双向四象限控制及应用技术

双向四象限控制及应用技术

一、概述

电力电子电路是指由半导体电力电子器件组成的电路，随着技术进步已发展了多种电力电子电路，按变换功能可分为直流变换电路（DC/DC）、交流变换电路（AC/AC）、整流电路（AC/DC）、逆变电路（DC/AC），按控制方式可分为相控式、频控式、斩控式、组合式，按电能流传方向可单向电路、双向电路，按电隔离能力可分为隔离型与非隔离型，按开关环境可分为电硬开关电路与软开关电路。

所有的电力电子电路均包含功率电路与控制电路两部分，功率电路又称主电路，它依靠功率器件的开关性能和电路结构实现电能变换；控制电路是根据采用的控制策略和工具对控制信号（含主控和反馈等信号）进行必要的加工处理以形成功率器件控制极信号，实现对电能的变换与控制，随着PID（功率集成器件）和PIC（功率集成电路）的发展，这两部份电路无论在制作工艺和电路结构等方面日益紧密相连。

单向电路是指电能只能从电路的输入端向输出端负载输送的电路，如直流变换电路中的单象限电路；相反双向电路的电能则可在电路出入端之间来回流传。如直流变换电路中的多象限电路。若忽略电路内耗，电路出入端的功率平均值应相等。但功率瞬时值并不对应，也即出端功率平均值为正，其瞬时值在某些时区可为负，存储在负载中的能量在该时区中经电路反馈到电源；对于带有源负载的直流变换电路，负载功率瞬时值为负不止是载波周期的某些时区，而是持续一段时间，例如车辆减速制动过程的大部分时间。若电路具有双向功能，则负载多余的能量将经是电路反馈到电源。在该过程中，电路出入端功率平均值皆为负。无论从提高电路性能和节能等方面，双向电路均优于单向电路。随着技术的进步，双向电路的应用日广。

单象限、双象限、四象限控制的特点：1、当变换电路出端电压和电流只维持一种极性时称为单象限电路，若负载为直流电动机，则仅能运行于正转电动状态，构成不可逆调速系统。2、若出端电压或电流平均值极性为可变时称为双象限电路，若负载为直流电动机，则可工作于电动和制动双种状态。3、若变换电路出端电压和电流平均值极性均为可变时称为四象限电路，若负载为直流电动机，则可工作于正、反转电动和制动状态，构成直流可逆调速系统。单象限电路是最基本的电路。而多象限电路是利用不同拓扑的单象限电路复合而成，例如电流双象限电路是利用两个不同的单象限电路复合而成等。

双向四象限技术已成功应用于直流调速系统、有源电力滤波器、UPS、变频率器等领域，利用双向电路的四象限控制实现节能、改善电能质量、复杂控制应用等要求。使产品具有效率高、成本低、体积小、功能强等优点。

二、直流调速系统中的应用

可逆直流调速系统带反抗型负载，其转矩特性如图1所示，反抗性负载转矩是恒转矩负载的一种常见形式，是由摩擦阻力产生的转矩，故又称摩擦转矩，其特点是不管运动方向如何，其转矩与电动机转速恒保持同号，即始终是制动转矩，常见的生产机械中如起动机的行走机构等。

图1 转矩特性 双极性PWM四象限桥式电路带他激式直流电动机负载时的开环转速公式可表示为： （2D-1）o- Ioo/Ceφ （1） nrn = （2D-1）o+ Ioo/Ceφ （2） 式（1）适用于第一和第四象限（Io>0）:当0.5

nr实时响应等。随着微机控制技术的不断发展以及数字信号处理器(DSP)运算速度的不断提高，无差拍控制法，单周控制法及其他快速优化控制法将在APF中得到进一步的应用。

单周控制法作为一种非线性控制法，最早由美国学者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制开关的占空比，使每个周期内开关量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。目前已成功地应用到DC-DC变换、音频开关放大器、功率因素校正和有源电力滤波器等。本文所提出的基于DSP的单周控制有源电力滤波器不仅结构简单可靠，而且具有很好的动态和静态补偿特性及控制器简单的优点。抗电源干扰能力强，鲁棒性好。

1. 单周控制

单周控制原理如图1所示，它由控制器、1个比较器、1个可复位积分器及时钟组成，其中控制器可以采用RS触发器或D触发器。开关K，K1为一对互补的开关，频率为fs=1／Ts。在每一个周期开始，即t=0时，时钟信号到，开关K闭合，K1断开，输出y(t)的波形和输入x(t)的波形相同，积分器由0开始积分。在t=dTs时(其中d为占空比，d=Ton／Ts，根据模拟控制参考vref调制，且0

从图1中可以看出，输人信号x(t)被开关斩波形成输出信号y(t)，输出信号y(t)的频率和脉宽是与开关函数一致，而输出信号y(t)的包络线与输人信号x(t)一致。占空比D为模拟控制参考信号Vref所调制，从而达到对控制变量平均值进行控制的目的。

2、主电路分析与控制量关系

图2为包括电源电压US、非线性负载、电压源型变换器以及DSP单周控制器构成的单相并联型APF主电路，其中L为输出滤波电感；C为储能电容；RS为电流取样电阻。

如果图2中开关S1，S2，S3和S4采用单周控制器输出的调制脉宽波进行控制，并分别设开关S1，S2在一个时钟控制周期中导通的占空比为d1和d2；相应地开关S3，S4在一个单周期内开通的占空比则分别为(1-d1)和(1-d2)。

APF工作时能量在交流电源和APF直流侧电容之间交换，故变换器应工作在四象限。在电源电压US的正半周，开关S4应该始终开通，同时S2则始终关闭，开关S1，S3由脉宽调制波控制其互补开闭；在电源电压US的负半周，开关S3应该始终开通，同时S4则始终关闭，而S1，S2由脉宽调制波控制其互补开闭。根据单周控制原理，由图2可知，在一个单周期内有下式(1)：

其中Ts为开关周期。由于在一个单时钟周期内，电容电压uc、电源电压us和电感电压uL均可以视为常数，可以被提到积分号外面，因此可得：

式(3)就是主电路中交流电压与变换器直流侧电压的关系。然而，式(3)似乎表明直流电压等于交流电压。实际不然，式(3)所表示的实际上是在一个时钟控制周期内，交流电压与直流电压的关系。

3 控制模型

在APF控制下，从电源角度看，APF与非线性负载并联后构成的总负载应该有单位功率因数，即单周控制APF的控制目标就是使电源的总负载呈电阻性，即电路

应该满足下式：

式(6)即为单相并联型APF的单周控制模型。在式(7)的控制关系成立时，电路中的电压电流关系也必然使式(4)成立，即使电路具有单位功率因数。式(7)中u'c实际上可以对变换器直流侧电容电压做适当分压并经过比例调节器得到，而Rs为与电源串联的取样电阻。同时，式(7)的单周控制模型表明：对电容电压的分压值进行积分，积分输出与式(7)右边的Rsis或-Rsis进行比较，根据比较结果来决定是否使积分器复位，即决定开关的占空比。

由以上分析及式(7)可得到图3的单相并联型APF单周控制模型。该模型采用2个独立复位积分器分别满足式(7)中2个式子的比较量需要。