三相電源相位檢測及相序自適應(yīng)在PWM整流器中的應(yīng)用*

金 蒙 丁云飛 楊立波 商懷昊 李德爽

(大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連 116600)

電力半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了電力電子變流裝置技術(shù)的迅速發(fā)展，作為電網(wǎng)主要“污染”源的整流器，受到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，開展了大量研究工作。將PWM技術(shù)引入整流器的控制之中，使整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且可運(yùn)行于單位功率因數(shù)。在三相PWM整流器的控制系統(tǒng)中，三相電壓的相位信息是必需的物理量，準(zhǔn)確可靠的獲取電壓相位信息是進(jìn)行三相PWM整流器精確控制的前提。三相PWM整流器的矢量控制系統(tǒng)是以正相序?yàn)榛A(chǔ)建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此相電壓的相序是必須明確的物理量。另外，檢測相電壓缺相是保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的必要條件［1］。

在工業(yè)應(yīng)用中，相位檢測技術(shù)被普遍應(yīng)用于各種設(shè)備中。限于技術(shù)難度和成本的考慮，通常采用CD4046一類的鎖相環(huán)專用芯片，這類專用芯片屬于模擬鎖相環(huán)方案。這類方案將模擬鎖相電路固化在芯片中，應(yīng)用簡單，但也存在諸多不足。集中表現(xiàn)在電路固化在芯片中不可再修改電路調(diào)試參數(shù)，相位檢測功能單一，不能滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求，模擬電路在電磁環(huán)境較差，輸入信號(hào)含有大量諧波時(shí)易受到干擾而影響控制器正常工作等。

本文給出了一種針對(duì)三相PWM整流器控制的鑒相方法。該方法將三相電壓信號(hào)接入硬件鑒相電路，這一級(jí)鑒相電路將三相正弦信號(hào)整形輸出三相方波信號(hào)，三相方波信號(hào)直接輸入F2812的CAP引腳，結(jié)合F2812的捕獲功能用軟件處理方法計(jì)算相位角、判斷相序以及判斷缺相。文中提出的方案，原理清晰，可操作性強(qiáng)，且不會(huì)增加控制器的復(fù)雜度和負(fù)擔(dān)，特別適合在基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。

1 鑒相電路

鑒相電路(圖1)原理上通過一個(gè)遲滯比較環(huán)節(jié)將三相正弦波形轉(zhuǎn)化為三相方波信號(hào)，經(jīng)過一級(jí)光電隔離電路后再由一級(jí)施密特觸發(fā)器電路整形，最終的方波信號(hào)直接輸入到F2812的捕獲接口［2］。

2 捕獲單元

F2812捕獲單元能夠捕獲外部輸入引腳的邏輯狀態(tài)，并利用內(nèi)部定時(shí)器對(duì)外部事件或引腳狀態(tài)變化進(jìn)行處理。事件管理器有3個(gè)捕獲單元，每個(gè)都有自己獨(dú)立的輸入信號(hào)。捕獲單元以定時(shí)器1或2為時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。當(dāng)外部引腳檢測到特定的狀態(tài)變化時(shí)，所選用的定時(shí)器的值將被捕獲單元鎖存到相應(yīng)的2級(jí)FIFO堆棧中。可設(shè)定上升沿、下降沿或上升下降沿跳變探測，并且每個(gè)捕獲單元都有一個(gè)單獨(dú)的可屏蔽的中斷標(biāo)志位［3］。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

捕獲單元被使能后，輸入引腳上的跳變沿將使所選擇的通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值裝入到相應(yīng)的FIFO堆棧，同時(shí)如果有一個(gè)或多個(gè)有效捕獲值存到FIFO堆棧，將會(huì)使相應(yīng)的中斷標(biāo)志位置位。如果中斷標(biāo)志未被屏蔽，將產(chǎn)生一個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求。每次捕獲到新的計(jì)數(shù)值存入FIFO堆棧時(shí)，捕獲FIFO狀態(tài)寄存器相應(yīng)的位就進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)地反映FIFO堆棧的狀態(tài)。從捕獲單元輸入引腳發(fā)生跳變到所選通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值被鎖存需2個(gè)CPU時(shí)鐘周期的延時(shí)。復(fù)位時(shí)，所有捕獲單元的寄存器都被清零。

3 相位角計(jì)算

根據(jù)捕獲單元的原理，設(shè)置使用的通用定時(shí)器工作模式為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，設(shè)置自己的周期寄存器和計(jì)數(shù)最大值。并設(shè)置邊沿檢測為單個(gè)上升沿或者下降沿。在邊沿跳變的時(shí)候產(chǎn)生捕獲中斷將定時(shí)器的計(jì)數(shù)值存入到FIFO堆棧中，以鎖存的計(jì)數(shù)值作為相位計(jì)算的起始點(diǎn)，實(shí)時(shí)查詢定時(shí)器的計(jì)數(shù)，同時(shí)在每個(gè)跳邊沿時(shí)更新計(jì)數(shù)起始點(diǎn)，即可計(jì)算每一時(shí)刻需要的相位角信息［4］。電網(wǎng)相電壓與對(duì)應(yīng)計(jì)算的相位角如圖3。

直觀地講，三相PWM整流器若運(yùn)行于單位功率因數(shù)，即相電流與相電壓相位差為零或者相位差為180°。而相位角直接決定了相電流相位，即可通過直接觀測相電流與相電壓的相位差來判斷相位檢測精度。圖4，圖5分別為三相PWM整流器工作于整流模式相電流和相電壓的波形圖、數(shù)據(jù)圖。圖6，圖7分別為三相PWM整流器工作于逆變模式相電流和相電壓的波形圖、數(shù)據(jù)圖。測試儀器為WT3000功率分析儀。

依據(jù)測試的數(shù)據(jù)，三相PWM整流器在整流模式下功率因數(shù)可達(dá)0.992，在逆變模式下功率因數(shù)可達(dá)－0.986，都接近于單位功率因數(shù)。這樣的精度能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。

4 缺相及相序檢測

在PWM整流器控制系統(tǒng)中，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以三相正相序交流電為控制對(duì)象，對(duì)于負(fù)相序需要做相序自適應(yīng)處理，而缺相是屬于嚴(yán)重的電網(wǎng)故障，不能被正確控制，需要排除缺相的故障。

三相正弦交流電經(jīng)鑒相電路整形后方波信號(hào)(如圖8)的 U、V、W 相依次相差120°，相序組合 UVW、VWU、WUV為正相序;而相序組合UWV、VUW、WVU為負(fù)相序。

U、V、W三相方波信號(hào)輸入到F2812的捕獲引腳，在設(shè)定的跳邊沿產(chǎn)生一個(gè)捕獲中斷INT×(U，V，W)，因INT×接收到的觸發(fā)信號(hào)先后時(shí)間是未知的，所以按照中斷信號(hào)INT×的中斷早晚排序，排序組合可能是下述組合中的一種:INTU—INTV—INTW，INTV—INTW—INTU，INTW—INTU—INTV，INTU—INTW—INTV，INTV—INTU—INTW，INTW—INTV—INTU。設(shè)定INTU為U相過零信號(hào)跳邊沿中斷，INTV為V相過零信號(hào)跳邊沿中斷，INTW為W相過零信號(hào)跳邊沿中斷，則對(duì)應(yīng)電源相序可能組合為 UVW、VWU、WUV、UWV、VUW、WVU。用F2812對(duì)中斷信號(hào)鎖存的通用定時(shí)器值進(jìn)行邏輯判斷容易得到相序關(guān)系，再按照相序關(guān)系對(duì)控制進(jìn)行自適應(yīng)。

在三相輸入信號(hào)缺相時(shí)，三相鑒相信號(hào)表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的模式，如圖9為缺其中一相的鑒相信號(hào)，如圖10為缺其中兩相的鑒相信號(hào)，三相全缺少時(shí)則沒有變化的信號(hào)。從兩種類型的缺相情況分析，在缺相時(shí)三相的相位關(guān)系已經(jīng)不存在相互之間相差120°的情況，結(jié)合上文中對(duì)相序判斷的分析，通過邏輯判斷三相過零信號(hào)之間的相位差不在120°左右，則可以判斷為電源缺相。當(dāng)電源處于缺相狀態(tài)，判斷相序是沒有實(shí)際意義的。

5 結(jié)語

本文詳述了三相鑒相電路原理，以及應(yīng)用在三相PWM整流器中用作檢測相位角，判斷相序和檢查缺相。并實(shí)驗(yàn)測試了相位檢測在實(shí)際應(yīng)用的精度。該方法硬件簡單穩(wěn)定可靠，軟件易于實(shí)現(xiàn)，檢測精度高。已經(jīng)應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的智能伺服電源開發(fā)中。

［1］張興，張崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］高建榮，吳麗云.基于單片機(jī)的三相電源相序控制設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2004(7).

［3］Incorporated T I.TMS320C28x系列 DSP的 CPU 與外設(shè)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［4］蘇奎峰，呂強(qiáng)，常天慶，等.TMS320X281x DSP原理及 C程序開發(fā)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.