Calnetix制作了一份详细的白皮书,解释电力电子是如何工作的。下载一份,请点击这里。

摘自Calnetix题为《电力电子工作原理概述》的白皮书:

Calnetix的Vericycle™双向驱动器通常与高速永磁同步电机(PMSM)接口。电力电子可以配置为各种永磁同步电机的极点数,包括更复杂,更高的极点配置。在公用事业方面,Calnetix电力电子驱动器能够与美国和国际电网连接,这些电网在我们的规范中定义的电压/频率范围内。

电力电子的体系结构

Calnetix的电力电子电力架构有一个非常简单的硬件配置,由两个相同的逆变器模块组成,由一个直流链路电容器连接。直流链路电容器为模块提供低电压纹波直流能量缓冲器。这两个电力电子模块在结构和配置上是相似的。因此,Vericycle™驱动器能够进行双向潮流操作(驱动模式或发电模式)。

电力电子模块的监控控制根据系统的应用情况,自动为各模块分配不同的功能运行模式。连接到公用电网的电力电子模块在电机驱动应用中起主动整流作用,在发电应用中起并网逆变器作用。连接到电机的电力电子模块在电机驱动应用中采用变压变频方式,在产生应用中采用变压变频主动整流方式。

图1演示了Vericycle™的基本构建块电力电子。

在发电模式下,由电机产生的高频交流电源通过电机侧逆变器转换为直流稳压电源,从而对直流链路电容器进行充电。机器侧逆变器采用磁场定向控制,保持电流为正弦,从而在保持最佳功率转换效率的同时优化来自机器的功率。然后,将直流电源转换成50hz或60hz的交流电,将其输送到商用交流电网(公用电网)。

在电动模式下,由电网侧逆变器在主动整流作用下,将电网的50hz或60hz交流电源转换为直流稳压电源,对直流环节电容器进行充电。将直流环节的能量通过电机侧逆变器转化为三相变压变频交流电源驱动永磁同步电动机。

监督控制器的体系结构

Calnetix开发了一种简单而健壮的监控控制,该控制采用了一种无传感器算法来控制电力电子级,这种控制在电压和频率的大范围工作条件下是稳定的。该控制器对电网电压不平衡和波形畸变具有良好的容忍度。在系统设计中不使用速度、位置或电压传感器为pmsm的设计提供了重要的硬件简化。它还解决了与电气噪声和高压隔离问题相关的最常见的技术挑战。

该控制器基于无传感器场定向算法的原理,利用空间矢量调制(SVM)方案来控制电网和机器逆变器的级。在并网逆变器控制的情况下,将并网比作一个虚拟永磁同步电动机,其阻抗与滤波器电感给出的电机电阻和电感相匹配,如图2所示。反电动势被认为是电网的均方根电压。

下午虚拟逆变器

电网侧电力电子模块通过每相一个串联电感器连接到三相电网,如图3所示。对逆变器的电感值和开关频率进行了优化,使基频进入电网的谐波降至最低。电机侧功率电子模块通过每相一个串联电感器与三相电机连接。优化了逆变器的电感值和开关频率,使输入电机的基频谐波降至最低。

永磁同步电动机机网格

基于空间矢量调制的无传感器磁场定向控制(FOC)采用了虚拟磁通估计器和锁相环(PLL)。与其它电力电子系统中常用的感测电压方法相比,该方法具有更好的抗噪性。锁相环能够平滑地跟踪电网频率和电压角,这使得控制可以跟踪电压波形,从而产生接近单位功率因数的功率流到电网。

该模块的闭环调节控制算法非常相似,主要由两个控制回路实现:内部电流控制和外部电压或速度控制。外部电压控制(或速度)是用来调节直流母线电压到预定的值。内部电流回路用于调节进出电网或电机的电流的大小和相位角。d轴和q轴电流解耦,然后由电流控制器分别调节。该控制的主要目的是将直流母线的电流(功率)通过单功率因数的方式传输到电网中,反之亦然。无功电流(功率)也可以通过控制回路内的d轴变量进行调节。图4和图5显示了控制器内的基本控制块。

控制功能还包括接口通信、PWM换相、信号输出和临界条件的保护,如过流、过压、过速和过温。

电动发电机控制图

栅极连接——有源整流控制图