劉萬(wàn)兵，王亞博，魯西坤

(1.河南安彩高科股份有限公司，安陽(yáng) 455000；2.安陽(yáng)工學(xué)院，安陽(yáng) 455000)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，矩陣變換器理論研究不斷深入，矩陣變換器樣機(jī)的制造也發(fā)展迅速，從開始的2 kW發(fā)展到現(xiàn)在的幾百千伏安[1-3]。不同的調(diào)制策略開始在矩陣變換器中得到應(yīng)用，系統(tǒng)的性能指標(biāo)逐漸完善和提高，樣機(jī)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所涉及的換流、過(guò)電壓和電磁兼容等方面的問(wèn)題受到關(guān)注[4-7]。其中，丹麥的Aalborg大學(xué)在矩陣變換器產(chǎn)品化進(jìn)程中做的工作尤其突出，提出了新的實(shí)現(xiàn)方法——PEBB法，該方法同時(shí)應(yīng)用了雙向開關(guān)模塊和雙向開關(guān)的門極驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及換流邏輯等[8-10]，使得整個(gè)矩陣變換器裝置的體積進(jìn)一步減小，同時(shí)可靠性大大提高，為矩陣變換器的工業(yè)產(chǎn)品化提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[11-13]。英國(guó)學(xué)者Wheeler P W則在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了150 kVA感應(yīng)電機(jī)的樣機(jī)驅(qū)動(dòng)，為矩陣變換器大功率變頻驅(qū)動(dòng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。

矩陣變換器的研究及應(yīng)用面雖然已經(jīng)非常廣泛，幾乎涉及到工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)方面，同時(shí)也取得了可觀的成績(jī)，但仍存在一些問(wèn)題。如何設(shè)計(jì)出更為簡(jiǎn)單的脈沖產(chǎn)生邏輯電路來(lái)形成算法所需的復(fù)雜不規(guī)則PWM脈沖、電壓波動(dòng)時(shí)的換流安全問(wèn)題、換流的可靠性、可靠的矩陣變換器保護(hù)電路設(shè)計(jì)等需要進(jìn)行更加深入的研究。

基于以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了矩陣變換器的主電路和控制電路，并分析了矩陣變換器安全換流策略，優(yōu)化了功率開關(guān)管關(guān)斷策略，確保了矩陣變換器過(guò)流故障情況下主電路的可靠關(guān)斷；最后，搭建了矩陣變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)以dSPACE為主控制單元，負(fù)責(zé)輸入、輸出區(qū)間判斷、PWM占空比計(jì)算及電壓、電流計(jì)算來(lái)判斷故障等工作。脈沖整形、分配及變步長(zhǎng)安全換流策略的實(shí)現(xiàn)則采用ALTERA公司的MAX系列CPLD來(lái)編程實(shí)現(xiàn)。IGBT驅(qū)動(dòng)部分采用EXB841驅(qū)動(dòng)模塊，為提高電壓、電流測(cè)量精度，互感器采用基于霍爾原理的LEM電壓、電流互感器。樣機(jī)平臺(tái)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 矩陣變換器樣機(jī)的總體實(shí)現(xiàn)框圖

1.1 IGBT驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

本文采用了EXB841的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2所示。EXB841的引腳6通過(guò)快速二極管D5接到IGBT的集電極,通過(guò)檢測(cè)集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE的高低來(lái)判斷系統(tǒng)是否發(fā)生短路。根據(jù)其參數(shù)值，當(dāng)IGBT過(guò)流使集射極間的UCE大于7.5 V時(shí)，判斷為發(fā)生短路，過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作,關(guān)斷IGBT。為了達(dá)到延長(zhǎng)IGBT使用壽命的同時(shí)可靠地保護(hù)IGBT,需要在IGBT輕度過(guò)流下進(jìn)行保護(hù)，采用的方法是在D5與IGBT的集電極間反向串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管。

圖2 EXB841外圍設(shè)計(jì)

1.2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)(大慣性負(fù)載)升速、降速時(shí)間設(shè)置不合適(比較短)或者負(fù)載發(fā)生突變，系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流；或者系統(tǒng)出現(xiàn)外部故障如變頻器輸出側(cè)短路、電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)或接地等同樣會(huì)引起系統(tǒng)的過(guò)電流。綜合考慮以上幾種情況，樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)在控制電路中加入過(guò)電流保護(hù)，從而避免系統(tǒng)出現(xiàn)大電流而損壞樣機(jī)。在安全換流策略實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要對(duì)系統(tǒng)的定子電流進(jìn)行檢測(cè)和控制，因此設(shè)計(jì)了測(cè)量電路，該測(cè)量電路主要有兩個(gè)功能：一是提供安全換流策略的電流信號(hào)；二是給系統(tǒng)提供電壓和電流監(jiān)測(cè)信號(hào)，其電路如圖3和圖4所示。測(cè)量電路模塊采用的是LV25-P型電壓傳感器和LA25-NP型的電流互感器，將檢測(cè)到的電壓和電流信號(hào)，送入主控芯片的A/D轉(zhuǎn)換功能引腳處，并最終計(jì)算得到電路中的實(shí)際電流值。為了保護(hù)采樣進(jìn)入A/D模塊信號(hào)不超過(guò)A/D模塊的承受范圍，在信號(hào)入口設(shè)計(jì)了信號(hào)限幅電路，由VZ1、VZ2、VZ5、VZ6來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 電流傳感器電路

圖4 LEM電壓傳感器電路

2 矩陣變換器樣機(jī)軟件設(shè)計(jì)

矩陣變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)包括基于dSPACE的調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)以及基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的變步長(zhǎng)安全換流策略實(shí)現(xiàn)兩大塊。

2.1 基于dSPACE的調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)

在本樣機(jī)的控制系統(tǒng)中，dSPACE是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)輸入電壓的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、觸發(fā)脈沖占空比計(jì)算、開關(guān)模式的選擇等功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到系統(tǒng)控制脈沖的分辨率，通過(guò)DS5101接口板以硬件方式發(fā)出PWM脈沖。另外，基于dSPACE強(qiáng)大的計(jì)算能力，將輸入電壓相位檢測(cè)和電壓值大小的判斷融入到具體算法中來(lái)實(shí)現(xiàn)，考慮到輸入側(cè)電網(wǎng)電壓的頻率和三相間相位相對(duì)穩(wěn)定，可以通過(guò)檢測(cè)一相輸入電壓，如A相，在該相電壓從負(fù)值到正值過(guò)零時(shí)開始，通過(guò)定時(shí)器計(jì)數(shù)，得到當(dāng)前的相位角和扇區(qū)位置。為了減少累積誤差，定時(shí)器每隔一定時(shí)間要復(fù)位一次。通過(guò)以上步驟達(dá)到了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路、簡(jiǎn)化系統(tǒng)元器件使用、增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的目的。在dSPACE中調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)具體流程如圖5所示。

圖5 dSPACE中調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)程序框圖

2.2 安全換流策略CPLD實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)采用的是CPLD。系統(tǒng)中的18路脈沖的變步長(zhǎng)安全換流策略則是通過(guò)3片CPLD來(lái)協(xié)同實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)軟件流程如圖6所示。電流方向的不安全區(qū)域通過(guò)設(shè)計(jì)軟件檢測(cè)，根據(jù)負(fù)載電流絕對(duì)值的大小來(lái)判斷。也就是通過(guò)電流檢測(cè)值的大小與設(shè)定值進(jìn)行比較，在電流過(guò)零點(diǎn)附近，如果出現(xiàn)電流檢測(cè)值小于閾值，就認(rèn)定是不安全區(qū)域。

圖6 變步長(zhǎng)安全換流策略流程圖

3 矩陣變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝置

在實(shí)驗(yàn)室搭建了基于dSPACE的矩陣變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，分別對(duì)變步長(zhǎng)控制策略、電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、調(diào)制策略、IGBT驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)等功能編寫程序，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。該樣機(jī)由主電路和控制電路兩部分組成，主電路拓?fù)鋱D如圖7所示，樣機(jī)實(shí)物圖如圖8所示。主電路由IGBT組、輸入濾波器和箝位電路組成，其中IGBT組采用18個(gè)IGBT組合成一個(gè)公共發(fā)射極開關(guān)，以減少驅(qū)動(dòng)部分的電源數(shù)量。控制電路主要由保護(hù)電路、信號(hào)檢測(cè)電路、基于dSPACE和CPLD的控制電路等組成。

圖7 矩陣變換器拓?fù)鋱D

圖8 矩陣變換器樣機(jī)實(shí)物圖

為了保證實(shí)驗(yàn)裝置的安全性，電源通過(guò)三相隔離變壓器送到矩陣變換器的輸入端。變壓器輸出電壓120 V，選擇阻感性負(fù)載作為系統(tǒng)負(fù)載，其電阻值為12 Ω，電感值為5 mH。輸入端選擇耐壓值為450 V、電容為5 μF的電容作為濾波電容，選擇電感值為5 mH的電感作為濾波電感，同時(shí)在其上并聯(lián)功率為25 W、電阻值為15 Ω的電阻。具體實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。從圖9中可以看出，矩陣變換器樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)輸出三相電源輸出，且輸出波形正弦度比較好。

圖9 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)基于dSPACE的三相-三相矩陣變換器，主回路采用三相-三相標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。同時(shí)還設(shè)計(jì)了信號(hào)測(cè)量電路，分別對(duì)各互感器采集的三相輸入輸出電壓、電流進(jìn)行整形、濾波和隔離處理，然后向控制電路提供所需信號(hào)。設(shè)計(jì)了以dSPACE和多CPLD為核心的控制單元，其中dSPACE完成區(qū)間判斷、算法實(shí)現(xiàn)及保護(hù)措施處理，CPLD則完成所需脈沖產(chǎn)生、整形及變步長(zhǎng)安全換流策略的實(shí)現(xiàn)。最后，在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，證明了該樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在確保安全、可靠換流的同時(shí)減少換流時(shí)間，以提高波形質(zhì)量。