基于台达AFE2000的四象限变频控制

相位控制部分也可称为功率因数控制，实质为调节功率因数的大小，保证实现电流与电压的同相位。相位控制环通过检测相电流iR的基波相位，经低通滤波后得相位角φ，再与指令φ*比较，并经PI调节器后用于调节PWM调制的相位控制器角α，使系统工作在任意的功率因数角下。相位检测的精度对控制特性有很大影响，因此，要求有稳定工作的基波电流相位检测电路。LPF的输出信号电平决定了α的控制，一般要附加限幅电路，使α限制在±π/4之内。

图6 控制系统框图

(2) 电压控制

PWM整流器的输出直流电压基本上取决于交流线电压和调制深度M，并与调制深度M基本成反比关系，因此，可以与功率因数分开，独立控制直流电压。从控制特性上考虑，当直流电压需要稳定控制时，必须用到电压控制环，由于直流电压与M成反比关系，因此，控制电路对电压控制信号最好具有线性关系。而且，闭环控制时，最好加调制深度限幅电路，使得调制深度不要小于MC。

2.3有功无功分解控制

了解到三相PWM整流器的控制原理后，在此基础上进行算法的深入研究。通过控制原理的了解，我们可以发现，PWM整流器的控制目标是输入电流和输出电压，而输入电流的控制是整流器控制的关键。输入电流的控制目标是使电流波形为正弦波且与输入电压同相位。

在PWM整流器控制方法上，将三相交流电流变换成d-q坐标系，从而进行对电流d、q的分量单独控制，这样有功功率和无功功率的单独调节将会十分简便。

通过图1可列出PWM整流器的三相控制电压方程：

(1)

采用空间坐标变换方法，将上述方程变换到两相静止坐标中，其变换阵为：

(2)

变换方程为：

(3)

再进一步由α-β坐标系转换为d-q坐标系，变换阵为：

(4)

变换方程为：

(5)

经过以上变换后，在同步旋转坐标系下PWM整流器方程为：

(6)

上式中，usd与usq为d-q坐标系下的电源电压，ud和uq为d-q坐标系下的桥臂中点控制电压。再回到三相空间静止坐标下，取三相输入电压usa、usb和usc为：

(7)

则经过同样坐标变换，在d-q同步坐标系下有：

(8)

将式(8)代入式(6)得：

(9)

由式(9)可见，id,iq之间存在耦合，通常有电压前馈解耦控制和电流反馈解耦控制两种，前者虽是一种完全线性化的解耦控制方案，但实时性问题实现起来效果并不好。本文采用电流反馈解耦控制方式实施方便，控制电路简单。

实际应用中，当电压环的采样频率远高于电网电压的频率时，在方程中造成互耦的ωLid和ωLiq对电流调节器性能影响小，忽略这个因素，这样将电流控制指令 与反馈电流id,iq比较，其误差经过PI调节得到电压给定信号，即：

(10)

将式(1)至式(10)的过程整合起来，得到控制框图如图7所示：

图7 PWM整流器矢量变换控制图

3 台达AFE2000能量回馈单元

AFE2000是台达IABU提出的一款与变频器匹配的能量回馈装置，AFE2000采用有功无功电流解耦控制，通过CLARK-PARK变换达到有功和无功的解耦控制，从而实现功率因数调整和能量回馈控制。其外观图如图8所示。

图8 AFE-2000外观图

AFE2000将回生能量通过IGBT逆向回馈至电网，改善了传统的热电阻消耗的热能浪费、维修困难等缺点。两种模式的状况对比如图9所示：

图9 回生能量消耗方式

通过图9可知，能量回馈也分为两种方式，一种为只进行能量回馈，但是无法实现功率因数的改善;另一种为进行能量回馈，同时也进行功率因数的改善。AFE2000属于最高层，即可以进行能量回馈，同时也能实现功率因数的改善，且控制参数简便，容易调整。

4 结语

三相PWM整流器因其所具备的功率因数改善和能量回馈等功能，越来越受到广大工程应用人员的青睐。台达AFE2000正是基于三相PWM整流器开发的能量回馈单元，其控制模式简单，功能强大，能同时进行功率因数与DCBUS电压的双重调整，将其与变频器连接后，真正实现了绿色调频的理念，抛弃传统的能耗很高的热能消耗方式，将回生能量充分利用，符合节能、环保、爱地球的理念。■

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