趙建勇， 潘再平， 盧慧芬， 任 璐， 張濱淳

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

單相逆變系統(tǒng)創(chuàng)新實驗平臺的構(gòu)建

趙建勇， 潘再平， 盧慧芬， 任 璐， 張濱淳

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

根據(jù)電力電子技術(shù)探究性實驗教學(xué)的要求，構(gòu)建了一套基于數(shù)字信號處理器(DSP)的單相全橋逆變創(chuàng)新實驗平臺，介紹了平臺的硬件結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)流程，并對實驗平臺的單極性和雙極性SPWM調(diào)制、單相SVPWM及其對應(yīng)的閉環(huán)控制等多項實驗教學(xué)功能進(jìn)行了實驗驗證。結(jié)果表明，該實驗平臺豐富了電力電子課程探究性實驗教學(xué)內(nèi)容，能夠改善和提升電力電子課程的實驗教學(xué)質(zhì)量。

實驗教學(xué)； 逆變系統(tǒng)； 控制算法； 探究性實驗

0 引 言

《電力電子技術(shù)》是高等院校電氣工程及其自動化等相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實踐性，實驗課程在教學(xué)體系中有著至關(guān)重要的位置，而逆變技術(shù)的相關(guān)實驗更是電力電子實驗課程中的核心內(nèi)容之一。目前，該類實驗課程大多是在設(shè)定條件下開設(shè)的傳統(tǒng)驗證性實驗項目，配置處購的通用實驗設(shè)備，該類設(shè)備一般為定型產(chǎn)品，學(xué)生幾乎不能自己隨意更改，只能是根據(jù)教師或?qū)嶒灲滩牡闹笇?dǎo)完成設(shè)定的接線、讀取數(shù)據(jù)。學(xué)生分析問題，解決問題的能力未能得到相應(yīng)的鍛煉，主觀能動性創(chuàng)新能力未能得到發(fā)揮[1-15]。

隨著各種高性能電力電子器件及數(shù)字信號處理器(DSP)處理芯片的出現(xiàn)， PWM逆變系統(tǒng)的數(shù)字化控制成為電力電子技術(shù)的熱門研究領(lǐng)域。現(xiàn)代電力電子的實驗教學(xué)應(yīng)該緊隨學(xué)科的發(fā)展方向，引入新型的實驗裝置，使學(xué)生在學(xué)會專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時能夠把握電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，真正做到學(xué)以致用。

根據(jù)逆變技術(shù)的最新發(fā)展方向，我校電氣學(xué)院搭建了基于DSP控制的單相全橋逆變系統(tǒng)實驗平臺。通過該平臺，學(xué)生可進(jìn)行單相逆變的各種相關(guān)實驗，包括逆變器相關(guān)調(diào)制技術(shù)實驗，如單極性、雙極性、單極性倍頻SPWM和單相SVPWM等內(nèi)容。平臺還可進(jìn)行單相PWM整流實驗、功率因數(shù)校正以及其他相關(guān)探究性實驗。實驗內(nèi)容緊密結(jié)合學(xué)生所學(xué)理論知識，有助于加強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)知識點的直觀理解，并且提高創(chuàng)新意識和動手能力[2-4]。實驗平臺中強(qiáng)電部分均有保護(hù)措施，安全性較高，適合學(xué)生操作。

1 實驗平臺硬件設(shè)計

為提高實驗平臺的靈活性，結(jié)合探究性實驗教學(xué)的特點，單相全橋逆變實驗平臺采用模塊化設(shè)計，主要由上位機(jī)(PC)、功率主電路、控制電路和輔助電源、采樣電路、保護(hù)模塊等部分構(gòu)成，各個模塊設(shè)計時摒棄傳統(tǒng)的掛箱封裝模式，電路器件均為外露設(shè)計，學(xué)生可以直觀地看見整個電路的結(jié)構(gòu)以及具體的電力電子器件，其中強(qiáng)電模塊部分可以增加透明有機(jī)玻璃進(jìn)行保護(hù)，既能保證學(xué)生在實驗過程中的安全又可看清模塊的具體組成部分。其典型結(jié)構(gòu)及模塊實物圖如圖1、圖2所示。

圖1 實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 實驗平臺模塊實物圖

在實驗平臺中，功率主電路主要有三相不控整流及濾波、全橋逆變電路、輸出LC濾波及負(fù)載構(gòu)成，控制系統(tǒng)主要包括DSP核心板、二極管整流及保護(hù)電路、電壓電流檢測電路、驅(qū)動電路等。上位機(jī)(PC)可以實現(xiàn)系統(tǒng)的連接、啟動和停止，設(shè)置調(diào)制方式、調(diào)制頻率、調(diào)制比參數(shù)等，以及閉環(huán)控制參數(shù)的整定，實時觀察系統(tǒng)輸出的波形。

1.1 功率主電路

單相全橋逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，S1～S4為功率開關(guān)器件IGBT模塊，組成逆變橋單元。逆變橋后級是輸出濾波單元，經(jīng)LC濾波器濾除輸出電壓中的高次諧波分量，電路中濾波電感和電容的等效串聯(lián)阻值可暫不考慮。主電路輸出端濾波器主要作用是濾除逆變橋輸出SPWM波中的高次諧波，輸出基波分量，降低電壓畸變率THD值。其設(shè)計主要依據(jù)轉(zhuǎn)折頻率和阻尼比，在綜合考慮逆變器穩(wěn)定性、電流應(yīng)力等因素確定電感L和電容C的值[5-7][13]，該部分電路參數(shù)可由學(xué)生在實驗前查詢資料，根據(jù)相關(guān)計算方法測得參考值，實驗過程中再根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行校正。

圖3 單相全橋逆變主電路

1.2 控制電路

控制電路主要包括DSP核心板、采樣調(diào)理電路以及驅(qū)動保護(hù)電路等，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)圖

控制電路通過DSP完成AD轉(zhuǎn)換、控制算法實現(xiàn)、PWM信號生成等功能。結(jié)合電氣專業(yè)《DSP原理與應(yīng)用》課程的內(nèi)容，核心板DSP芯片選用TMS320F2812，借助DSP相關(guān)課程和實驗的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，學(xué)生可以較容易對款款芯片操作編程。而且DSP2812具有高速運算能力和強(qiáng)大的中斷響應(yīng)能力，16通道ADC模塊以及專門的事件管理器等極大地簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)高性能數(shù)字控制技術(shù)提供了便利[10，14]。

采樣調(diào)理電路包括交流輸出電壓信號、電感電流信號。其中電流采樣經(jīng)過電流傳感器ACS712，將電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，再經(jīng)調(diào)理電路送入DSP的AD端口。電壓采樣經(jīng)VSM025A型霍爾電壓傳感器、信號調(diào)理電路得到相應(yīng)的信號送入DSP的AD端口進(jìn)行處理，學(xué)生實驗時可以方便地測試并調(diào)節(jié)各路通道的增益參數(shù)。

驅(qū)動電路采用集成式驅(qū)動芯片IR2110，它兼有光耦隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優(yōu)點，而且電路簡單明了，易于學(xué)生學(xué)習(xí)和使用。

2 實驗平臺軟件設(shè)計

根據(jù)探究性實驗課程的學(xué)時數(shù)及內(nèi)容深度，實驗軟件部分可有兩種方式實現(xiàn)。

一是基于TI公司提供的編程工具Code Composer Studio(CCS)，它包含一整套用于嵌入式開發(fā)和調(diào)試的工具，編程語言采用C/C++語言，該方式可讓學(xué)生從最底層算法做起，適合學(xué)時數(shù)多的實驗項目；二是配置Matlab與CCS的聯(lián)合開發(fā)環(huán)境，直接在Simlink中進(jìn)行算法設(shè)計，通過仿真模型生成影響的控制代碼，該方式適合學(xué)時數(shù)較少的實驗項目。兩種方法均注重模塊化設(shè)計，具有較好的可讀性和通用性，方便學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實驗。

電氣工程專業(yè)的學(xué)生均學(xué)習(xí)過C或C++、DSP及Simulink仿真方面的課程，因此能夠較快的熟悉和使用該開發(fā)環(huán)境。實驗平臺配置了基于LabVIEW實現(xiàn)的上位機(jī)，設(shè)計了可視化控制界面，通過USB線與控制板連接，可以觀察系統(tǒng)輸出的電壓、電流波形。調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻率，以及控制參數(shù)的調(diào)整等。

3 實驗平臺應(yīng)用案例

3.1 實驗內(nèi)容設(shè)計

以典型的單相PWM逆變系統(tǒng)為探究性實驗教學(xué)案例。

(1) 搭建主電路?？筛鶕?jù)課程內(nèi)容提供相應(yīng)模塊的參考原理圖，由學(xué)生輔助或獨立完成主電路及控制電路設(shè)計，使學(xué)生對電力電子器件及控制系統(tǒng)有感性的認(rèn)識。

(2) 不同調(diào)制方式實驗。學(xué)生可進(jìn)行單極性、單極性倍頻、雙極性及單相SVPWM調(diào)制等相關(guān)實驗。單極性倍頻與普通單極性調(diào)制相比，4個功率開關(guān)管均以較高的開關(guān)頻率工作，輸出正弦電壓波形更加理想，但開關(guān)損耗也相應(yīng)的增加。雙極性是指任何時候每橋臂的上、下元件之間均做互補(bǔ)通、斷[11]。任一半周期內(nèi)調(diào)制波、載波及輸出SPWM波均有正、負(fù)交替出現(xiàn)，可有效提高直流電壓利用率。學(xué)生均可在實驗過程中結(jié)合理論學(xué)習(xí)進(jìn)行相關(guān)驗證。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，將SVPWM技術(shù)應(yīng)用于單相逆變電源，給出了實現(xiàn)方法，學(xué)生可進(jìn)行相關(guān)探究性實驗實際驗證。

(3) 不同控制策略驗證。該實驗平臺具有很大的靈活性，通過平臺的開發(fā)環(huán)境，可以實現(xiàn)不同的控制策略：電壓單環(huán)及電壓、電流雙閉環(huán)等。在此基礎(chǔ)上亦可實現(xiàn)重復(fù)控制、無差拍控制、滑膜變結(jié)構(gòu)控制等控制算法先進(jìn)的探究性實驗內(nèi)容。

(4) 觀察濾波參數(shù)對輸出正弦波形的影響及輸出電壓變化率。可改變LC濾波參數(shù)，用示波器觀察輸出波形的變化。

(5) 觀察電路中工作波形?？赏ㄟ^測量不同輸出頻率、電壓幅值情況下，IGBT驅(qū)動信號、全橋輸出端及濾波輸出端正弦電壓的波形。也可以直接在上位機(jī)進(jìn)行觀察。

3.2 實驗數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計方案，搭建了一套單相逆變實驗平臺，表1所示為除本實驗平臺外所用其他主要實驗設(shè)備的參數(shù)。

表1 實驗設(shè)備參數(shù)

圖5，6分別為逆變系統(tǒng)在單極性倍頻、雙極性調(diào)制下的全橋電路輸出波形，系統(tǒng)采用電壓、電流雙環(huán)控制，輸出電壓有效值90 V，頻率50 Hz。該實驗結(jié)果驗證了平臺的基本實驗教學(xué)功能。

圖5 單極性倍頻逆變輸出電壓波形

圖6 雙極性輸出電壓波形

圖7所示為經(jīng)LC濾波之后，經(jīng)過采樣及A/D轉(zhuǎn)換，在上位機(jī)LabVIEW軟件平臺觀察到的負(fù)載電壓、電流波形，其中左側(cè)為電壓波形，右下方為電流波形。加入該上位機(jī)界面可以使學(xué)生更加靈活的進(jìn)行各種實驗操作，增強(qiáng)了實驗的直觀性和可視化程度。

圖7 單極性輸出時上位機(jī)觀測波形

4 結(jié) 語

結(jié)合電力電子技術(shù)探究性實驗教學(xué)的特點和目標(biāo)，設(shè)計并搭建了一套基于DSP2812的單相逆變系統(tǒng)創(chuàng)新實驗平臺，利用該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)單極性和雙極性逆變系統(tǒng)等多項逆變技術(shù)相關(guān)創(chuàng)新實驗。通過LabVIEW設(shè)計的上位機(jī)能夠方便地修改實驗系統(tǒng)的輸出和相關(guān)控制參數(shù)，適合實驗教學(xué)的應(yīng)用。最后以單相逆變系統(tǒng)實驗為例，利用實驗平臺采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，分別測試了平臺在單極性倍頻和雙極性調(diào)制方式下的逆變輸出，驗證了平臺功能的正確性和完整性。另外，還可利用設(shè)計的實驗平臺進(jìn)行單相及三相PWM整流、功率因數(shù)校正、能量回饋等各種電力電子相關(guān)的探究性實驗，并可在增加編碼器等裝置的基礎(chǔ)上應(yīng)用到電機(jī)控制相關(guān)實驗課程。

該探究性實驗平臺的引入，豐富了電力電子技術(shù)相關(guān)課程的實驗教學(xué)內(nèi)容，為電類專業(yè)以能力導(dǎo)向為基礎(chǔ)的探究性實驗改革提供了良好的平臺，具有積極的促進(jìn)作用。

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Construction of Innovative Experimental Platform for Single Inverter

ZHAOJianyong，PANZaiping，LUHuifen，RENLu，ZHANGBinchun

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University， Hangzhou 310027， China)

In accordance with the requirements of exploring experimental teaching of power electronic technology, the paper builds an innovative experimental platform for single-phase inverter that is based on DSP, and presents its hardware structure and implementation process of the software, studies the single-polar, bipolar modulation and single phase SVPWM of the inverter, following their dual loop control respectively. The experiment results prove that the proposed platform is a meaningful complement to the teaching of power electronics’ exploring experimental teaching, can enhance the experiment teaching quality of power electronics.

experimental teaching; inverter system; control algorithm; exploring experiment

2016-04-25

國網(wǎng)公司科技項目(高比例清潔能源接入下未來電網(wǎng)形態(tài)、演化機(jī)理研究)

趙建勇(1987-)，男，山東濰坊人，碩士，工程師，研究方向：電機(jī)控制技術(shù)及相關(guān)實驗教學(xué)。

Tel.：13735578162；E-mail：jyzhao@zju.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0196-04