四象限三电平悬浮斩波器研究.pdf

第46卷第2期
电カ电子技术
Vol 46. No. 2
2012年2月
Power Electronics
February 2012
四象限三电平悬浮斩波器研究
宋静文1,王健安2,郭育华],夏猛
(1.西南交通大学,磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,四川成都610031
2.成都航天通信设备有限责任公司,四川成都6100003.青岛四方车辆研究所,山东青岛266031)
摘要:传统的两电平玨桥磁悬浮斩波器结枃简单,控制方便,但开关损耗大,效率低。在此介绍了四象限H桥
悬浮斩波器三电平控制模式,其拓扑结构与两电平完全一致。基于PWM技术,控制斩波器开关的导通模式。理
论分析表明,利用相位角相差180°PWM控制方式实现三电平控制,降低了负载电压应力,电磁兼容性也显著
改善。仿真和实验结果验证了该方法的可行性
关键词:斩波器;磁悬浮;三电平控制
中图分类号:TP273
文献标识码:A
文章编号:1000~100X(2012)02-0072-02
Research on Four-quadrant Three-level Maglev Chopper
SONG Jing-wen, WANG Jian-an, GUO Yuhua, XIA Meng.
( 1. Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Magdev Vehicle, Chengdu 610031, China)
Abstract: The conventional two-level H-bridge maglev chopper with simple structure is easily controlled, but it has
high sw ch loss, low efficiency. This paper introduces four-quadrant H-bridge maglev chopper with three-level control
model. Its circuit topology is same as the conventional maglev chopper. The switch conduction mode is based on the
PWM control. The theory study shows that by using carrier phase shift 180, PWM control mode reduces the load volt
age stress and improved the electromagnetic compability mulation an expemental results verify the feasibility
Keywords chopper; magnetic suspension; three-level control
1引言
2H桥四象限悬浮斩波器三电平控制
磁悬浮列车是一种新型的轨道交通运输工2.1主电路拓扑图
具。它利用电磁吸引力或排斥力使车体悬浮于轨
图1为桥四象限悬浮新波器三电平控制主
道之上,列车与轨道之间无接触,克服了两者间的电路拓扑。它与传统H桥两电平斩波电路拓扑相
接触磨损,减小了运行阻力,具有速度快、能耗低、同,仅控制方法改变,将控制PWM載波移相180°,
舒适、噪音小等特点。目前磁浮列车悬浮系统可分从而在负載电磁铁上得到士和零3种电平。
为电磁吸力悬浮和电动斥力悬浮两种。前者的悬
浮力全部由电磁铁提供,在运行中能量消耗非常
vik
大,且影响悬浮气隙的进一步增大。因此可采用混
负载电磁铁
合悬浮系统,它是永久磁铁和电磁铁结合的悬浮
K
VTA
系统,稳定悬浮时所需的静态平衡力由永久磁铁
图1H桥四象限悬浮斩波器主电路拓扑
提供,而动态平衡力则由常导线圈提供,电磁铁既
要提供正向力又能提供反向力,即悬浮斩波器不2.2三电平控制时序
但要能提供正向电流,还要能提供负向电流,故使
图2示出四象限控制时序。
用四象限H桥斩波器。
在此从多电平开关理念出发,研究了三电平
悬浮斩波器。它降低了开关元器件的损耗,减小了
开关电压应力,有效地削弱了电磁干扰。
VT4
定稿日期:2011-08-30
作者简介:宋静文(1987-),女,四川遂宁人,硕士研究生,
ー→ーーーーーーー
研究方向为电机控制和新能源技术。
图2H桥四象限悬浮斩波器三电平控制时序
四象限三电平悬浮斩波器研究
VT,VT4上的PWM相位相差180°,占空比D
40
分为3种情况:①D>50%,当VT1,VT同时导通,
负载电压U。=Ua;当开关一个导通,一个关断时,-0
U。=0;②D=50%,VT,VT:交替导通,U=0;③D50%,当WT,WT同时关断,U=-a;当开关一个导0
通,一个关断时,U=0。
0.217.25
7,3517.45
2.3三电平控制工作模式
(a)VT1和VT4开关信号
(b)负载电流
设斩波周期为,元器件均为理想元器件,导
图3VT,VT。开关信号和负載电流波形
通开始时刻为,通过分析可得D=1-21/T,以三3.2三电平控制实验分析
电平控制方式下工作于ー、二象限的电路,分析开
为验证上述理论分析和仿真结果,建立了实
环时状态如下?
验平台,控制芯片采用 Sartan-3系列的FPGA。
(1)0a1当t=0时,a(0)=1,为开关断开FPCA具有强大的逻辑处理能力和丰富的I/O口
电路初始电流值,VT1关断,VT4导通。U(0)=-0,I(t)资源,非常适合作为多电平系统。外扩AM/D转换芯
按指数规律下降,有
片选用AD7864。实验中选择负载侧电感为6mH,
Ra()+L以4O)=0=()=eau(1)电阻为1.879.开关频率为5kH。
实验给定电流为20A时,两电平、三电平控
当=4时,(4)=,2为开关断开末态电流值,制负载电流波形如图4所示。可见,实验结果与理
代入a(t)=1e可得:l2=erB"。
论分析一致。对比两电平与三电平控制可知,在输
(2)1<(()按指数规律增长,有
率差别不大,但三电平减小了输出电流的毛刺及
Rim ()+ L
输出纹波,控制性能优良,表明该三电平理论及控
制正确有效。
(t)=。[1
R
当t=T2时,(T/2)=l,代入式(2)可得:
[1-eKm+ルJ+lemn(3)
d
由式(2)和式(3)解得:
r/(40ms/格
R(T2M儿
R(2D)-∥
t/(40ms/格)
I1=
Uale
(4
(a)两电平负载电流
(b)三电平负载电流
R
e
-RT()
R
-Rn(2)
图4实验波形
(3)TV2<<(+1T/2)VT关断,VT1导通,与
4结论
0(4)