摘 要：為滿足大功率試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，開展基于多重化整流的變頻器研制。在分析變頻器總體原理的基礎(chǔ)上，闡述了多重化整流器的原理，重點(diǎn)研究了三電平逆變器控制系統(tǒng)，最后通過半實(shí)物仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了三電平控制算法和控制系統(tǒng)的可行性，變頻器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)逆變輸出，初步完成變頻器的研制。

關(guān)鍵詞：整流器；逆變器；半實(shí)物仿真

中圖分類號(hào)：TM921.51" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）14-0054-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.013

0" " 引言

變頻器主要由整流器和逆變器組成，通過整流器將電網(wǎng)的工頻交流電變換成直流電，經(jīng)過逆變器將直流電變換成一定頻率的交流電，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。

為了滿足大功率試驗(yàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步需求，開展基于多重化整流的SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）逆變技術(shù)的研究。整流部分采用輸入電路失真度較低的多重化變壓器，減小變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；逆變部分采用SVPWM技術(shù)的逆變器。變頻器能夠減少電網(wǎng)諧波影響，滿足調(diào)頻范圍大、調(diào)頻精度高等要求，更加適用于大功率試驗(yàn)系統(tǒng)。

1" " 變頻器總體原理分析

變頻器為交-直-交電壓型變頻電源，本文所述變頻器主電路原理圖如圖1所示，主要包括：主回路預(yù)充電控制、整流組件、逆變組件、LC低通濾波器以及控制系統(tǒng)。其中變頻器整流前端采用多重化整流器，將電網(wǎng)交流電壓變換為直流電壓，經(jīng)平波電抗器以及電解電容穩(wěn)壓后，再經(jīng)逆變器和LC濾波器，實(shí)現(xiàn)變頻器調(diào)頻調(diào)幅。

逆變器采用三電平逆變技術(shù)，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力小，功率器件溫升小，可產(chǎn)生多階梯輸出電壓，諧波含量小，效率高，改善輸入電網(wǎng)質(zhì)量的同時(shí)，可在直流電壓非恒定情況下保障連續(xù)升降調(diào)速過程中電壓的平穩(wěn)輸出及頻率的精確調(diào)節(jié)。LC低通濾波器能使變頻器在額定工況下實(shí)現(xiàn)高效率正弦電壓輸出?？刂葡到y(tǒng)由DSP和觸摸顯示屏組成，在實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能的同時(shí)進(jìn)行變頻器與切換柜的控制聯(lián)絡(luò)及變頻器與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化通信。

2" " 多重化整流技術(shù)

多重化整流技術(shù)是由整流變壓器采用三分裂形式實(shí)現(xiàn)。整流變壓器鐵芯的選擇與電壓有關(guān)，而導(dǎo)線的粗細(xì)直接與發(fā)熱量有關(guān)，變壓器的容量只與發(fā)熱量有關(guān)。變壓器容量的選擇一般從電壓、電流及環(huán)境條件幾個(gè)方面考慮，綜合而言，應(yīng)使變壓器承受的用電負(fù)荷為其額定容量的75%～90%。

變壓器設(shè)計(jì)的基本問題是磁通和電流密度。對(duì)于磁通，電磁學(xué)的基本關(guān)系式如下：

U=4.44fwΦ

式中：U為電壓；f為頻率；w為線圈的匝數(shù)；Φ為磁通量。

變壓器的鐵芯一般為三相柱形，鐵芯的截面積按照公式可以確定，鐵芯窗口大小要把線圈考慮進(jìn)去。

對(duì)于18脈波整流變換，整流變壓器繞組采用曲折接線實(shí)現(xiàn)，各整流單元并聯(lián)，共同向負(fù)載供電。只要滿足m組6脈波整流交流側(cè)的電壓u（n）（n=1，2，3，…，m）依次移相α=60（°）/m，即可得到p=6m脈波的多相整流。對(duì)于18脈波移相，理論上不含有17、19次及以下諧波，因此很好地減少了低次諧波環(huán)流的影響。故采用18脈波整流變壓器可以很好地實(shí)現(xiàn)整流，滿足變頻器要求[1]。

3" " 三電平逆變技術(shù)研究

逆變器把直流電壓變換成三相交流輸出電壓，輸出頻率及輸出電壓可調(diào)。本文所述逆變器采用SVPWM控制?？刂破鞑捎盟矔r(shí)值單環(huán)控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)整正弦波控制的脈沖寬度來調(diào)節(jié)三相輸出電壓[2]。

逆變平臺(tái)擬采用二極管箝位型三電平逆變器，原理圖如圖2所示，其中直流電源DC采用多重化整流變壓器實(shí)現(xiàn)。逆變器主電路采用三相橋式結(jié)構(gòu)，交流側(cè)采用三相對(duì)稱的無中線連接方式，三相全橋電路由12個(gè)功率開關(guān)管IGBT反并聯(lián)續(xù)流二級(jí)管、箝位二極管、濾波電感L及濾波電容C構(gòu)成。

如圖3所示，三電平逆變?cè)囼?yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)硬件電路包括六個(gè)部分：DSP控制芯片、模擬量采集電路、故障檢測與保護(hù)電路、通信接口電路、PWM驅(qū)動(dòng)脈沖電平變換電路、I/O接口電路等。

各部分功能如下：

1）DSP：是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成逆變器數(shù)字化控制，包括電壓反饋PI控制、三電平SVPWM算法、中點(diǎn)電位平衡控制及各功能實(shí)現(xiàn)等。

2）模擬量采集電路：逆變器交流輸出電壓、電流經(jīng)差分電路變換為DSP可采集的實(shí)時(shí)信號(hào)。

3）PWM驅(qū)動(dòng)脈沖電平變換電路：將DSP實(shí)時(shí)計(jì)算生成的3.3 V的PWM脈沖轉(zhuǎn)換為IGBT需要的+15 V驅(qū)動(dòng)脈沖，并進(jìn)行濾波。

4）故障檢測與保護(hù)電路：故障檢測與保護(hù)電路檢測IGBT過壓過流并實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)逆變器急停保護(hù)。

5）通信接口電路：實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)的通信。

6）I/O接口電路：逆變器所有數(shù)字開關(guān)量包括啟停、急停、停電自啟、電壓微調(diào)、保護(hù)等。經(jīng)過I/O接口電路實(shí)現(xiàn)光電隔離，變換為DSP所需3.3 V數(shù)字信號(hào)。

4" " 半實(shí)物仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用半實(shí)物仿真方法進(jìn)行三電平逆變器試驗(yàn)，主要進(jìn)行虛擬主回路半實(shí)物仿真試驗(yàn)。根據(jù)三電平SVPWM控制算法編寫DSP程序加載到主控板中，將NPC逆變器主回路模型加載到半實(shí)物仿真器（RT Box）中模擬主回路，主控板與RT Box相結(jié)合進(jìn)行虛擬主回路半實(shí)物仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證主控板中真實(shí)DSP程序。

三電平逆變器虛擬強(qiáng)電回路半實(shí)物仿真試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為輸出線電壓為五階梯波形，且輸出頻率為50 Hz。儀器之間的連接情況如圖4所示，其中PC機(jī)與RT Box用網(wǎng)線連接，模擬逆變器主回路；通過轉(zhuǎn)接板分別擴(kuò)展RT Box中AO（模擬輸出接口）和DI（數(shù)字輸入接口），進(jìn)而與DSP28335控制板相連，作為主控單元，并用示波器監(jiān)測輸出逆變電壓波形。

如圖5所示，在PLECS中建立逆變器主回路模型，并在主回路中添加了5個(gè)模擬量接口，分別為三相輸出交流電壓、直流電壓和中點(diǎn)電壓，以及12路PWM數(shù)字輸入量，以便接入主控板的PWM輸出信號(hào)。

將主回路模型加載到RT Box模擬逆變器主回路，與含有真實(shí)控制程序的主控板相結(jié)合，進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，示波器測得輸出電壓波形如圖6所示，達(dá)到指令電壓值，且輸出頻率50 Hz，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出目標(biāo)，從而驗(yàn)證了主控板中真實(shí)DSP程序。

5" " 結(jié)論

本文基于多重化整流和三電平SVPWM逆變技術(shù)開展變頻器的研制，其中整流器采用18脈波整流變壓器實(shí)現(xiàn)，逆變器采用三電平SVPWM控制方式。通過半實(shí)物仿真方法實(shí)現(xiàn)逆變器控制算法的驗(yàn)證，通過試驗(yàn)可以看出，系統(tǒng)輸出電壓頻率、波形達(dá)到試驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)逆變輸出，初步完成變頻器的研制。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張華強(qiáng)，李泉慧，孟凡剛，等.一種帶隔離變壓器的串聯(lián)型18脈波整流器[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2019，23（12）：23-31.

[2] 陳國呈.PWM模式與電力電子變換技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2016

收稿日期：2023-03-28

作者簡介：高恒（1989—），男，河北昌黎人，工程師，研究方向：專用電源研制。

焦開洲（1989—），男，湖北大冶人，碩士研究生，工程師，研究方向：專用電源研制。