柳曉明,姚振松,劉風(fēng)亮,姚振民,劉世昌,王 前,于文瑞
(1.本溪東方三家子礦業(yè)有限公司;2.山東華特磁電科技股份有限公司)
對于慣性負載,雙PWM變頻電源在停機或系統(tǒng)故障時,負載產(chǎn)生的回饋能量匯集到直流母線電容上,若不能及時處理回饋能量,勢必造成直流母線電壓泵升,會引起直流母線過壓保護動作、造成主回路功率器件和直流母線電容的過壓損壞,進而影響系統(tǒng)正常工作,導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,保證系統(tǒng)的正常工作,針對逆變側(cè)的回饋能量通常的處理方式基本有兩種:(1)能量通過在直流母線電容側(cè)并聯(lián)的制動單元和制動電阻,以電阻發(fā)熱的形式消耗掉。采用此種方式接線簡單、響應(yīng)速度較快、易于實現(xiàn),研發(fā)周期短;但也造成能量浪費、增加硬件成本、回饋能量無法預(yù)測難以很好的匹配制動電阻、電阻發(fā)熱影響系統(tǒng)散熱效果。(2)能量通過由晶閘管或IGBT組成的外掛逆變單元,實現(xiàn)能量從負載側(cè)向電網(wǎng)側(cè)回饋。采用此種方式解決了能耗制動能量浪費、能耗制動效率低等問題;但是增加了硬件成本,易形成電流回環(huán),能量不能很好地在網(wǎng)側(cè)與負載側(cè)雙向流動。
針對現(xiàn)有控制方案的不足,我們將采用分級處理的方式對回饋能量進行優(yōu)化處理。
如圖1所示,雙PWM變頻電源包括PWM整流器,中間環(huán)節(jié)、PWM逆變器和控制器等。PWM整流器由IGBT及其驅(qū)動隔離、保護電路構(gòu)成,PWM整流器的作用是將正弦交流電整流為直流電,提供給中間環(huán)節(jié);中間環(huán)節(jié)包括直流電容和制動單元,直流電容的作用是對整流后的直流電進行濾波和穩(wěn)壓,制動單元的作用是維持直流母線電壓的穩(wěn)定;信號采集電路采集電路中電壓、電流信號,采集電壓信號包括交流輸入電壓、直流母線電壓,采集電流信號包括交流輸入電流、交流輸出電流,經(jīng)A/D變換后傳送給控制器;PWM逆變器由IGBT及其驅(qū)動隔離、保護電路構(gòu)成,PWM逆變器的作用是將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電,向負載提供能量。
控制器采用TI公司TMS320F28335芯片,TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力,具備32位浮點處理單元,6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF,有多達18路的PWM輸出,其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM),12位16通道ADC??刂破鲗崿F(xiàn)對系統(tǒng)的所有控制,主要包括PWM整流器和PWM逆變器的算法運算、系統(tǒng)保護、通信等主要功能。
如圖1、圖2和圖3所示,在停機或系統(tǒng)故障時,負載所儲存的電磁能釋放,能量由PWM逆變器的功率器件IGBT(VT21和VT24,VT23和VT26,VT25和VT22)集成的續(xù)流二極管向直流母線電容(C1和C2)充電,造成直流母線電壓泵升。此時ADC信號采樣電路采集直流母線電壓Udc的實際值,并將實際值經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸給控制器,控制器將直流母線電壓Udc的實際值與預(yù)設(shè)定的閾值Ua和閾值Ub作比較。
圖1
圖2
圖3
如圖3所示,當直流母線電壓Udc小于閾值Ua時,此時屬于正常的動態(tài)變化,無回饋能量或回饋能量較小,直流母線電壓泵升較低,通過直流母線電容充電進行調(diào)節(jié)即可。當直流母線電壓Udc大于等于閾值Ua并小于閾值Ub時,此時存在較大的回饋能量,控制器判斷應(yīng)采用“能量回饋”處理方式,具體是:控制PWM整流器切換至有源逆變狀態(tài),并保持制動電阻R沒有制動電流流過;同時,控制器根據(jù)各相第一霍爾傳感器采集的電網(wǎng)電壓,控制PWM整流器將回饋能量逆變成電能時,使其幅值、頻率以及相位與當前的電網(wǎng)各相幅值、頻率以及相位相一致,以便回饋能量流向電網(wǎng)時,對電網(wǎng)幾乎不產(chǎn)生諧波污染。本方式利用了原有的PWM整流的硬件結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了一級能量回饋,降低了成本,還迫使直流母線電壓回落至正常范圍,避免直流母線電壓持續(xù)泵升引起故障,損壞直流母線電容。
當直流母線電壓Udc大于等于閾值Ub時,表明存在大量的回饋能量,并且回饋能量功率大于PWM整流器有源逆變功率,造成直流母線電壓持續(xù)泵升,直流母線電容充電和能量回饋方式不能使系統(tǒng)正常運行,此時控制器判斷應(yīng)采用“能耗制動”處理方式,具體為:控制器控制PWM整流器停止工作,脈沖封鎖,使制動電阻R有制動電流流過,使制動電阻R釋放熱量,耗散回饋能量,避免母線直流電壓持續(xù)泵升的同時,迫使直流母線電壓迅速回落,直至直流母線電壓Udc小于閾值Ua,此時,沒有制動電流流過制動電阻R,制動電阻R在自然散熱,降低自身溫度,使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
通過本方案的方法,利用“一級”能量回饋與“二級”耗散制動相配合的架構(gòu),既實現(xiàn)能量在網(wǎng)側(cè)與負載側(cè)的雙向流動,又有效保護直流母線電容,同時由于利用PWM整流器電路結(jié)構(gòu)不再增加系統(tǒng)硬件成本,還改善了整流器網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù),幾乎對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波污染;避免了雙PWM變頻電源因回饋能量而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障,保證了系統(tǒng)的安全可靠運行。