（电力电子与电力传动专业论文）无功与谐波自动补偿装置实验平台的设计.pdf

j e 塞童道塞堂亟堂焦迨塞丛塾堡盟 a b s t r a c t a b s i r a c i ! r e a c t i v e - l o a da n dh a r m o n i o u sc o m p e n s a t i o nd e v i c ei sc o n s i d e r e da so n eo ft h e m o s te f f e c t i v es o l u t i o n st oi m p r o v ep o w e rp o l l u t i o n i tc a nf o l l o wt oc o m p e n s a t e h a r m o m co f w h i c hf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ei sv a r i a b l ea n dt h ec o m p e n s a t i n gc h a r a c t e r i sf r e eo fi n f e c t i o no fr e s i s t a n c eo ft h ee l e c t r i cn e t w o r k t h eg o o df i l t e rc h a r a c t e ro f h a p fc a ns a t i s f yt h en e e do fc o m p t 黜r i o n s oa p fh a sb e e nw i d e l yr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e di nt h er e c e n ty e a r s w h e nt h er e a c t i v e - l o a da n dh a r m o n i o u sc o m p e n s a t i o nd e v i c es y s t e mw e r eb u i l tu p ， i ti sn e c e s s a r yt od 髑i g nt h et e s ts y s t e mt h a tc a nd e t e c ta n da n a l y z et h es t a t u so ft h e s y s t e ma tt h er e a lt i m e t om a k et h ee 1 g l r l e e r so rr e s e a r c h e r sv a l i d a t ea n dd e b u g a r i t h m e t i ce x p e d i e n t l yt h ed i s s e r t a t i o ni n t e n d st oc o n s t r u c tat e s tp l a t f o r ma d a p t e dt o r e a c t i v e - l o a da n dh a r m o n i o u sc o m p e n s a t i o nd e v i c ea n do t h e rp o w e re l e c t r o n i c s a p p l i c a t i o n b a s e do nt h i sp l a t f o r m , v a l i d a t i n gt h ea r i t h m e t i ca n dd e b u g g i n gt h es y s t e m h a sb e e nr e a l i z e d t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e p r e s s i v em e t h o d so f h a r m o n i c , m o s to f i m p o r t a n c e , t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fh a p f , a n dp r o p o s e st h eb l u ep r i n t - - t h ec o m b i n a t i o no f p a r a l l e lv o l t a g e - t y p ea p fa n dp p et h e nd i s c u s s e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h e r e a c t i v e - l o a da n dh a r m o m o l l sc o m p e n s a t i o nd e v i c et e s tp l a t f o r mm a dw o r ko u tah o l i s t i e s c h e m e , t h e nd e s c r i b et h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g no f t h ec o m p e n s a t i o n d e v i c et e s tp l a t f o r mi nd e t a i l ，a tl a s tc o o p e r a t i n gw i t hr e s e a r c ho nt h et e s ts y s t e ma n d g i v et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h eh a r d w a r ep a r tb e g i n s 弧mt h ei n t r o d u c t i o no ft h ep l a t f o r m sm a i nc i r c u i ta n d d r i v e se i r e n i td a s i g n , a n dt h e nn l a k e se m p h a s i so nt h ed e s i g no f m o d u l e sc i r c u i tw h i c h i n c l u d e ss y s t e mc o n t r o lm o d u l ed e s i g na n ds y s t e mc o m m u n i c a t i o nm o d u l ed a s i g n s y s t e mc o n t r o lm o d u l et a k e st m s 3 2 0 f 2 8 1 2o f t ic o r p o r a t i o n a sc p u ，s u p p l i e sh i g h l y q u a l i t yp o w e rc i r c u i ta n dd e s i g n sf l e x i b l es i g n a l sc o l l e c t i o na n dr e g u l a t i o nc i r c u i t s ， c o n v e r s i o nc i r c u i tf r o ma n a l o g u es i g n a tt od i g i t a ls i g n a la n dd i g i t a ll o g i cc i r c u i t s y s t e m c o m m u n i c a t i o nm o d u l ec o n t a i n su s ba n dc a nc o m m u n i c a t i o nd e s i g n t h es o f t w a r ep a r ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，o n ep a r ti st h eb o t t o md s pa n dm c u p r o 黟a mi n c l u d i n ga r i t h m e t i c , c o m m u n i c a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o g r a m ， a n o t h e rp a r ti st h et o pp cp r o g r a mi n c l u d i n gau s bd r i v e ri nx po p e r a t i n gs y s t e ma n da i 立至煎太堂亟堂僮论塞 垦s 墅l 丛疆 v i r t u a ls c o p eb a s e do nn i l a b v i e w n ev i r t u a ls c o p e nn o to n l ym o n i t o ra n d d i s p l a yt h ev a r i a b l e si nt h eb o t t o md s p b u ta l s oa n a l y s i sa n de d i tt h e s ev a r i a b l e so n l i n e f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h er e a c t i v e - l o a da n dh a r m o n i o u s c o m p e n s a t i o nd e v i c et e s tp l a t f o r mh a sb e e np r o v e db yt h eg i v e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s w h i c hc o m ef r o ms e v e r a le x p e r i m e n t a lp r o g r a m s t l l i sd i s s e r t a t i o nr e a l i z e st h eb a s i cf u n c t i o n so ft h er e a c t i v e - l o a da n dh a r m o n i o i l s c o m p e n s a t i o nd e v i c et e s tp l a t f o r mb yw h i c hw ev a l i d a t et h ea r i t h m e t i ct h a tc o m p e n s a t e s t h es y s t e mh a r m o n i c 1 1 l et e s tp l a t f o r ma l s op r o v i d e se x o t e r i eh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e h a sf l e x i b l ec o m m u n i c a t i o nm o d ea n dd i s p l a y si t sp o t e n t i a lp r a c t i c a l i t y k e y w o l i d s ：h a r m o n i cr e s t r a i nu s b ：l a b e w ：v i r t u a ls c o p e c i 。a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 狮彬 导师签名： 勿，司雹 签字日期：2 叼年1 2 月2 日 签字日期：如，7 年廖月工7 日 j e 塞蛮道太堂亟堂僮途童独剑丝直圜 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孵糟、签字日期：矽0 7 年2 一月叫日 韭塞窑通鑫堂亟主堂鱼迨塞塾递 致谢 本论文的工作是在我的导师曾国宏副教授的悉心指导下完成的，曾国宏副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来曾国宏老师对我的关心和指导。 曾国宏副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向曾国宏老师表示衷心的谢意。 曾国宏副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘斌、王昭、王春光、黄小光、王扬、王永 翔、张佳、韦克康、乔明、董雪武和许晶菁等同学对我论文中的u s b 通信、驱动 设计和l a b v i e w 上位机开发等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题背景及选题意义 1 绪论 在电力系统中，人们总是希望交流电压和交流电流为工频正弦波性，在电能 传递和转换过程中，对其他负荷不产生任何干扰，并且希望供电线路产生的损耗 最小和提供最大的电能给用户。但是随着现代工业技术的发展，电力系统中非线 性负荷大量增加。此外，工业用电弧炉、家用电器和电气化铁路等用电设备也在 不断增加各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规 模地应用，其负面效应也日益明显。非线性和冲击性是这些负荷所共有的用电特 性，由此产生的谐波对电力系统造成的污染问题目益严重， 基于谐波对电力系统和其他用电设备带来的严重影响，电力系统的谐波问题 引起了广泛的关注，谐波的抑制问题也一度成为广泛研究的热点。为解决电力电 子装置及其他非线性负载产生的谐波污染问题，可在电路中加接无功与谐波自动 补偿装置。本文采用的由有源滤波器和无源滤波器组成的混合型补偿装置，既实 现大容量负载的补偿又具有动态补偿特性。1 1 1 无功与谐波自动补偿装置系统比较复杂、难于调试，高效、稳定的算法对于 无功与谐波自动补偿装置整个系统来说至关重要。目前研究人员通常是在系统仿 真之后，再根据具体应用系统按比例缩小搭建实验系统进行算法的验证。这样不 但延长了系统的开发周期，而且临时搭建的系统在调试过后基本就闲置不用造成 资源浪费。另外实验数据的记录，控制规律的总结，各种示波器不可测量的图形 文档几乎都不能保留。 针对上述问题开发一套针对无功与谐波自动补偿装置的开放性的实验平台是 十分必要的。此平台应可以缩短开发周期、方便构建实验系统、易于调试各种控 制策略、保存关心的实验数据以方便以后进行分析，另外对于总结控制规律也会 有很大帮助。 本文设计的无功与谐波自动补偿装置实验平台的各项功能均针对无功与谐波 自动补偿装置控制的科研特点而设计，具有强大图形化功能，为整个无功与谐波 自动补偿系统的理论研究、产品开发及教学实验提供了极大方便。由于本系统的 软硬件均为模块化的集成方式，其软件资源丰富，因此使用非常灵活，利用本系 统可以在很短的时间内完成不同控制策略的实验过程，可对整个无功与谐波自动 补偿装置的开发进行辅助。| 3 1 1 4 1 j e 立銮通盔堂亟堂僮论塞 1 2 自动补偿装置实验平台的构成及其设计要求 1 2 1 自动补偿装置实验平台的构成 m - - x - - - - 甲申一申审 i 电罔和负载靖 图卜1 自动补偿装置实验平台系统框图 f i g ，1 - 1c o m p e n s a t i o nd e v i c e t e s ts y s t e mb l o c kd i a g r a m 图卜1 是自动补偿装置实验系统的框图，系统包括：供电单元、信号捕获与 调理电路、控制板、驱动板、变流器、p c 机、虚拟示波器、负载等。以下章节将 对上述各部分进行详细的介绍。控制板预留j t a g 接口可以接d s p 仿真器，还有u s b 通信接口可与p c 机进行通信。p c 机有虚拟示波器软件可实时显示，实时分析和实 时存储系统数据和各种波形。 1 2 2 自动补偿装置实验平台的设计要求 展望2 1 世纪电力电子产业的发展趋势，其动向就是围绕提高效率、提高性能、 消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声进行不懈的研究。而避免电力公害，尽量 减少网侧电流谐波，对电网无功进行合理补偿，从而使网侧功率因数接近1 ，正是 无功与谐波自动补偿装置要达到的要求。为此，实验平台应具有如下几个方面的 要求： 1 通信实时性。系统要求系统能够在规定的时问内对外部事件给予响应。 2 但在不同应用中，通信的嵌入式设备间的物理距离不同，使用的通信方式也不尽 相同。通信延迟是影响实时系统的主要因素之一。在近距离通信中，可以采用高 速通信线路，但是在远距离通信中，则通信线路的选择余地较小。在低速通信线 路中，为了提高系统的实时性能，实时系统的通信需要设计成多线程多任务，确保 每个通信请求都有单独的线程来处理，这样可以保证系统对通信的及时响应。同 时，d s p 是一种高速专用微处理器，运算功能强大，能实现高速率传输数据，具有 实时运算能力，并集成了电动机控制外围部件，使设计者外加较少的硬件设备， 就可以构成最小目标控制系统，从而降低系统费用及产品成本。 2 接口方便。以d s p 为核心的控制系统与其他以现代数字技术为基础的系统 或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些 系统接口要容易得多；系统的软硬件均为模块化的方式，预留接口和软位资源丰 富，因此使用非常灵活，可以在最短时间内完成不同控制策略和不同控制对象的 设计过程。 3 编程方便。控制系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵活 方便地对软件进行修改和升级。 4 精度高。准3 2 位数字系统可以达到的精度。 5 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统 基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。d s p 系统中的数字部 件有高度的规范性，便于大规模集成。 1 3 本文的研究内容 本文是结合北京交通大学与珠海赛迪生电气设备有限公司合作项目“无功与 谐波自动补偿装置的设计与研究”完成的。完成该项目的系统采用了混合型有源 滤波器的补偿方案，其中无源补偿网络的使用可以增大装置的补偿容量，降低其 单位容量的性能造价，而有源滤波器的使用可以实现无功与谐波的动态补偿。 本文设计了实验平台的硬件电路，并针对实验平台硬件电路各部分电路进行 了详细研究。包括系统控制模块和系统通信模块。其中系统控制模块包括d s p 控 制电路、系统供电电路、i g b t 驱动电路、晶闸管驱动电路、霍尔传感器和执行机 构等等；其中系统通信模块设计并预留了多种通信接口，包括u s b ，c a n ，r s 2 3 2 通信接口等。 对整个实验系统的软件进行了设计和编程。软件部分主要包括上位机软件和 下位机软件两部分。下位机软件包含了d s p 的通信控制程序和u s b 控制器固件程 序等。上位机程序包含了w i n d o w s 下u s b 驱动程序的设计以及l a b v i e w 虚拟示波 3 韭立銮运盘堂亟堂位诠塞 器程序设计等。 为了验证无功与谐波自动补偿装置实验平台的可用性与可靠性，首先进行了 系统通信可靠性实验，包括下位机通信测试实验和上位机通信显示实验，验证了 实验平台通信和显示的功能；在无功与谐波自动补偿装置的设计中，基于本文所 研发的实验平台的辅助，构建了一台实验样机，并在该样机上进行相关实验，从 而验证了无功与谐波自动补偿装置的谐波检测方法和补偿电流控制策略的正确性 和可靠性，达到了无功与谐波自动补偿装置的预期补偿效果。 4 2 自动i e 馐装置塞验圣台殴埂鲑遮让 2 自动补偿装置实验平台的硬件设计 自动补偿装置实验平台硬件系统主要由控制系统模块和系统通信模块两部分 组成。其中控制系统模块又包括有源系统模块和无源系统模块两部分。自动补偿 装置实验平台系统总体结构图如图2 - 1 所示。 i l a b v i e w i虚拟示波器 + 图2 - 1 自动补偿装置实验平台系统总体结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo f t e s tp l a t f o r ms y s t e m 控制系统模块的有源系统模块主要是进行电压、电流等信号的采集和处理， 生成指令电流，生成变流器门极控制信号，进行系统状态信息显示，输出内部信 号以及进行系统故障信号的检测与系统保护；无源系统模块主要是对电压、电流 等信号进行采集和处理，控制双向晶闸管的导通与关断，接受同步信号和键盘的 控制信号，以及进行无源系统的自我保护。系统通信模块主要是进行上位机与有 源系统模块、无源系统模块的u s b 通信，进行有源系统和无源系统的c a n 通信， 以及进行自动补偿装置实验平台系统的其他系统通信。 2 1 控制系统模块硬件设计 自动补偿装置实验平台控制系统模块承担着整个实验平台的检测、分析、计 算、控制等任务，对于整个系统其重要意义不言而喻。具体的控制系统硬件主要 由d s p 控制板、i g b t 驱动电路、晶闸管驱动电路、霍尔传感器和执行机构等几部 分组成。 s l 5 韭塞銮逼友堂亟堂位迨童 2 1 1d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的性能特征 系统控制算法复杂，需要进行大量算术运算和控制逻辑处理，凭借高性能控 制器才能满足系统要求。本系统设计是基于德州仪器t i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 的数 字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列是3 2 位定点d s p 芯片。它既具 有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用 于有大批数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化 仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。下面简单介绍所用d s p 芯片的主要性能 和特征： 高性能静态c m o s 技术：时钟周期6 6 7 n s ( 1 5 0 m h z ) ；低功耗( 核心电压1 8 v ， i 0 口电压3 3 v ) ；f l a s h 编程电压3 3 v ； 高性能的3 2 位中央处理器：1 6 位1 6 位和3 2 位x 3 2 位乘且累加操作；1 6 位 x1 6 位的两个乘且累加；哈佛总线结构( h a r v a r db u sa r c h i t e c t u r e ) ；统一寄 存器编程模式；可达4 m 字的线性程序地址；可达4 m 字的程序地址： 片内存储器：1 2 8 k x l 6 位的f l a s h 存储器：1 8 k x l 6 位的单口随机存储器 ( s a r 黼) ；i k x1 6 位的o t p 型只读存储器； 夺 根只读存储器( b o o tr o m ) 4 k x1 6 位：带有软件的b o o t 模式；标准的数学表； 外部存储器接口：多达1 m b 的存储器扩展空间；可编程等待状态数；可编程 读写选通计数器；三个独立的片选端； 时钟与系统控制：支持动态锁相环改变频率；片内振荡器；看门狗定时器模 块： 夺 三个外部中断源； 两个事件管理器( e v a 、e v b ) ：2 x 8 通道的p w m 波形输出端( 2 x 2 通道的定时器 输出，2 x 6 通道的比较输出) ；比较单元；捕获单元； 夺 多达1 6 通道的1 2 位的a d c ：2 x 8 通道的输入多路选择器：两个采样保持器； 单个转换时间：2 0 0 n s ；单路转换时间：6 0 n s ； 夺 串口外围设备：串行外围接口( s p i ) ；两个串行通讯接口( s c i ) ，标准的u a r t ： 改进c a n 通讯接口( e c a n ) ；多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 和串行外围接口模式。 通过上面分析可以看出，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有强大的数学运算和控制功能，可 满足控制系统实时控制的要求。t m s 3 2 0 f 2 8 x 的功能结构如图2 - 2 所示。 以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，有源电力滤波器的主控板由电源管理单元、信号调 理、p w m 输出、d a 转换和通讯接口电路等几部分组成。1 6 1 6 2 自动赴偿装置塞验垩鱼酸鲤仕遮让 图2 - 21 s 3 2 0 f 2 8 x 的功能框图 f i g 2 - 2f t m c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f t m s 3 2 0 f 2 8 x 2 1 2 供电电路的设计 主控板需要的电压等级较多，而且对供电质量有较高的要求，因此，对供电 电路设计的合理与否直接关系到整个控制板能否正常工作。主控板的外部供电采 取t + 9 v 和1 5 v 的开关电源，然后再由主控板上的电源管理单元产生主控板所需 的d 3 3 v 、d 1 8 v 、d 5 v 、a 3 3 v 、_ 5 v 和1 2 v 电压。 啪m 溉午! i 峒 四 mt 酽群辨 j 干干兰工工隆 剿：! jc c ml _ j 埘mm 陇删罾品由盎罾 1 ：! r 畜言 哪m “m 图2 - 3 电源模拟电压产生电路 f i g 2 - 3a n a l o gv o l t a g es u p p l yc i r c u i t 7 r - h l 岫n j 立奎通太堂亟兰僮论塞 对于模拟电路电压的产生，其具体实现电路如图2 - 3 所示。1 2 v 电压由外部 输入的1 5 v 电压经线性稳压芯片7 8 m 1 2 和7 9 m 1 2 以及滤波电容得到；5 v 由 1 2 v 经7 8 m 0 5 和7 9 m 0 5 稳压及滤波电容得到；a 3 3 v 由+ s v 经t i 专用的电源管理芯 片t p s 7 6 8 3 3 q b 转换得到。 其中7 8 m 0 5 1 2 和7 9 m 0 5 1 2 为线性调压器，其只能降压使用，同时效率较开 关型调压器低。由于主控板模拟电路部分的功率不高，所以采用线性调压器已能 满足要求，降低了系统成本。由于a 3 3 v 是d s p 的模拟输入电压，采用t p s 7 6 8 3 3 q b 将+ 5 v 转换为3 3 v ，因为其具有输出电压稳定、线性度好、温漂小等优点，保证 了为d s p 供电的可靠性。 数字电路电压的产生电路如图2 - 4 所示，d 5 v 由+ 9 v 经低压开关稳压芯片 l m 2 5 7 5 和滤波电容得到。由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对上电顺序的特殊要求，外围d 3 3 v 电压必须先于内核1 8 v 上电f 6 】。因此我们采用了t i 专用的电源管理芯片 t p s 7 6 7 d 3 1 8 来给d s p 提供d 3 3 v 和d 1 8 v 电压。文献要求只有当d 3 3 v 电压上升 到2 5 v 以上时，才允许给内核上电。如原理图所示，d 3 3 v 的输出使能端是直接 接地的，所以主控板一上电，d 3 3 v 就有输出了。而此时由于m o s 管b s s l 3 8 的门 极还没有达到开启电压，所以并没有导通，l _ 8 v 的输出使能端还是高电平，1 8 v 没有输出。由于r p 4 和r p 5 的分压作用，使得当d 3 3 v 的输出达到2 5 v 以上时， 恰好达到m o s 管的开启电压，b s s l 3 8 导通，1 8 v 输出使能端被拉低，1 8 v 上电， 从而解决了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的上电顺序闯题。 图2 4 电源数字电压产生电路 f i g 2 - 4d i # t a lv o l t a g es u p p l yc i r c u i t 2 1 3 信号调理和a d 转换电路 由于本系统所使用的都为电流型l e m 传感器，所以其输入主控扳的信号都是 电流信号，而且电流信号有大有小，有正有负。而d s p 只能输入电压信号，且对 2 自动e 偿筮置塞验垩鱼趋缝往超让 输入信号的电压范i 差l 有严格的要求，所以这些信号是不能直接输入d s p 的。我们 必须对信号作相应的处理，使其符合d s p 的输入要求，同时还不能让信号在处理 的过程中发生失真。本系统用到了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d 输入，它对输入电压信号的 要求是其幅值必须在o 3 v 范围内。根据这一要求，对交流信号的调理电路如图 2 5 所示。 图2 - 5 交流信号调理电路 f i g 2 - 5c o n d i t i o n i n gc i r c u i to f a cs i g n a l 在图2 5 中，r a l 和r a 2 是采样电阻，其作用是将l e m 传感器的电流信号转化 为电压信号，并将其幅值限定在一定范围内。以电源电压为例，其实际值为幅值 3 8 0 v 的正弦电压信号，经l e m 传感器l v 2 8 一p 转化后是幅值2 5 m a 的正弦电流信号。 选择采样电阻的阻值为1 2 0 q ，就可以使输入运算放大器的信号为幅值3 v 的正弦 信号。采样电阻采用的是精度为0 1 的精密电阻，以尽量减少因为采样电阻而产 生的误差。运算放大器的作用是隔离和提高输入阻抗，我们采用了t i 公司的单运 放芯片o p 0 7 ，它具有低噪声、低温漂、线性度好等优点，满足系统采样精度的要 求。因为运放输出的电压仍然是幅值为3 v 的正弦信号，所以我们必须设法将其幅 值减小，并把波形抬高到全为正值。l i a 7 和r a 8 组成的电路实现了最终输出信号符 合式( 2 1 ) 。 铲竿 ( 2 _ 1 ) 在实际应用中，输入d a 通道的电压最高最好不要超过2 5 v ，所以在式( 2 - 1 ) 中，的最大值为2 5 v 。因此实际的输入电压蚝的最大值为1 7 v ，这就需要根据 实际情况适当调整采样电阻的阻值。d c l 为箝位二极管，以防止输入电压超过限定 值。 系统对直流侧电压的控制需要获取直流侧电压的幅值和波动信息，根据直流 侧电压的特点，设计的直流信号调理电路如图2 - 6 所示。与交流信号不同，直流 信号全为正值，且直流分量较大而交流波动很小。 9 j e 塞变通鑫堂亟堂焦：l 金塞 圈2 - 6 直流信号调理电路 f i g 2 - 6c o n d i t i o n i n gc i r c u i to f d cs i g n a l 根据这一特点，需要对波形作相应处理。解决的方法是先将波形整体下移， 然后再放大，就能得到合适的直流波动信号输入。u s f 运放电路就是将u s g 的输出 电压波形下移6 v ，u s i 将输入电压信号扩大l o 倍，即产生较为明显的波动信号。 后面的电路与交流调理电路是一样的。所以最终我们可以得到直流调理电路输入 电压与输出电压的关系如式( 2 2 ) 。 “。：( u _ f - 6 ) x 1 0 + 3 3 ( 2 - 2 ) 图2 7 电压捕获单兀电路 f i g 2 - 7v o l t a g ec a p t u r ec i r c u i t 在谐波分析中，需要知道等待分析波形的周期，同时，采样周期也是根据实 际的电源电压周期计算而来。所以，可以使用d s p 的定时器来计量波形周期，而 定时器计数的起始和停止信号就是由捕获单元来控制的。图2 _ 7 所示即为过零检 测电路。输入信号为电源的a 相相电压，当其为负值时，由于发光二极管的作用， 输出为低电平( o v ) 。当其输入电压由负变正且超过一个限定范围时，输出即为高 电平( 3 3 v ) 。限定一个电压跳变的范围是为了防止在零点附近由于电压波动而引 起误跳变。跳变的范围的限定是通过改变r r l 和r r 2 的比值来实现的。而当输入 信号由正变负时，输出由高电平变为低电平。可以将个正跳变作为定时器的起 始信号，下一个正跳变作为停止信号，从而检测出电源电压的周期。本系统每个 周期采样1 0 5 个点，进而也可以确定下一工频周期的采样周期。 1 0 2 自动益偿苤置实验垩台的硬住遮让 系统的电压和电流信号经过调理电路以后，还必须被佃转换电路转化为数字 量才能参与实际的分析计算。控制板采用的是f 2 8 1 2 本身自带的a d 转换器。a d c 模 块具有1 6 个信道，可将2 个独立的8 信道模块级联成1 个1 6 信道模块。尽管有多个输 入信道和2 个序列发生器，但在a d c 模块中只有一个转换器。图2 8 显示t f 2 8 1 2a d c 模块的方框图。 夺 夺 夺 夺 a d c 模块的功能包括： 具有内置双采样保持( s h ) 的1 2 位a d c 内核( s u ) 同步采样模式或顺序采样模式 模拟输入：o v 3 v 以1 2 5 m h z 、a o c 时钟或6 2 5m s p s 运行的快速转换时间 1 6 信道，多路复用输入 自动定序功能在单次会话中可提供多达1 6 次“自动转换”。可将每次转换编程 为选择1 6 个输入信道中的任何一个。 夺可将序列发生器作为2 个独立的8 态序列发生器，或作为1 个较大的1 6 态序列发 生器使用( 即2 个级联的8 态序列发生器) 。 夺用于存储转换值的1 6 个结果寄存器( 可分别寻址) 作为转换开始序列( s o c ) 源的多个触发器 一s w 软件立即启动 一e p w m1 6 一g p i ox l n t 2 # f 部中断启动 灵活的中断控制允许每个序列结束( e o s ) 或其它e o s 上的中断请求。 夺e p 州触发器可独立运行于双序列发生器模式。 序列发生器可运行于“启动停止”模式，以便多个“时序触发器”进行同步 转换。 采样保持( s h ) 采集时间窗口具有独立的预扩展控制。 j e 塞銮通盔堂亟堂焦监塞 图2 - 8a d c 模块结构框图 f i g 2 - 8f r a m eb l o c kd i a g r a mo f a d c a d c 有两个独立的8 状态序列发生器( s e q l 和s e q 2 ) ，也可以级联成一个1 6 状 态序列发生器( s e q ) ，即可以工作在双序列发生器模式和单序列发生器模式。在两 种情况下，a d c 都能对一系列转换进行自动定序。这意味着每当a d c 接收到转换 开始请求时，它可以自动执行多次转换。对于每次转换，可通过模拟删x 选择1 6 个可用输入信道中的任何一个。转换之后，所选信道的数值将存储在适当的结果 寄存器( a d c r e s o l t n ) 中。同时，a d c 还有顺序采样和同步采样两种采样方式。本系 统采用了同步采样方式和双序列发生器模式，这是为了更好的保证同一相电压电 流信号采样的同步性。 2 1 4p w m 互锁保护电路 p 咖信号用于控制四象限变流器开关元件的导通和关断，为了防止变流器同一 桥臂上的两个i g b t 同时导通，必须采取相应的保护措施。除了在i g b t 驱动板上 设置保护电路外，还在主控板上的p w m 波产生单元设置了互锁电路。这里采用了 7 4 h c l 3 9 逻辑集成电路( 2 4 译码器) ，其输入输出逻辑关系如表所示： 1 2 2 自动b 偿筮置塞鳖圣台的焦往遮让 n p u t s 伽耵m s e u ! c t g ba v o ” y 2 y 3 hxxhhhh l ll lhh h l lh hlh h lhlhhlh lhhhhhl 表2 17 4 h c l 3 9 真值表 t a b l e2 1t r u t h t a b l eo f7 4 h c l 3 9 互锁电路如图2 9 所示，p 删l 对应同一桥臂的上管的驱动信号p a h ，p w m 2 对 应下管驱动信号p a l 。由7 4 h c l 3 9 的输入输出逻辑关系可知当变流器工作在正常情 况下，p 删1 和p 州2 的电平相反，p d i 和p a l 的电平也相反，不会出现桥臂贯通的 情况。而当p 州1 和p w m 2 都为高电平时，即同时开通同桥臂上的两个i g b t 时， p a h 和p a l 将同时被置高。由于驱动板有光耦隔离，即为低电平开通i g b t ，所以 这就相当于将两个i g b t 被封锁，上下管全关断，避免了桥臂贯通情况的发生。 7 4 h c 0 7 是缓冲器，作用是将t t l 电平转化为m o s 电平，用以驱动i g b t 驱动板上的 隔离光耦。 图2 - 9p w g 互锁电路 f i g 2 - 9p w mb l o c k a d ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i t 2 1 5 双向晶闸管驱动电路 双向晶闸管t r i a c 的驱动电路主要是无源系统控制模块通过f 2 8 1 2 传输的信号 来实现对双向晶闸管的开关的控制。这就涉及到单片机应用系统的功率接口技术 问题，在这里我们采用光电耦合器驱动接口技术。 韭塞窑道丕堂亟堂僮迨塞 图2 - l o 驱动电路原理图 f i g 2 - 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f d r i v ec u r c u i t 双向晶闸管一般用为过零开关，故应考虑电源电压过零的情况。 典型的双向晶闸管触发电路如图2 1 0 所示，t r i a c 是功率双向晶闸管，l 是负 载。单片机控制晶闸管触发。当单片机控制输入低电平时，m o c 3 0 4 1 中的发光二极 管发光，由于过零电路的同步作用，内部的双向晶闸管在过零后马上导通。从而 使双向晶闸管t r i a c 导通，在l 中有电流流过。当单片机控制输入高电平时，m o c 3 0 4 1 中的发光二极管不发光，内部双向晶闸管不导通，所以功率双向晶闸管t r i a c 截止， l 中没有电流流过。 根据控制电路中的光电耦合器m o c 3 0 4 1 的驱动能力，双向晶闸管选用了k s 型双 向晶闸管系列：删小于2 6 v ，v d r m 在l o o v 2 0 0 0 v 范围内，i g b t 在1 5 2 0 0 m a 范围， v g t d , 于3 5 v ，d v d t 在5 0 1 0 0 0 v u s 内，t j - 4 0 。c + 1 2 5 c 。以上的参数都符合系 统要求。 2 1 6i g b t 驱动电路和保护电路 主控板的p 雕输出信号不足以驱动i g b t ，同时对i g b t 在工作时还需进一步进行 保护，故需要设计i g b t 的驱动和保护电路。驱动芯片选用三菱公司的专用厚膜芯 片m 5 7 9 6 2 l 。m 5 7 9 6 2 l 是n 沟道大功率i g b t 模块的驱动芯片，能驱动6 0 0 v 4 0 0 a 和 1 7 0 0 v 3 0 0 a 的i g b t ，其芯片原理图如图2 1 1 所示。m 5 7 9 6 2 l 有以下几个特点： 采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合2 0 k h z 左右的高频开关运行， 光耦的原边已串联限流电阻( 约1 8 5 q ) ，可将5 v 的电压直接加到输入侧； 采用双电源驱动技术，使输出负栅压比较高。电源电压的极限值为+ 1 8 v 一 1 5 v ，一般取+ 1 5 v - - 9 v ； 夺信号传输延迟时间短，低电平一高电平的传输延迟时间以及高电平一低电平的 传输延迟时间都在i 5 i ls 以下； 具有过流保护功能。m 5 7 9 6 2 l 通过检测i g b t 的饱和压降来判断i g b t 是否过流， 一旦过流，m 5 7 9 6 2 l 将对i g b t 实施关断，并输出过流故障信号。 1 4 2 自动e 偿装置塞验垩台殴鲤在途让 v 。c 糍麓点 故障输t l v 矗 图2 1 1m 5 7 9 6 2 l 的原理框图 f i g 2 - 11p r i n c i p l ed i a l 弦mo f m 5 7 9 6 2 l 系统的驱动电路包括6 片m 5 7 9 6 2 l 及其外围电路、系统保护电路和驱动芯片 的供电电路三部分，下面分别介绍这三部分电路的工作原理。m 5 7 9 6 2 l 的外围电路 以及系统保护电路如图2 一1 2 所示。 m 5 7 9 6 2 l 及其外围电路的工作原理：将经过逻辑变换后的p w m 信号经过光耦隔 离送至m 5 7 9 6 2 l 的输入端，m 5 7 9 6 2 l 将输入端控制信号的高低电平分别转换成+ 1 5 v 和一9 v 的驱动信号，从而来驱动i g b t 的导通和关断。图中的发光二极管l d a l 发光 时表示驱动电路正常工作。 圉2 1 2i g b t 驱动和保护电路 f i g 2 - 1 2d r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i tf o ri g b t 系统保护电路的工作原理：m 5 7 9 6 2 l 的“d t c ”检测引脚接到i g b t 的集电极上， 当i g b t 发生贯穿导通对，“d t c ”引脚处的电压v c e 会升高，如果检测到托e 超过 m 5 7 9 6 2 l 的限制电压v s c ，且经过一定时间后仍维持，则认为主电路已经短路，经 过m 5 7 9 6 2 l 内部电路的处理，其“f l t ”引脚会变低，从而使光耦