變頻電源作為電源系統(tǒng)的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)?,F(xiàn)代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。三相變頻電源以MPWM方式制作,用主動(dòng)元件IGBT模塊設(shè)計(jì)使本機(jī)容量可達(dá)200KVA,以隔離變壓器輸入及輸出,來增加整機(jī)穩(wěn)定性,特別適應(yīng)感性,容性及特殊負(fù)載,負(fù)載測試和壽命試驗(yàn)可靠性高。
l 工作原理
系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)由主回路、控制電路、采樣電路、反饋電路和各類保護(hù)電路等部分組成,系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
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1.1 主回路及工作原理
主回路中有三大部分組成:整流濾波電路、三相全橋逆變電路和三相無源濾波電路。整流濾波電路將單相交流電變成直流電,三相全橋逆變電路將直流電變成三相交流電,三相交流電經(jīng)過三相濾波電路后得到標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波電源,主回路原理圖如圖2所示。
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1.2 控制回路工作原理
控制電路的調(diào)制波采用SPWM波,對正弦波輸出變頻電源進(jìn)行SPWM調(diào)制,數(shù)字化控制,是以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片,實(shí)現(xiàn)電源的最佳控制??刂苹芈吩韴D如圖3所示。
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1.3 控制策略
電源利用TMS320F2812中的事件管理器,采用SPWM調(diào)制的方式,逆變器輸出信號(hào)經(jīng)三相無源濾波后得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波??刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
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1.4 軟啟動(dòng)功能及故障處理
電源系統(tǒng)設(shè)置了軟啟動(dòng)功能、開路保護(hù)、短路保護(hù)、MOSFET過流保護(hù)、缺相保護(hù)和負(fù)載不對稱保護(hù)。
電源控制系統(tǒng)有三種工作模式:正常工作模式,啟動(dòng)模式及保護(hù)模式。
當(dāng)電源開始工作或者在故障后啟動(dòng)的時(shí)候,為了防止負(fù)載側(cè)電壓上升過快而導(dǎo)致電路故障,我們采用軟啟動(dòng)的方法,這時(shí),控制系統(tǒng)處于啟動(dòng)模式下。軟啟動(dòng)包括兩個(gè)部分。首先,在輸入側(cè)通過對輸入的三相電壓慢慢升壓的方式,我們可以保證逆變電路不會(huì)因母線電壓直接加上去而導(dǎo)致故障的發(fā)生。另外,在逆變電路的控制過程中,我們需要采用閉環(huán)控制方法,通過采樣記錄分析的數(shù)據(jù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率,當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓上升到一定值的時(shí)候,我們再將電路轉(zhuǎn)入正常工作的模式之下,所以在軟啟動(dòng)條件下,負(fù)載側(cè)不會(huì)因瞬間出現(xiàn)的高電壓而發(fā)生故障。
在電源運(yùn)行的過程中,由于短路故障,工作電流將急劇升高,若不采取措施,將會(huì)使電路中許多元器件被過電流破壞。過電流發(fā)生時(shí),電路中的過流保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作,這時(shí),控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)將被閉鎖,驅(qū)動(dòng)信號(hào)停發(fā),電路由正常工作模式轉(zhuǎn)入保護(hù)控制模式。保護(hù)模式下,控制系統(tǒng)會(huì)在閉鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)后,經(jīng)過一定的時(shí)間,自動(dòng)地進(jìn)行重啟動(dòng),如果再發(fā)生過電流,電源將停止工作。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件總體設(shè)計(jì)
軟件部分主要包括SPWM的產(chǎn)生,A/D轉(zhuǎn)換,PID調(diào)節(jié),頻率捕獲,軟啟動(dòng)和保護(hù)。主要功能是通過正弦脈寬調(diào)制技術(shù)控制三相橋式逆變器,使其輸出頻率可調(diào)、幅值穩(wěn)定的三相正弦電壓,通過A/D轉(zhuǎn)換對輸出的電壓和電流進(jìn)行采樣,對輸出電壓、電流實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)電流超過3.6A時(shí)切斷三相逆變橋的輸出,對電路進(jìn)行保護(hù)。通過PID調(diào)節(jié)使輸出電壓變化時(shí)也能及時(shí)的做出反應(yīng),使輸出電壓穩(wěn)定在36V。在系統(tǒng)的啟動(dòng)過程中使用軟啟動(dòng)減少電壓和電流對系統(tǒng)回路的沖擊。
主程序流程圖如圖5所示。
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2.2 SPWM生成原理
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(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。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。所謂SPWM,就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式,脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列,這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等,比如高級一些的UPS就是一個(gè)例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出,在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。
SPWM流程圖如圖6所示。在程序的初始化部分建立一個(gè)正弦表,在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候可以通過查表的方式得到想要的數(shù)據(jù)。假設(shè)在一個(gè)正弦波周期內(nèi)采樣的次數(shù)為NX,則在第i個(gè)點(diǎn)的采樣值為
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在實(shí)際使用中由于正弦表中的值要能被比較寄存器使用,所以不能出現(xiàn)負(fù)值,從上式可以看出當(dāng)此
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時(shí)就不能正常使用了,因此可以把上面的公式改寫為下面的形式:
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其中PR為周期寄存器中的計(jì)數(shù)周期值。
對yi取整,從i=1到i=NX,得到NX個(gè)正弦采樣值的表格,設(shè)置通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增減計(jì)數(shù)方式,在中斷程序中調(diào)用表中的值即可產(chǎn)生相應(yīng)的按正弦規(guī)律變化的方波信號(hào)。
這里NX取180,載波比為3的整數(shù)倍(載波比=調(diào)制波頻率/載波頻率),這樣可以使三相輸出波形嚴(yán)格對稱,減少諧波對輸出電壓波形的影響。
2.3 顯示電路
為了提高產(chǎn)品的人機(jī)交互性,系統(tǒng)中加了顯示電路,經(jīng)過比較,我們采用SPLC50lA液晶顯示屏完成顯示工作,顯示電路與DSP2812連接框圖如圖7所示:
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TMS320F2812對任何一個(gè)映射在XIN TF區(qū)的外部器件進(jìn)行讀/寫訪問都可劃分為三個(gè)階段:建立階段、激活階段和跟蹤階段。這次設(shè)計(jì)中LCD映射到了XINTF0,默認(rèn)情況下三個(gè)階段的周期分別為6個(gè)XTIMCLK周期,14個(gè)XTIMCLK周期和6個(gè)XTIMCLK周期,如果將XTIMCLK的頻率設(shè)置為SYSCLKOUT的l/2,則讀/寫周期的最大值為1 80ns。三個(gè)階段的讀寫時(shí)序圖如圖8所示:
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凌陽SPLC501液晶模塊的使能信號(hào)CS的周期最小為166ns,時(shí)序圖如圖9所示。由前面分析可得,DSP的讀寫周期最大值為180ns,液晶模塊的讀寫周期最小為166ns,DSP的讀/寫時(shí)序能滿足該液晶模塊的要求。
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3 創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用交一直一交變頻方式,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì),將變頻電源的各部分很好的結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)變頻輸出;高精度顯示電壓、電流、頻率、有功功率,所測信號(hào)數(shù)值為真有效值,電壓輸出精度高,誤差小于5%,輸出三相正弦波失真度小,并且具有過壓、過流、缺相保護(hù)等功能,性能穩(wěn)定,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于:
1)結(jié)合TMS320LF2812芯片的AD單元,對三相變頻電源的輸出線電壓、線電流進(jìn)行采樣,外擴(kuò)隨即存儲(chǔ)器,通過SPLC50l液晶顯示器顯示電壓、電流以及頻率的值,可以實(shí)現(xiàn)自主采樣和數(shù)據(jù)傳輸,大大提高數(shù)據(jù)采集效率,實(shí)時(shí)的顯示變頻電源的電壓、電流的有效值,顯示精度高,實(shí)時(shí)性好。
2)結(jié)合TMS320F2812事件管理器EV單元,采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù),通過對SPWM程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)算法,可以有效的調(diào)節(jié)三相變頻電源輸出的頻率和有效值,實(shí)時(shí)陛好,精度高。
3)變頻電源系統(tǒng)控制部分完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化,控制精度更高,抗干擾能力強(qiáng)。
4 測試結(jié)果
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根據(jù)設(shè)計(jì)要求,我們試制了樣品,由示波器觀察到的相電壓和線電壓波形(見圖10~圖13)可以看出,波形基本上沒有失真,并且通過調(diào)節(jié)調(diào)制度和正弦波的頻率可以改變輸出電壓的大小,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)論
研制的數(shù)字化三相變頻電源,經(jīng)過兩次試制,其間經(jīng)過多次試驗(yàn),并且對控制原理、電路結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn),現(xiàn)已逐步完善并經(jīng)過考驗(yàn),證明了本電源的有效性及可靠性。
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