基于DSP的逆變器硬件設(shè)計(jì)

李陸伊

摘要：本文針對(duì)中小功率三相變頻電源，提出基于DSP28335控制器對(duì)三相電壓型橋式逆變電路做系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。從逆變器的工作原理、逆變系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及逆變系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面在文中進(jìn)行論述。硬件設(shè)計(jì)包括以DSP（TMS320F28335）為核心控制器的最小系統(tǒng)，采用PWM控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出控制電路。以主電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、濾波電路、采樣電路和其他輔助電路的硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)組成一套完整的逆變輸出系統(tǒng)。并以交流異步電機(jī)作為負(fù)載，實(shí)現(xiàn)其恒壓頻比調(diào)速的控制目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：逆變器，異步電機(jī)，三相橋式逆變，恒壓頻比控制，DSP28335

1 研究背景和意義

隨著電力電子技術(shù)及電力半導(dǎo)體的飛速發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家大量推廣采用了逆變技術(shù)的電源，由此推動(dòng)了各種工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了逆變式電源的發(fā)展。電力電子功率開關(guān)器件的高壓大容量化、集成化、全控化、高頻化及多功能化方向的發(fā)展，相信不久的將來逆變電源將會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)代[3]。現(xiàn)代逆變技術(shù)是研究逆變電路理論和應(yīng)用的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，它建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體交流技術(shù)、脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。它的研究對(duì)逆變器性能的提高與進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以及對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展，都有十分重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一。

逆變技術(shù)是電力能源利用、提高供電質(zhì)量等領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，逆變器作為核心裝置，實(shí)現(xiàn)電源交換系統(tǒng)中重要的能量轉(zhuǎn)換，決定了系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率，是當(dāng)今世界在電源交換領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

2 三相橋式逆變電路原理

三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路，采用IGBT作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖2-1所示，可以看成是由三個(gè)半橋逆變電路組成。

電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)N'。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180o，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度以此相差120o。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。

3.PWM控制的基本原理

在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖3-1所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖3-1a為矩形脈沖，圖3-1b為三角形脈沖，圖3-1c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D3-1d的單位脈沖函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。

上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

3 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的基本原理

5仿真原理圖

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)基本原理結(jié)構(gòu)如下5-1圖所示，由SPWM調(diào)制信號(hào)控制開關(guān)器件通斷，將輸入端直流電壓經(jīng)三相橋式逆變電路進(jìn)行逆變，輸出三相交流電壓給異步電機(jī)供電，異步電機(jī)完成直接啟動(dòng)。仿真原理圖如圖5-1所示。

6結(jié)果分析

結(jié)果分別給出三相逆變電壓、定子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形?？梢钥吹?，當(dāng)異步電機(jī)直接接額定電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流較大，最大電流峰值超過額定情況的5倍，之后逐漸衰減。由于3s之前電機(jī)空載，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)時(shí)的空載同步轉(zhuǎn)速為1500rpm， 電磁轉(zhuǎn)矩震蕩減小為0，當(dāng)3s時(shí)突加額定轉(zhuǎn)矩后，電流增大為額定電流值，轉(zhuǎn)速降落為額定轉(zhuǎn)速，在穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。

7總結(jié)

本次設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了了理論分析、主電路和控制電路的硬件設(shè)計(jì)，完成對(duì)進(jìn)行了三相橋式逆變系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)中將逆變與電機(jī)調(diào)速兩者應(yīng)用相結(jié)合，主要進(jìn)行是三相橋式逆變電路及控制電路硬件設(shè)計(jì)，以及軟件研究。熟悉了三相逆變的原理、對(duì)三相逆變器的設(shè)計(jì)方法和異步電機(jī)調(diào)速有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。由于本人的能力和時(shí)間有限，只是完成了三相逆變器設(shè)計(jì)的構(gòu)思階段，在設(shè)計(jì)中存在不足和缺陷，首先，并沒有完成硬件制作，缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，沒有進(jìn)行硬件焊接連接等工作，設(shè)計(jì)停留在文檔階段，對(duì)于其運(yùn)行的實(shí)際情況無法做出判斷。第二，設(shè)計(jì)選型工作中，對(duì)元器件的作用和原理有了更深的理解，一個(gè)元器件沒有設(shè)置得當(dāng)，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失敗。

參 考 文 獻(xiàn)

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