基于SVPWM技術(shù)的三相變頻電源的研究

劉 俊 楊 帆

（國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437）

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基于SVPWM技術(shù)的三相變頻電源的研究

劉 俊 楊 帆

（國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437）

傳統(tǒng)的SPWM法比較適合模擬電路實(shí)現(xiàn)，不適應(yīng)現(xiàn)代電源的發(fā)展趨勢。電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)和傳統(tǒng)的SPWM法相比，它具有電壓利用率高、輸出電壓畸變小、諧波含量低、控制方法簡單、且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，因此本文在基于SVPWM技術(shù)的基礎(chǔ)上，對三相變頻電源的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

SVPWM技術(shù)；變頻電源；數(shù)字信號處理器

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，變頻電源在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和家電等領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛，人們對變頻電源的功能、性能、智能化、低諧波輸出等有了更高的要求，因此研究高性能的變頻電源具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，而智能功率模塊和數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，為這一實(shí)現(xiàn)提供了硬件基礎(chǔ)。本文將對三相逆變電源控制部分進(jìn)行全面分析，并且通過對SVPWM技術(shù)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)三相逆變電源的數(shù)字化控制，從而切實(shí)提高逆變電源的整體性能。

1　三相變頻電源的硬件實(shí)現(xiàn)

1.1三相變頻電源的硬件實(shí)現(xiàn)方案

圖1為整個(gè)變頻電源的硬件框圖，其主要由主電路和控制電路兩部分構(gòu)成，下文將詳細(xì)闡述這兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

1.2主電路的設(shè)計(jì)

圖2為主電路的原理圖。本電源將采用不可控整流輸出電壓作為逆變器的直流輸入，最后選取的濾波電感和電容的值如下。

圖1　整個(gè)變頻電源硬件框圖

圖2　主電路原理圖

輸出濾波電感：L= 500μH，濾波電容：C=50μF。

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，濾波電感的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵部分。需要選取適合的磁心才能很好的發(fā)揮濾波器的性能。本設(shè)計(jì)中，濾波電感工作于電流連續(xù)模式，要求有一定的電感量，需要在有直流偏磁時(shí)不宜飽和，且磁心要存儲一定的能量。實(shí)際高磁導(dǎo)率材料磁心存儲很少的能量，送入到磁心能量的一部分為磁滯損耗，最終消耗掉。為了能量的有效存儲和傳輸，并要求體積最小，在磁心不飽和情況下，磁導(dǎo)率不能太高，但又不能太小。在此選用了Magnetics公司的鐵硅鋁磁心77111-A7（OD:57.2mm，ID：35.6mm，HT：14mm，μ：60，AP：13.69cm4）。濾波電容則選用耐壓400V的無極性CBB電容。阻尼電阻則選用無感功率電阻，盡量避免其等效電感的影響。

表1　幾種常用電感的磁心材料比較

1.3三相逆變橋的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

為了選取合適的智能功率模塊（IPM），除了器件耐壓以外，還有兩個(gè)方面的要加以考慮：①適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)保證結(jié)溫要永遠(yuǎn)小于150℃；②要根據(jù)IPM的過流值確定峰值電流。

其中，流過IPM電流的最大峰值可根據(jù)下式計(jì)算：

式中，P為輸出功率；QL為系統(tǒng)最大過載因數(shù)；R為電流紋波脈動(dòng)系數(shù)；η為系統(tǒng)效率；δ 為功率因數(shù)；VAC為三相交流線電壓。

令P為1kVA，QL為1.5，R為1.05，η為0.85，δ為0.8，VAC為380V，代入上式可得：I峰值=5（A）。根據(jù)計(jì)算出來的峰值電流值，同時(shí)為了留夠足夠的設(shè)計(jì)裕量，選用了三菱公司的IPM模塊PM25RLA120，其峰值電流值為 25A，耐壓值為1200V，完全符合設(shè)計(jì)要求。

1.4基于TMS320F2812的控制電路設(shè)計(jì)

基于TMS320F2812控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如下：它以高性能的數(shù)字信號處理芯片 TMS320F2812為核心、附加事件管理器（EV）、I/O端口和A/D轉(zhuǎn)換器等外圍設(shè)備，運(yùn)用雙閉環(huán)數(shù)字PI調(diào)節(jié)的雙極性調(diào)制瞬時(shí)值反饋技術(shù)來實(shí)現(xiàn)DC/AC變頻電源的控制。

2　逆變電源的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1逆變電源的軟件構(gòu)成

在本變頻電源系統(tǒng)中，控制板的核心采用TMS320F2812，用C語言開發(fā)DSP程序可使其開發(fā)周期大大縮短，可讀性和可移植性也大大增強(qiáng)。本系統(tǒng)采用以C2000系列DSP優(yōu)化C語言為主體，配合適當(dāng)?shù)膮R編語言。程序調(diào)試采用TI公司的C2000 Code Composer Studio集成開發(fā)環(huán)境。

整個(gè)逆變電源系統(tǒng)的軟件由主程序、中斷程序及子程序組成。其中，主程序主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化和變量的初始化以及各個(gè)子程序的循環(huán)等。主要的子程序有矢量變換、PI調(diào)節(jié)、SVPWM算法、顯示按鍵程序、數(shù)據(jù)計(jì)算程序、及電壓電流采樣程序等組成。

2.2主程序設(shè)計(jì)和PWM中斷程序

主程序主要完成的功能如下。

1）系統(tǒng)的初始化。為了保證DSP能正常運(yùn)行，首先要對DSP的工作模式進(jìn)行初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)的狀態(tài)寄存器（ST0、ST1）、系統(tǒng)配置寄存器（SCSR1、SCSR2）、看門狗控制寄存器（WDCR）等；定義應(yīng)用程序的所有變量；使能片內(nèi)外設(shè)模塊（如事件管理器EVA、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、看門狗等），并對其進(jìn)行模塊初始化。

2）初始化完成后，對電源系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測。檢測包括電源電壓、溫度的檢測、短路檢測等。如果檢測到有故障，則置故障標(biāo)志位，并用指示燈閃爍頻率的不同加以區(qū)分。

3）如果系統(tǒng)檢測無故障，開起總中斷，設(shè)置中斷優(yōu)先級，開起ADC中斷和定時(shí)器3，其中ADC轉(zhuǎn)換模塊是通過定時(shí)器周期中斷來啟動(dòng)的，ADC采樣完成后進(jìn)入中斷服務(wù)子程序讀取電流、電壓采樣值等并進(jìn)行電流、電壓的調(diào)節(jié)。

4）每隔0.1s進(jìn)入T4周期中斷進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)檢測，對電源的電壓、電流等進(jìn)行信息進(jìn)行監(jiān)測和軟件保護(hù)處理。

5）電壓和電流的調(diào)節(jié)都是在PWM中斷服務(wù)子程序進(jìn)行的，當(dāng)中斷結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)，等待下一個(gè)中斷。

2.3PI調(diào)節(jié)子程序

模擬PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式如下：

式中，u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出；e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號。

由于計(jì)算機(jī)處理的是數(shù)字量，必須對上式進(jìn)行離散化處理。用數(shù)字式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)可用求和增量的形式來表示。

式中，?t為采樣周期，必須使T足夠小，才能夠確保系統(tǒng)的精度；e(i)為第i次系統(tǒng)采樣的偏差。

將式（2）帶入式（3）即得離散化的PI表達(dá)式：

式中，u(k)為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。

將式（4）稱為位置型PI控制算法，可以看出，要想計(jì)算 u(k)的值，要把積分項(xiàng)中的歷次偏差信號e(i)進(jìn)行相加。這樣計(jì)算繁瑣，還需要占用較多的內(nèi)存，因此做如下改動(dòng)。根據(jù)推理，可以寫出（k?1）次采樣時(shí)PI調(diào)節(jié)器是輸出表達(dá)式：

用式（4）減去式（5）整理得

令K0=Kp+KI，則上式可以變?yōu)椋?/p>

式中，Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)。

由上式（7）可知，要計(jì)算第K次輸出u(k)，只要知道u(k?1)、e(k?1)、e(k)即可。根據(jù)上面討論的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的算法，其實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3　PI調(diào)節(jié)子程序圖

3　結(jié)論

首先，本文主要對主功率電路特別是逆變橋電路、輸出濾波電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)；然后，在基于SVPWM算法和DSP的方案實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，完成了變頻電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要有主程序和PWM中斷程序，設(shè)計(jì)了SVPWM在DSP上的具體實(shí)現(xiàn)方法，并給出了SVPWM在DSP的程序設(shè)計(jì)和PI調(diào)節(jié)子程序。

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Research on the Three-phase Variable Frequency Power Supply based on SVPWM

Liu Jiu Yang Fan
(Electrical Science Research Intitute of Shanghai Municipal Power Company of State Grid, Shanghai 200437)

The traditional SPWM method is suitable for analog circuit rather than the development trend of modern power. Voltage space vector PWM (SVPWM) control technology is an PWM control technique, which not only has a DC high utilization rate, a low output voltage distortion rate and a low harmonic content, but also the control method is simple, and it’s easy to implement digitally compared to the traditional SPWM method. SVPWM technique. The control system of the three-phase variablefrequency power supply is researched based on SVPWM technique.

SVPWM; variable- frequency power supply; DSP

劉 ?。?971-），男，上海人，本科，高級工程師，研究方向?yàn)榫€損、電壓專業(yè)、設(shè)備評價(jià)。