煤炭技术CoalTechnologyVol.33No.06Jun.2014第33卷第06期2014年06月doi:10.13301/j.cnki.ct.2014.06.0760引言磁链是当三相理想正弦波电网电压给异步电动机供电时，在空间形成的理想圆形轨迹。但是在PWM整流器系统中不存在三相对称绕组，也不存在内部的一些电磁关系，但可以用“虚拟磁链”概念去处理问题。磁链的优点表现为：（1）电压对时间的积分，相当于一个低通滤波器，使得电网电压k次谐波减少到1/k。同时，由于开关高频动作而引起的纹波也很大程度地被衰减。（2）基于虚拟磁链控制方式，不必使用电流闭环就可实现电流控制。（3）磁链概念的引入，使PWM整流和PWM逆变有机地统一起来。1基于虚拟磁链的直接功率控制原理三相电压型PWM整流器基于虚拟磁链的直接功率控制结构如图1所示。图1基于虚拟磁链PWM整流器直接功率控制结构图图1中设电网电压三相对称且稳定，相当于虚拟电动机的反电动势；L和R为整流器系统的等值电感和电阻，相当于虚拟电动机的漏电感和定子等效电阻。主电路开关器件IGBT和二极管反并联，视为理想开关，由开关函数来反映，直流侧为滤波电容Cdc，负载电阻RL。整个控制回路由虚拟磁链估计、瞬时有功和无功功率估计、功率滞环比较、功率开关表等几个部分构成。2虚拟磁链观测器设计虚拟电网磁链定向的核心是虚拟电网磁链矢量ψe的空间位置角θ（θ=ωt）的观测。在交流电机磁链观测中，为了解决纯积分器的初值问题，通常采用一阶惯性滤波器τ/（1+τs）来代替磁链估计中的积分器（1/s）。虚拟电网磁链观测器的结构图如图2所示。图2虚拟电网磁链观测器的结构图从图2可以看出观测的误差直接同截至频率ωc有关，截至频率越小，磁链的幅值和相位的误差越小，当截至频率ωc=0时，一阶滤波环节就变成了纯积分环节，若忽略积分初值的问题，磁链观测的误差将最小。但在实际系统中，截止频率又不能选的太小，当截至频率选得过小时，不但系统的直流偏置衰减很慢，而且系统的稳定性也受到很大的影响。通常截至频率的选择范围应在20％～30％的同步角频率。3基于虚拟磁链的功率估计为了避免d-q坐标旋转变换，考虑在两相静止坐标系（α，β）中进行功率估计，可以推得E=dψedt+jdψedt+jω（ψeα＋ψeβ）（1）基于虚拟磁链的异步电机直接功率控制研究陈寇忠（中国煤炭科工集团太原研究院，太原030006）摘要：结合虚拟磁链的优点对三相电压型PWM整流器的直接功率控制进行了研究，对虚拟磁链观测器进行设计，对虚拟磁链功率进行估计，并在MATLAB里对系统进行了仿真。关键词：PWM；虚拟磁链；直接功率控制中图分类号：TM461文献标志码：A文章编号：1008－8725（2014）06－0192－02ResearchonDirectPowerControlofAsynchronousMotorBasedonVirtualFluxCHENKou-zhong（TaiyuanInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Taiyuan030006,China）Abstract:Combiningtheadvantagesofvirtualfluxbaseddirectpowerofthree-phasevoltagetypePWMrectifiercontrolisstudied,designedthevirtualfluxobserver,thevirtualfluxpowerestimation,simulationismadeandthesysteminMATLAB.Keywords:PWM；virtualflux；directpowercontrolαβψαψβiαiβQrefPrefCdcudcRLeauαiαψeα+1Ls+ωc+ebecLibiaLLRRRSaθnSbudc*+-Scudc虚拟磁链估计瞬时有功和无功功率计算QP+--开关表PI192中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第33卷第06期Vol.33No.06基于虚拟磁链的异步电机直接功率控制研究———陈寇忠式中E———电压矢量ψeα、ψeβ———α和β相的磁链。根据视在功率s＝E·I可以推得P=dψedtiα+dψedtiβ+ω（ψeαiβ-ψeβiα）（2）Q=dψedtiβ+dψedtiα+ω（ψeαiα-ψeβiβ）（3）式中P、Q———有功功率和无功功率；iα、iβ———α相和β相的瞬时电流。假定电网电压平衡且保持正弦，对于磁链幅值的微分恒等于0，进一步推得用虚拟磁链估计功率P=ω（ψeαiβ-ψeβiα）（4）Q=ω（ψeαiα+ψeβiβ）（5）4基于虚拟磁链的直接功率控制系统的仿真（1）仿真模型的建立根据以上对VF-DPC控制系统的设计，利用MATLAB仿真软件中的SIMULINK模块建立控制系统的仿真模型。仿真模型主要由PWM整流主电路、瞬时有功和无功功率估计模块、功率滞环比较模块及开关表模块几个部分组成。（2）仿真结果分析仿真选用的参数：电网相电压峰值Em=200V，电源频率f=50Hz，R=0.1Ω，L=10mH，Cdc=1800μF，RL=500Ω，直流电压udc=380V；VF-DPC系统采样频率fN=50kHz，平均开关频率fs=4kHz，滞环带宽为5×10-4。整流器直流侧以电阻作为负载，输出功率为2.6kW，整流器工作在单位功率因数情况下。图3为系统由虚拟磁链观测器所观测到的虚拟电网磁链轨迹，磁链轨迹近似为圆形，直流偏置很小，说明所设计的磁链观测器是可行的。图3虚拟电网磁链轨迹图4为系统直流电压波形，由于系统所采用的功率开关表对于无功功率调节能力强，有功功率调节能力弱，而直流电压决定于有功功率，因此电压的启动性能和跟踪能力有所下降，在0.14s后系统达到稳定，正常情况下系统运行平稳，直流波动小。图5为系统稳定时，整流器交流侧电网电压和电流波形。通过对电流进行谐波分析，输入电流总畸变率为4.85％，由于电压对时间的积分相当于一个低通滤波器，使得电网电压的k次谐波减小到1/k，所以VF-DPC控制系统电流总畸变率很低。由仿真波形可知，电网电压和电流在稳定时相位相同，接近单位功率因数。图4系统直流电压的波形（a）A相电压电流波形（b）A相电流频谱图5系统稳定时电压和电流波形图6为系统瞬时有功和无功功率波形。由图6可知，启动时有功和无功功率有短暂的波动，稳态时有功功率在给定值上下微小地波动，无功功率在0附近微小波动。（a）瞬时有功功率波形（b）瞬时无功功率波形图6系统瞬时有功和无功功率波形5结语基于虚拟磁链直接功率控制（VF-DPC）采用直流电压外环、功率控制内环结构。在进行功率估算时，采用的是基于虚拟磁链的估算方法，这样不仅避免了电流闭环控制，而且有效地削减了电流波形中的次谐波，降低了电流谐波总畸变率。从仿真的结果来看，能实现高功率因数控制，在启动过程中，直流电压、有功功率及无功功率出现了较大的波动，即启动时的动态性能不好。但这种控制策略均能很快达到稳态，并且稳定时直流电压波动很小，采用这种控制策略，系统可以获得良好的动态性能，有非常大的应用前景。参考文献：［1］何致远，韦巍.基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制研究［J］.浙江大学学报，2004（12）：86-89.［2］赵绍刚.三电平空间电压矢量PWM整流器研究［D］.徐州：中国矿业大学，2004.作者简介：陈寇忠（1988-），山西文水人，助理工程师，硕士，现在从事电气系统的设计研发工作，电子信箱:843920163@qq.com.责任编辑：李富文收稿日期：2014－04－18αβαβ电压/V电流/A磁链－α/Wb磁链－β/Wb-1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-0.500.51.0时间/s直流电压/V0.054003503002502001501005000.100.150.200.250.30频率/Hz电流频谱幅值654321020040060080010000200150100500-50-100-150-200时间/s0.050.100.150.200.250.30时间/s无功功率/kW0.05420-20.100.150.200.250.300时间/s0.050.100.150.200.250.300有功功率/kW6420-2、193中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net