基于TMS320F28335的變頻器能量回饋系統(tǒng)

毛康宇，寧國云

（武漢大禹電氣有限公司，湖北 武漢430205）

變頻器廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在很多情況下，其負(fù)載會(huì)回饋能量.大多數(shù)變頻器屬于兩象限變頻器，不具有把負(fù)載的再生能量回饋到電網(wǎng)的功能，只能通過配備制動(dòng)單元，將電機(jī)的再生能量通過制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗掉.在變頻器內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)能量回饋器，可以實(shí)現(xiàn)將再生能量回饋到電網(wǎng)，避免使用制動(dòng)電阻耗能.本文設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F28335的變頻器能量回饋器，并進(jìn)行了試驗(yàn).

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)能量回饋原理

具有能量回饋功能的電壓型變頻器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示［1］.

圖1 具有能量回饋功能的變頻器結(jié)構(gòu)

變頻器的硬件電路由主回路和控制回路兩部分組成.主回路由變流器1、變流器2、直流支撐電容組成，2個(gè)變流器均可工作于整流和逆變狀態(tài)；控制回路由模擬采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)界面電路等構(gòu)成.主回路通過整流、儲(chǔ)能、逆變等方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與電網(wǎng)的能量交換；控制電路完成對變流器的驅(qū)動(dòng)控制、電壓控制、電流控制以及各種保護(hù)功能.

當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在變流器1的控制下，對電網(wǎng)三相交流電進(jìn)行PWM整流或者不控整流，再經(jīng)直流支撐電容濾波，然后在變流器2的控制下進(jìn)行逆變，輸出三相交流電.在此過程中，能量從電網(wǎng)流入變流器，送到電機(jī)，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出.

當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的機(jī)械能會(huì)有一部分轉(zhuǎn)變成電能，通過變流器2進(jìn)行整流，輸入到直流支撐電容上，使電容端電壓持續(xù)上升.當(dāng)電容電壓上升到設(shè)定閾值后，變流器1在控制電路的作用下轉(zhuǎn)換到有源逆變狀態(tài)，把電容上的能量回饋到電網(wǎng).在此過程中，能量從電機(jī)流入變流器，然后回饋到電網(wǎng)中［2］.

從上述分析可以得知，若要變流器工作于能量回饋狀態(tài)，必須滿足以下條件：

1）網(wǎng)側(cè)變流器必須能夠在整流和逆變兩種狀態(tài)下工作，因此變流器必須可控，變流器通常為由IGBT組成的三相半橋；

2）直流母線電壓要高于回饋閾值，回饋閾值的設(shè)定取決于電網(wǎng)電動(dòng)勢值和變流器的器件耐壓值；

3）變流器回饋時(shí)的頻率必須和電網(wǎng)電壓頻率同步，變流器必須能夠?qū)崟r(shí)采樣電網(wǎng)頻率［3］.

2 直接電流控制回饋算法

2.1 三相電壓型變流器模型

三相電壓型變流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 三相電壓型變流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2中：eL為直流電動(dòng)勢；L為網(wǎng)側(cè)濾波電感；ea（t），eb（t），ec（t）為 電 網(wǎng) 三 相 電 動(dòng) 勢；va（t），vb（t），vc（t）為三相半橋輸出電壓；C 為直流側(cè)濾波電容；RL為直流側(cè)負(fù)載電阻，Rs為功率管以及線路上的等效損耗電阻.

忽略電阻Rs，在三相靜止坐標(biāo)系中，由三相交流側(cè)易得網(wǎng)側(cè)電感端電壓分別為

經(jīng)過坐標(biāo)變換后，在同步旋轉(zhuǎn)d－q坐標(biāo)系中，有以下公式

式中：u為直流母線電壓，ud和uq為三相變流器交流側(cè)輸出電壓的d－q分量.

2.2 電能回饋控制策略

系統(tǒng)采用SVPWM技術(shù)來控制變流器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)回饋控制.控制框圖如圖3所示［4］.

智慧珠的設(shè)計(jì)本身富含數(shù)學(xué)的結(jié)構(gòu)（見圖1），學(xué)生通過靜心觀察、深度思考就可以了解智慧珠整體的情況。獨(dú)立思考后小組交流。此實(shí)驗(yàn)不需要教師指導(dǎo)，全由學(xué)生自行完成。

從圖3可以看到，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)回饋電流和直流母線電壓控制.電壓環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán).

圖3 能量回饋控制框圖

2.2.1 電流內(nèi)環(huán)工作原理 變流器回饋到電網(wǎng)的電能可以分解成有功分量和無功分量，進(jìn)行回饋的時(shí)候，要求回饋的有功能量比例越大越好，因此要求回饋時(shí)，具有較高的功率因數(shù)，并且能夠?qū)崟r(shí)檢測并調(diào)節(jié)有功分量.

在d－q坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)電流的d軸分量Id為有功分量，q軸分量Iq為無功分量.變流器需要采用兩個(gè)電流控制器，以便分別調(diào)節(jié)Id和Iq的值，以減少無功分量的輸出.

在圖2中，回饋時(shí)，變流器網(wǎng)側(cè)三相電流Ia、Ib、Ic經(jīng)過采樣檢測處理后，進(jìn)行Clark變換，實(shí)現(xiàn)靜止三相坐標(biāo)系到靜止兩相坐標(biāo)系的變換，得到Id和Iq；同時(shí)變流器的電網(wǎng)頻率檢測和同步模塊（PLL）計(jì)算出此時(shí)的電網(wǎng)相位值θ，經(jīng)過Park旋轉(zhuǎn)變換后，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下等效直流量ID和IQ，作為電流環(huán)的反饋量.

ID和IQ分別經(jīng)過Clark和Park變換后，再送入各自的PI調(diào)節(jié)器，分別對ID和IQ進(jìn)行控制.在進(jìn)行能量回饋的時(shí)候，要求變流器工作在高功率因數(shù)下，因此，IQ的給定值一般設(shè)為0，ID的給定值來自于電壓環(huán)輸出值.

ID和IQ經(jīng)過各自PI運(yùn)算后，得到各自的控制量，然后根據(jù)相位值θ經(jīng)過反Park變換以及SVPWM運(yùn)算后，得到變流器三相半橋各個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路送到開關(guān)管上，開關(guān)管把直流母線上的能量回饋到電網(wǎng).

3 變頻器能量回饋器硬件設(shè)計(jì)

3.1 主回路設(shè)計(jì)

主回路分為4個(gè)部分：網(wǎng)側(cè)電感、網(wǎng)側(cè)變流器、直流支撐環(huán)節(jié)、負(fù)載側(cè)變流器.

網(wǎng)側(cè)變流器1為1個(gè)三相半橋，由T11～T16IGBT構(gòu)成，每個(gè)IGBT內(nèi)部具有一個(gè)反并聯(lián)二極管D11～D16，直流支撐環(huán)節(jié)為大容量電解電容；負(fù)載側(cè)變流器2同樣為1個(gè)三相半橋，分別由T21～T26IGBT及其反并聯(lián)二極管D21～D26組成（圖4）.

主回路可以在電動(dòng)狀態(tài)和回饋狀態(tài)兩種狀態(tài)工作.

3.1.1 電動(dòng)狀態(tài) 在電動(dòng)狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)變流器1工作于整流狀態(tài)，如果對網(wǎng)側(cè)變流器1進(jìn)行控制，此時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器的IGBT成為boost升壓斬波器，網(wǎng)側(cè)電感L成為boost升壓電感，對直流電容進(jìn)行充電；如果不對網(wǎng)側(cè)變流器1的IGBT進(jìn)行控制，那么IGBT反并聯(lián)二極管將工作在不控整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)電感L可以看成輸入電抗器.

圖4 主回路結(jié)構(gòu)

直流回路充電后，在控制回路的控制下，負(fù)載側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài)，拖動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn).3.1.2 能量回饋狀態(tài) 電機(jī)工作在回饋狀態(tài)時(shí)，電能通過負(fù)載側(cè)變流器2送入直流支撐環(huán)節(jié).隨著電機(jī)能量不斷輸入，直流支撐電容持續(xù)充電，使直流母線電壓持續(xù)上升.當(dāng)母線電壓超過設(shè)定的閾值后，控制電路根據(jù)回饋算法，控制網(wǎng)側(cè)變流器1工作在有源逆變狀態(tài)，把直流環(huán)節(jié)電容存儲(chǔ)的能量回饋到電網(wǎng).

3.2 控制回路設(shè)計(jì)

圖5 控制回路原理框圖

變頻器能量回饋器控制回路部分原理框圖如圖5所示［5］.其硬件系統(tǒng)由DSP處理器、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、模擬／數(shù)字信號(hào)采樣檢測電路、鍵盤和液晶屏界面、上位機(jī)通信電路、輔助開關(guān)電源電路組成.

3.2.1 處理器 TMS320F28335是美國德州儀器公司生產(chǎn)的一款高性能、32位浮點(diǎn)電機(jī)控制用數(shù)字信號(hào)處理器.本系統(tǒng)采用此處理器來進(jìn)行系統(tǒng)控制，

系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)鐘工作在150MHz，進(jìn)行各路模擬／數(shù)字量采集和坐標(biāo)變換處理、實(shí)時(shí)SVPWM算法處理、IGBT驅(qū)動(dòng)、外部通信、鍵盤掃描和液晶屏控制.

3.2.2 關(guān)鍵電路 本系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)為網(wǎng)側(cè)電流信號(hào)、直流母線電壓和交流電網(wǎng)過零信號(hào).網(wǎng)側(cè)電流信號(hào)由霍爾電流傳感器采樣，直流母線電壓由霍爾電壓傳感器采樣，送入控制板上的采樣電路進(jìn)行調(diào)理運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換成0～3V的電壓信號(hào)，然后送入到DSP的AD端口.交流電網(wǎng)過零信號(hào)由3個(gè)變壓器組成的電路進(jìn)行濾波和采樣，變壓器原邊電壓為濾波后的電網(wǎng)電壓信號(hào)，接法為Y接法，副邊為Δ接法，經(jīng)過數(shù)字邏輯電路處理后，電網(wǎng)三相電壓信號(hào)每次過零，會(huì)輸出一個(gè)高電平，送至DSP的捕獲口.

4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為模擬／數(shù)字采樣模塊、PLL模塊、電壓環(huán)PI模塊、有功電流PI模塊、無功電流PI模塊、坐標(biāo)變換模塊、SVPWM計(jì)算模塊、PWM發(fā)生模塊、通信模塊、系統(tǒng)時(shí)序控制模塊、系統(tǒng)保護(hù)模塊.

模擬／數(shù)字采樣模塊用于采集系統(tǒng)的電壓、電流信號(hào)以及外部開關(guān)量信號(hào)；PLL模塊用于采集電網(wǎng)頻率，用于回饋器與電網(wǎng)同步；電壓環(huán)PI模塊用于計(jì)算和調(diào)節(jié)變頻器直流母線電壓；有功電流PI模塊和無功電流PI模塊用于完成電流控制；坐標(biāo)變換模塊用于將三相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，然后送入電流環(huán)運(yùn)算；電流環(huán)的運(yùn)算結(jié)果送到SVPWM模塊，生產(chǎn)三相SVPWM脈沖寬度，送入PWM發(fā)生模塊；PWM發(fā)生模塊產(chǎn)生三相半橋6橋臂的驅(qū)動(dòng)；通信模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的串行通信；系統(tǒng)時(shí)序控制模塊，用于控制系統(tǒng)的上下電、初始化、整流和有源逆變切換等功能；系統(tǒng)保護(hù)模塊進(jìn)行故障保護(hù)，能夠進(jìn)行過欠壓、過流、過溫、開關(guān)管故障等保護(hù).

5 測試結(jié)果

5.1 測試條件

1）電網(wǎng)電壓三相380V，50Hz；

2）網(wǎng)側(cè)電感0.2mH；

3）回饋電流7A.

5.2 測試波形

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，實(shí)際測試波形如圖6所示.

圖6 能量回饋器網(wǎng)側(cè)電流電壓波形

在圖6中，電流波形為泰克A621實(shí)測波形，電壓波形經(jīng)過降壓后送至示波器中.

5.3 結(jié)果分析

從波形圖上分析，實(shí)際測試電流波形非常接近正弦波，在回饋電流7A的情況下，電流相位和電網(wǎng)相位基本相同，用三相電能質(zhì)量分析儀，測出三相功率因數(shù)均達(dá)到0.9.

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