田錫祿，寧 媛

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

0 引言

研究并設(shè)計(jì)了SVPWM控制的三相正弦波逆變器，將單相工頻電轉(zhuǎn)化成可供三相電氣設(shè)備使用的三相可調(diào)交流工頻電。通過軟件系統(tǒng)的調(diào)試與硬件系統(tǒng)的調(diào)試，表明該設(shè)計(jì)方案可行。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要有TMS320F28335控制板、APFC有源功率矯正器、FSBB20CH60F逆變板、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路及輔助電源，系統(tǒng)原理框圖共有六部分，如圖1所示。

系統(tǒng)中AC－DC部分，采用具有功率因素校正功能的不可控整流和boost電路的組合，具有功率因素高，改善網(wǎng)側(cè)電流諧波，輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。DCAC部分采用集成功率模塊FSBB20CH60F，其內(nèi)部集成三相全橋IGBT及反并聯(lián)二級(jí)管，門極驅(qū)動(dòng)控制，上橋臂自舉電源，故障檢測(cè)和多種保護(hù)電路，有利于提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和功率密度。而控制方案靈活多變，采用的DSP28335作為主控芯片，它有150 MHz的高速處理能力，32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，18路的PWM 輸出，6路TI特有高精度PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC。調(diào)試軟件選用CCS4．0。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 有源功率因數(shù)校正器(APFC)

常用不可控整流功率因數(shù)可達(dá)0．9，但它的電流嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生諧波。用單相有源功率因數(shù)校正器整流，功率因數(shù)很高接近于1，采用ST公司的L4981B來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正［2］。其內(nèi)部有乘法器。通過檢測(cè)交流側(cè)輸入電壓，求取其標(biāo)幺值。跟輸出的直流反饋電壓與參考電壓的誤差相乘，得到直流側(cè)輸出電流的參考值。由內(nèi)置的比較模和PWM模塊產(chǎn)生PWM來開通(輸出直流電流小于參考值)或者關(guān)段(輸出電流大于參考值)boost電路的MOSFET開關(guān)，這樣交流側(cè)電流波形跟蹤交流側(cè)電壓的波形，降低諧波，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)等于1。

3 SVPWM

3．1 SVPWM 原理

SVPWM(Space Vector PulseWidth Modulation)是一種使用比較廣泛的PWM控制。

SVPWM控制目標(biāo)是三相對(duì)稱電壓作用于三相對(duì)稱電機(jī)定子時(shí)，產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈跟蹤理想的三相電機(jī)定子磁鏈圓。根據(jù)電機(jī)電磁矢量與電壓矢量的關(guān)系，如式(1):

當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很高時(shí)，定子電阻壓降在式中所占的成份很小，式(1)可寫成式(2):

電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系為互差90°的關(guān)系，所以電壓空間PWM也就是控制電壓空間矢量為標(biāo)準(zhǔn)的圓形，也就是產(chǎn)生三相標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓?？臻g電壓矢量與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系如圖2所示［4］。

圖2 開光狀態(tài)和空間電壓矢量對(duì)應(yīng)關(guān)系

如圖2所示基本的八個(gè)開關(guān)狀態(tài)把空間電壓矢量分為6個(gè)區(qū)域，任意落在這些區(qū)域的空間電壓矢量U都可以通控制相鄰兩電壓矢量的作用時(shí)間來產(chǎn)生。圖2的開關(guān)狀態(tài)第一位表示第一橋臂狀態(tài)，第二位表示第二橋臂狀態(tài)，第三位表示第三橋臂狀態(tài);1表示同一橋臂上面開關(guān)導(dǎo)通，0表示同一橋臂下面開關(guān)導(dǎo)通。與圖3的開關(guān)對(duì)應(yīng)。

圖3 三相全橋IGBT開關(guān)分布

3．2 SVPWM產(chǎn)生的方法

根據(jù)電壓空間矢量線性組合，在DSP中實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生出七段式的PWM［5］，給驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)逆變。

(1)Clark變換

三相參考電壓Clark變換成兩相如式(3):

(2)判斷扇區(qū)位置

判斷輸出電壓的扇區(qū)號(hào)如式(4):

式中:N=4sign(vref3)+2sign(vref2)+sign(vref1)，N與扇區(qū)號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 N與扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(3)計(jì)算時(shí)間中間變量X，Y，Z如式(5)。

(4)計(jì)算矢量作用時(shí)間T1，T2如表2。

表2 相應(yīng)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的相鄰兩電壓矢量作用時(shí)間

(5)計(jì)算開光切換時(shí)間Ta，Tb，Tc如式(6)。

(6)由Ta，Tb，Tc求在一個(gè)開關(guān)周期開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間如表3。

表3 相應(yīng)扇區(qū)對(duì)應(yīng)橋臂的作用時(shí)間

(7)由表3中每個(gè)開關(guān)作用時(shí)間可以產(chǎn)生PWM，而同一橋臂的另一開關(guān)狀態(tài)與之互補(bǔ)。

3．3 SVPWM逆變器的優(yōu)點(diǎn)

(1)三相逆變電路可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，并且響應(yīng)時(shí)間快不受濾波和負(fù)載的影響。

(2)SVPWM逆變電路相比SPWM逆變電路的電壓利用率高15%。并且每次切換開關(guān)時(shí)只有一個(gè)開關(guān)切換，所以開關(guān)損耗小。

(3)SVPWM算法簡單，便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

(4)AC/DC部分采用了功率因數(shù)校正器，整流環(huán)節(jié)工作在單位功率因數(shù)。

4 硬件電路

4．1 AC－DC功率因素校正器

功率因數(shù)矯正器(APFC)主電路采用具有升壓功能的boost電路，控制電路采用ST公司的L4981B PFC控制器［1］，支持輸出功率4．0 kW 以上，開關(guān)平率達(dá)到200 kHz，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到2 A，用于單相電壓范圍80～275 VAC，其中有欠壓，過壓，過流，開關(guān)頻率可調(diào)，上電軟啟動(dòng)功能。主電路采用兩個(gè)整流橋MOSFET并聯(lián)，增大驅(qū)動(dòng)功率。其主電路如圖4，驅(qū)動(dòng)電路如圖5。

圖4 APFC主電路

驅(qū)動(dòng)電路 G1，G2驅(qū)動(dòng)信號(hào)給主電路 GATE1，GATE2;DCN，DCP，DCN0，DCP0 分別與主電路對(duì)應(yīng)點(diǎn)連接;PFCCON是可編程欠壓輸入端。

4．2 逆變部分

4．2．1 智能功率模塊FSBB20CH60F

其中內(nèi)部包含三相全橋IGBT電路，具有驅(qū)動(dòng)電路，上橋臂自舉電源，故障輸出，短路電流保護(hù)的功能，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電源15供電，外部只要處理器給3．3 V/5 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其外部電路可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際需要設(shè)計(jì)。

4．2．2 光電隔離驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)镈SP的驅(qū)動(dòng)電流有限只有4 mA，這里采用3．3～5 V緩沖芯片SN54CT224，以增加驅(qū)動(dòng)能力保護(hù)DSP。用HCPL－4504高速光耦實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離保護(hù)DSP不受強(qiáng)電的破壞。

5 SVPWM程序控制

SVPWM控制算法是實(shí)現(xiàn)三相全橋逆變電路的核心算法，由DSP產(chǎn)生波形，經(jīng)過SN54HCT224轉(zhuǎn)黃成5 V后，再經(jīng)光電隔離電路輸出，最后給SPM內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路端口。TMS320F28335進(jìn)行圖6的計(jì)算，用DSP內(nèi)置PWM發(fā)生功能產(chǎn)生PWM波。圖7為Simulink仿真波形。

圖6 SVPWM算法流程框圖

圖7 Simulink仿真波形

6 檢測(cè)結(jié)果

搭建上述算法和原理的Simulink模型［3］，并測(cè)得到波形如圖7。

搭建APFC與SPM的串聯(lián)逆變硬件電路用示波器實(shí)測(cè)A相電壓電流波形，如圖8。

圖8 實(shí)測(cè)波形

7 結(jié)語

有源功率因素校正器與智能功率模塊串聯(lián)逆變，功率因素高，電流畸變小;從波形看開機(jī)有沖擊電壓，應(yīng)先打開APFC部分，等0．1 s后再開始打開逆變部分;由于開環(huán)運(yùn)行所以相電壓有效值183 V沒達(dá)到理想220 V，要取得更好的控制性能可采用閉環(huán)調(diào)節(jié);SVPWM可方便地實(shí)現(xiàn)逆變、調(diào)壓、變頻;從波形可以看出仿真與實(shí)際具有較好的一致性;SVPWM控制算法在硬件平臺(tái)上得到驗(yàn)證。

［1］ 王 晗，楊喜軍．大功率單相數(shù)字 APFC的研究與實(shí)現(xiàn)［D］．上海:上海交通大學(xué)，2009．

［2］ 林渭勛．現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［3］ 林 飛，杜 欣．電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［4］ 張崇巍，張 興．PWM整流器及其控制［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［5］ 李 瑾，呂樹清，陳顯彪．兩種基于DSP的SVPWM波形實(shí)現(xiàn)方法［J］．湖北工程學(xué)院學(xué)報(bào)，34(3):17－19．