试的 也为整流 器的产品化 提供了方便 电压空间矢量控制的 实验的软件部 便于程序的修改和移 具有广阔的 。 ， ， CCS3.0 PWM 分是在 植 市场前景 ， 。 （15） （16） 59 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 31 2010 卷第 年 05 05 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.31 No.05 May. 2010 东达峁尾巴二矿薄煤层开采及其液压支架选型研究 三一重型装备有限公司 支护研究院 （1. 王悦勇 1， ， 沈阳 刘德利 1， 110027； 2. 李怀志 1， 黑龙江宏源工矿工程建筑有限公司 尹 仟 2 摘 要 介绍了东达峁尾巴二矿复杂的煤层赋存条件 根据液压支架选型原则选用了一种适合的薄煤层液压支架 黑龙江 鹤岗 考虑到煤层储量 154101） 开采方案和投资等问 为该煤层的高产高效提供了重要前 、 ， ， ， 薄煤层 液压支架 选型分析 ； ； ： TD355 文献标志码 文章编号 ： A ： 1003 － 0794（2010）05 － 0060 － 03 ： , 题 提和保障 。 关键词 中图分类号 ： Dongda Loess Hill Tail Thin-seam Mining Mine Selection of Hydraulic Support WANG Yue-yong1， LIU De-li1， LI Huai-zhi1， YIN Qian2 （1. Supporting Research Institute, Shenyang Sany Heavy Equipment Co., Ltd., Shenyang 110027， China； 2. Heilongjiang Hongyuan Construction Co., Ltd., Hegang 154101， China） Abstract： Introduced the Dongda loess hill tail two ore complex coal bed tax saves the condition, considered questions and so on coal bed reserves, mining plan and investment, have selected one kind of suitable thin coal bed hydraulic support according to the hydraulic pressure support shaping principle, has provided the important premise and the safeguard highly effective for this coal bed high production. 1 ， ， ， 倾角 1~3°， 对比可靠 该煤层全区可采 区内无断裂和较大的褶曲构造 中部 造 育有宽缓的波 状起伏 简单类型 Key words： thin-seam mine； hydraulic support； selection analysis 东达峁尾巴二矿煤层赋存条件 东达峁尾巴 二矿位于东 胜 煤 田 勃 牛 川 普 查 区 其基本 构造形态为 一向西南倾 斜的 单 斜 构 但发 地质构造属 井 田含煤地层 为侏罗系中 下统 延 安 组 可划分 ， 岩段上部 矿区 。 号煤层 （Ji-2y）， 为 遭受剥蚀 内具有工业开采价值煤层有 。 依据其岩性组合及沉 积旋回特征 岩段下部及第 1 即 部 位稳定 底板岩性为泥岩 较稳定煤层 井筒见煤后方位不变 ， 回风 大巷 到原矿 井 柱 这是一个投资小 。 仅残存第 无岩 浆岩侵入 矿区范围内第 岩段及第 2 岩段 个岩段 再沿 层 2 2 3 3 3 ， ， ， ， ， ， 、 。 2 ， 6-1 、 开采方案的确定 新设计井筒方位与原来的 沿 3 条大巷方位垂直 ， 煤层接着掘进主运及 6-2 条大巷位 置后留 好 保 安 煤 通过比较 ， 条大巷以北剩余 ， ， 条大巷方位施工首采面顺槽 3 见效快的方案 ， 。 3 煤层可采厚度 ， 顶 板岩性为 粉砂岩 1.8 m ， 砂质泥岩 粉砂岩 , 、 左右 层 。 砂质 泥岩 、 ， 属全区可采的 号煤层 。 6-2 号 煤 层 位 于 延 安 组 一 岩 段 6-1 属全部可采的次要可采煤层 ： （J1-2y1） 煤层厚度 不含夹矸 ， 部 个钻孔中 ， 结构简单 较纯 局部为细粒砂岩 , 号 煤 层 ， ， ： 含丰富的植物化石 。 。 1.10～1.50 m， 该煤层在全区内 平均 顶板为砂质 泥岩 5 煤层 质 ， 底板为深灰色砂质泥岩 1.38 m， 深灰 色 ， ， ， 属全部可采的较稳定煤层 位 于 延 安 组 一 岩 段 。 （J1-2y1） 的 底 块三角煤 后期可以利用 条大巷进行回收 1 的 中 ， 3 个煤层采用联合布置的方式 。 2 （ 用倾斜联络巷联系 包括 新掘送的主运及回风大巷 置后留好保安煤柱 再沿 顺槽 ， 划分成 个工作面开采 ， ， 3 。 3 沿新主运 和回风大巷 的方向 6-2 ， 上层煤和下层煤 大巷与顺槽采 即 条大巷位 到原矿井的 条大巷方位掘进首采面 将该 块段煤田 ）， 3 ， 根据本矿煤 层赋存条 件 适 宜 采 用 长 壁 后 退 式 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 参考文献 社 王兆安 杨君 ， ， 刘进军 等 . ， ［1］ 谐波抑制和无功功率补偿 ［M］. 北京 ： 机械工业出版社 ，2005. 钟 炎 平 , ［2］ 沈 颂 华 . PWM 整 流 器 的 一 种 快 速 电 流 控 制 方 法 中 ［J］. 国电机工程学报 ,2005,25 (12):52-56. 王清灵 . ［3］ 基于矢量控制技术的 PWM 整流器理论与仿真 安徽 ［J］. 理工大学学报 自然科学版 ( )，2006 张 崇 巍 张 兴 ， ［4］ . PWM 整 流 器 及 其 控 制 ［M］. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 ［5］ ［6］ ［7］ ，2003. . 唐万生 刘豹 ， 陈伯时 电力拖动自动控制系统 现代控制理论 ［M］. 北京 ： . ［M］. 北京 机械工业出版社 : 机械工业出版社 ，2003. ，2006. 李小军 位论文 风力发电网侧变频器的控制 华北电力大学 硕 士 学 ［D］. . ，2009. 作者简介 ： 朱一凡 （1986- ）， 安徽淮南 人 在 读 研 究 生 研 究 方 ， ， 向为电力电子与电力传动 . 责任编辑 60 卢盛春 收稿日期 ： ：2009－12－06 6-2 ： 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net