孫澄宇，鄒 剛

(1.吉林化工學(xué)院教務(wù)處，吉林吉林132022;2.國(guó)家電網(wǎng)公司吉林供電公司發(fā)展策劃部，吉林吉林132011)

在工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速相比，通用變頻器調(diào)速以其智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等諸多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青睞.變頻器的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電變?yōu)榻涣麟姷哪孀兗夹g(shù).與其他消諧技術(shù)相比，特定消諧(Selective Harmonic Elimination，簡(jiǎn)稱SHE)技術(shù)具有消除諧波次數(shù)多、殘余的諧波分量幅值小、輸出波形質(zhì)量好、功率開關(guān)器件開關(guān)頻率低、損耗小、效率高以及能有效降低因低次諧波而引起諧振的可能性等優(yōu)點(diǎn)［1-4］，廣泛用于變頻調(diào)速、光伏逆變和有源濾波等裝置.

本文設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F2812的特定消諧PWM脈沖及控制電路的變頻器［5-6］，利用DSP內(nèi)部的事件管理器實(shí)現(xiàn)雙極性特定消諧脈沖的發(fā)生、變頻及死區(qū)的生成.簡(jiǎn)化了控制電路及外圍器件的結(jié)構(gòu)，提高了變頻器的可靠性和實(shí)時(shí)性.

1 SHE技術(shù)

消除特定諧波法是1973年F.G.Turnbull提出的［7］.SHE技術(shù)是直接利用輸出電壓的數(shù)學(xué)模型來(lái)求解開關(guān)角.通過(guò)對(duì)電壓波形進(jìn)行傅利葉級(jí)數(shù)展開，令基波幅值為一給定值，再令某些特定次諧波幅值為零，從而得到一個(gè)反映脈沖相位角度關(guān)系的非線性方程組，求解該非線性方程組，并按求得的脈沖相位角度加以控制，即可消除特定的低次諧波［8-9］.圖1為單相SHEPWM輸出的雙極性電壓波形，對(duì)其進(jìn)行傅利葉分析.建立并求解方程組，得到一組在［0，π/2］區(qū)間內(nèi)的脈沖開關(guān)角，再由輸出波形的奇諧對(duì)稱性，可以求得整個(gè)周期內(nèi)的開關(guān)角位置.

圖1 雙極性SHEPWM輸出電壓波形

以15開關(guān)角為例，求解方程組，得表1所示角度:

表1 特定消諧方程的解(N=15，q=1，單位:度)

2 基本電路結(jié)構(gòu)

特定消諧變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 特定消諧變頻器基本結(jié)構(gòu)圖

主電路采用電壓型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示.IGBT開關(guān)管選用IKW50N60T.驅(qū)動(dòng)電路采用IR2233增強(qiáng)控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力.同時(shí)IR2233具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)功能.為實(shí)現(xiàn)DSP與驅(qū)動(dòng)電路之間的電平轉(zhuǎn)換和提高抗干擾能力，在控制電路和驅(qū)動(dòng)電路間采用6N137快速光耦進(jìn)行隔離.

圖3 主電路拓?fù)鋱D

3 DSP控制電路設(shè)計(jì)

3.1 DSP控制電路

DSP控制電路由主控電路和輔助電路組成.主控電路以TI公司的TMS320F2812為核心，實(shí)現(xiàn)特定消諧PWM脈沖信號(hào)發(fā)生、變頻控制和保護(hù)控制功能.為提高主控電路響應(yīng)速度，增強(qiáng)電路擴(kuò)展性和通用性，同時(shí)針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境提供不同開關(guān)角度，設(shè)計(jì)輔助控制電路.由于CPLD具有集成度高、編程靈活等特點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)可根據(jù)不同需求通過(guò)軟件編程直接實(shí)現(xiàn)相應(yīng)硬件邏輯，從而降低了DSP控制外圍電路響應(yīng)時(shí)間.因此輔助電路的控制部分采用XILINX公司的XC95144系列CPLD作為核心控制器件，實(shí)現(xiàn)鍵盤操作、溫度采集、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)顯示及開關(guān)角數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 DSP控制電路結(jié)構(gòu)圖

SHE-PWM脈沖信號(hào)是由DSP內(nèi)部的事件管理器來(lái)實(shí)現(xiàn)［10］.為了進(jìn)行數(shù)控，必須對(duì)所求得的開關(guān)角進(jìn)行數(shù)字化處理［11］.首先求出 α1-αn中相鄰最小差δmin，利用式(1)得到每個(gè)αi所包含的δmin個(gè)數(shù) ni

將ni以數(shù)組的形式存儲(chǔ)到DSP中依此生成SHE-PWM脈沖.通過(guò)改變周期寄存器值實(shí)現(xiàn)變頻功能.周期寄存器的值根據(jù)式(2)求得，

其中fclk為系統(tǒng)時(shí)鐘，f為逆變頻率，T為周期寄存器的值.當(dāng)啟動(dòng)變頻器工作且無(wú)故障信號(hào)時(shí)，DSP啟動(dòng)事件管理器工作輸出PWM脈沖，為防止工作在雙極性方式時(shí)同一橋臂上下開關(guān)器件直通而造成短路情況的發(fā)生，必須通過(guò)設(shè)置死區(qū)寄存器在輸出脈沖中人為加入死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由功率開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定.在一個(gè)逆變周期內(nèi)，如果要改變輸出脈沖的頻率，只有等到當(dāng)前逆變周期結(jié)束下一個(gè)逆變周期開始時(shí)頻率才發(fā)生改變，這樣就保證了輸出信號(hào)的完整性.由于TMS320F2812主頻可達(dá)到150 MHz，因此逆變器可以在很大的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)變頻.

3.2 故障檢測(cè)

由于TMS320F2812自身集成12位A/D模塊，因此可以直接采樣來(lái)自電流傳感器、電壓傳感器和逆變器的信號(hào)，無(wú)需外加模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行判斷，如果超過(guò)正常工作范圍，使能控制電路中的故障檢測(cè)信號(hào)對(duì)主電路進(jìn)行保護(hù)，以免燒損功率器件.

3.3 誤差分析

由于特定消諧開關(guān)角數(shù)據(jù)及變頻數(shù)據(jù)的求得都是經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理的，因此必然存在誤差.表2是DSP系統(tǒng)時(shí)鐘為10 MHz、100 MHz時(shí)變頻器輸出頻率對(duì)比分析.由表2的對(duì)比分析可以看出，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較高時(shí)，其誤差變化較小，能夠滿足以1 Hz為步進(jìn)單位的變頻要求.因此為了獲得較好的變頻頻率應(yīng)選用較高的系統(tǒng)時(shí)鐘.

fclR 80.17 90.42 99.69 100 MHz 10.00 20.00 30.00 40.00 50.01 60.00 69.10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 MHz 9.99 19.99 30.02 40.08 49.85 59.82 70.05 f 99 80.00 90.00 99.95

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證SHE-PWM技術(shù)理論所得結(jié)果消除諧波的效果及本設(shè)計(jì)的可行性，根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)變頻器.控制電路采用 TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812為核心控制器件，編程采用 C語(yǔ)言.圖5(a)、圖6(a)分別示出15個(gè)開關(guān)角50 Hz和40 Hz變頻器輸出電壓波形.使用FLUKE43B電能質(zhì)量分析儀對(duì)該波形進(jìn)行頻譜分析，得到圖5(b)和6(b)所示的結(jié)果.

圖5 15開關(guān)角50 Hz實(shí)測(cè)變頻器輸出電壓波形及頻譜

圖6 15開關(guān)角40 Hz實(shí)測(cè)變頻器輸出電壓波形及頻譜

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，35次以下諧波基本全被消除掉.

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表明，根據(jù)SHE原理求得的開關(guān)角而設(shè)計(jì)的基于TMS320F2812特定消諧式變頻器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)生成死區(qū)，精度高，可靠性好，開關(guān)頻率低，損耗小，應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn).可被直接用于變頻調(diào)速、有源濾波和光伏逆變等領(lǐng)域.同時(shí)逆變器輸出可有效消除特定的低次諧波，且諧波分布向高次諧波轉(zhuǎn)移.由于高次諧波的感抗比較大，這樣就很大程度上降低了諧波的影響.能有效消除或減少逆變器輸出中的諧波含量.

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