查 環(huán)

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0 引言

逆變電源是利用電能變換技術(shù)將第一次電能轉(zhuǎn)換成為用戶所需要的二次電能的系統(tǒng)和裝置[1]，因具有輸出功率波動范圍大、輸出頻率穩(wěn)定、輸出電源品質(zhì)優(yōu)、可靠性高及電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于精密控制設(shè)備或系統(tǒng)中[2]。

1 設(shè)計思路

1.1 主功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計

對于三相輸出的某型逆變電源，如果所帶負(fù)載為三相對稱負(fù)載，可采用傳統(tǒng)的三相逆變橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；如果帶三相不對稱負(fù)載，為了保證三相輸出電壓的對稱度，必須采用三相四線輸出方式[3]。為了滿足輸出電壓的穩(wěn)定度、對程度和低諧波含量等的要求，擬采用三電平的先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。

1.2 主功率器件的選擇、驅(qū)動和保護(hù)

某型逆變電源，其輸出額定電流值就達(dá)263A ,按過載120%計算，電流已達(dá)316A, 峰值為446A,根據(jù)該項(xiàng)要求，可以選擇600V,600A的智能功率模塊（IPM）作為逆變橋的主功率器件，該種模塊自帶驅(qū)動和過欠壓、過流和過熱等保護(hù)功能。

1.3 高效低諧波正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM

某型逆變電源對輸出電壓的諧波量要求很高，再考慮到計算的方便性，可以采用多階梯波準(zhǔn)優(yōu)SPWM調(diào)制技術(shù)，消除輸出電壓中的5、7次諧波，開關(guān)頻率最多可達(dá)10kHz。

1.4 高精度高穩(wěn)定度交流電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)

常規(guī)的交流電壓控制方式僅檢測三相輸出電壓的幅值，通過簡單的PID調(diào)節(jié)器對輸出電壓幅值進(jìn)行控制，不但動態(tài)響應(yīng)低，而且控制精度和三相電壓的穩(wěn)定度也很難保證，是一種標(biāo)量控制方式[4]?？梢圆捎萌噍敵鲭妷旱氖噶靠刂品绞剑磳?shí)時地檢測三相輸出電壓的瞬時值，通過與三相高精度高穩(wěn)定度交流輸入?yún)⒖茧妷罕容^，通過交流調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)三相輸出電壓的高精密的跟蹤控制。

1.5 輸出濾波器、變壓器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

輸出濾波器和變壓器的參數(shù)不僅影響輸出電壓的波形質(zhì)量，而且還對輸出電壓的調(diào)節(jié)環(huán)的動態(tài)特性造成影響，可以采用現(xiàn)代電力電子和電磁系統(tǒng)計算機(jī)仿真軟件包對輸出中頻濾波器、變壓器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：能夠提供足夠的噪聲衰減，這要求LC的截止頻率小于一定數(shù)值；為減小濾波器的無功消耗，LC的值不能太大要折中考慮；為了使一定截止頻率下的LC濾波器的無功消耗減小到最小，使得LC的特征阻抗R接近于（0.5～0.8）RL。RL為負(fù)載值。以滿足某型逆變電源的各項(xiàng)技術(shù)要求。

1.6 狀態(tài)監(jiān)控、診斷和保護(hù)

利用高速信號處理器（DSP）的高速信息處理功能，對某型逆變電源進(jìn)行多點(diǎn)狀態(tài)檢測、診斷，從而達(dá)到防患于未然的目的[5]。

1.7 抗環(huán)境溫度、濕度變化和電磁兼容性設(shè)計

考慮到某型逆變電源的工作環(huán)境，在元器件的選用方面更加嚴(yán)格，以滿足工作環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)性能的影響；另外對于印刷電路板和箱體都應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的三防處理；對輸入/輸入濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高系統(tǒng)的抗電磁兼容的能力，以及減小它對環(huán)境的電磁污染[6]。

2 設(shè)計方案

某型逆變電源系統(tǒng)由以下六個部分組成：輸入變壓器、整流器、中間直流母線濾波器、逆變器、輸出濾波器和DSP控制系統(tǒng)。

圖1 某型逆變電源總體方案

圖1 中，輸入變壓器將三相交流電變換成三相交流電，整流器將其變成直流電壓，逆變器將該電壓逆變成三路單相基波電壓，經(jīng)濾波后產(chǎn)生所需的三路正弦交流電。系統(tǒng)中所有的控制、檢測和計算都是由一片高速高性能DSP完成，它檢測輸出電壓給定值和三相真實(shí)電壓反饋值，經(jīng)過數(shù)字PID運(yùn)算，產(chǎn)生輸出電壓控制指令，使輸出電壓與給定值保持一致。PWM信號的運(yùn)算也由這片DSP完成，通過運(yùn)算實(shí)時產(chǎn)生逆變器的驅(qū)動信號，使輸出電壓的幅值和頻率與設(shè)定值一致。除此之外，還充分利用DSP的高速運(yùn)算和信號處理功能，對輸入電源和逆變器狀態(tài)進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)控，一方面可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的故障自保護(hù)；另一方面還將系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時通過數(shù)碼管或液晶屏顯示出來，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的透明化。

為對電源信息實(shí)現(xiàn)有效控制，擬采用TMS320 DSP 作為主控芯片，片上有13路PWM信號輸出，16路A/D輸入，32位數(shù)據(jù)處理單元，50ns指令周期，16k片上Flash EPROM，完全可以滿足本電源的計算和控制任務(wù)。

3 原理驗(yàn)證

在此實(shí)驗(yàn)平臺上，利用原理樣機(jī)做了一些試驗(yàn)，包括空載、帶阻性負(fù)載、帶阻感性負(fù)載以及負(fù)載突變的試驗(yàn)。

3.1 空載下輸出電壓波形及其頻譜分析

圖2 空載下的輸出電壓波形及其頻譜分析

3.2 帶阻性負(fù)載下輸出電壓波形及其頻譜分析

電源帶阻性負(fù)載運(yùn)行,其中電阻2.5Ω，此時輸出為5.2 kW。

圖3 帶阻性負(fù)載下的輸出電壓電流波形及電壓頻譜分析

3.3 帶阻感性負(fù)載下的輸出電壓波形及電壓頻譜分析

電源輸出接阻感性負(fù)載運(yùn)行的試驗(yàn)波形，其中電阻2.5Ω，電感216μH。

圖4 帶阻感性負(fù)載下的輸出電壓電流波形及電壓頻譜分析

3.4 突加突減時的電壓電流波形

圖5 電源突加突卸負(fù)載時的波形圖

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在各種不同的工況下（空載、帶阻性負(fù)載、帶阻感性負(fù)載），都能保證THD在5%以下，單次諧波分量在3%以下，有效值的穩(wěn)態(tài)精度在1V左右，頻率穩(wěn)定度在±1Hz以內(nèi)。動態(tài)時輸出電壓的畸變小，恢復(fù)時間很短。

3.5 樣機(jī)的啟動設(shè)計及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電源在啟動的時候會有較大的輸出沖擊電流，這對電源本身和用戶的安全和壽命都是很不利的。為了減小沖擊，需要采取較緩慢的幅值斜坡輸出。啟動時的實(shí)際輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 啟動時的輸出電壓波形

按設(shè)計，啟動時輸出電壓經(jīng)過140ms后，由0上升到額定滿壓220V。

圖7 三相電壓給定信號

3.6 三相模塊的同步實(shí)驗(yàn)

本電源由三個單相模塊構(gòu)成，三個單相輸出必須互差120°，首先就必須保證三相的給定信號互差120°。由于條件和時間的限制，只作了三項(xiàng)給定信號的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電源方案合理，硬軟件能保證正常工作運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合相關(guān)的技術(shù)要求。

[1] 周杏生, 等. SPWM逆變單元交流瞬時值反饋系統(tǒng)分析[A].第一屆UPS電源研討會論文集[C].

[2] Y.Sekino. 逆變單元輸出電壓波形閉環(huán)控制技術(shù)[A]. 第五屆國際電信能源會議論文集[C].

[3] 李曉帆. 典型正弦半導(dǎo)體逆變電源輸出電路的穩(wěn)態(tài)分析與計算[J]. 船電技術(shù), 1994.

[4] Y.Sekino. “逆變單元輸出電壓波形閉環(huán)控制技術(shù)”[A].第五屆國際電信能源會議論文集[C].

[5] 謝力華, 蘇彥民. 正弦波逆變電源的數(shù)字控制技術(shù)[J]. 電力電子技術(shù), 2001, 35(6): 51-55.

[6] 白同云, 呂曉德. 電磁兼容設(shè)計[M]. 北京郵電大學(xué)出版社, 2001.