（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的三相应急电源的研究.pdf

安徽理工大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p i n go fs o c i t i t ya n dm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s u c h c o m m u n a lf a c i l i t i e sa st h es k y s c r a p e r , h o s p i t a la n df a c t o r y ，e t c w i l lb eh i g h e ra n d h i g h e rt ot h ed e m a n df o rs u p p l y i n gp o w e r i tw i l lc a u s eg r e a ta c c i d e n to re c o n o m i c l o s s e si nt h ee v e n to fp o w e ri n t e r r u p t i o n t h ee m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ( e p s ) c a n o f f e rt h ee l e c t r i ce n e r g yf o re q u i p m e n ti nv a r i o u sk i n d so fo c c a s i o n sw h i l et h ep o w e r i n t e m u p t i o n i ti si m p o r t a n t t or e s e a r c ht h eh i g h - p o w e r e de m e r g e n c yp o w e rs u p p l y b ys t u d y i n gt h ee p st h o r o u g h t l y , t h ea r t i c l ed e v e l o p e so u tk i n do fl l j c 、i ，e p s s y s t e m ，a n dc a r r i e so nt h eo p t i m u md e s i g nf o re a c hp a r to fe p s f i r s to fa l l ，t h e c o n v e r t e ri se s s e n t i a lp a r to fe p s ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t e st h ew a v e f o r mq u a l i t ya n d t h ee f f i c i e n c yo fe p s t r a d i t i o n a lm e t h o de m p l o y e ss y m m e t r ys a m p l i n ga r i t h m e t i ct o c o n t r o lt h ec o n v e r t e r , w h i c hr e s u l t e si nm u c hh a r m o n i c ，d i s t o r t i o nw a v e f o r ma n d i n s u f f i c i e n c i eo fd cu t i l i z a t i o n i nv i e wo ft h e s ei n s u f f i c i e n c i e s ，c o m b i n i n gt h e t e c h n i c a lt e n d e n c y , t h ea r t i c l er a k e ds v p w m a l g o r i t h ma n dd i g i t ec o n t r o lt e c h n o l o g y t oi m p r o v et h eq u a l i t ya n dt h ee f f i c i e n c yo fe p sw a v e f o r m m o r e o v e r , s w i t c h i n gt h e c i t yp o w e rs u p p l yt ot h ee p ss u p p l ys e c u r i t ya n df a s t l yi si m p o r t a n ta s p e c to ft h e e p s i nt h es w i t c h i n gp r o c e s s ，i no r d e rt oa v o i dt h es t a t i cs w i t c hi sb u md o w nf o rt h e c i r c u l a t i o n ，p h a s el o c kl o o p ，i d e n t i f i t yp h a s ea n dc o n v e r tp h a s eh a v e b e e nr e s e a r c h e d a n du s e di ne p st oe n h a n c et h es e c u r i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo fe p s t h ea r t i c l ea l s o g i v e sf u l lc o n s i d e r a t i o nt ot h ec u r r e n ti m p a c tq u e s t i o n ，a n d u s e st h es o f ts t a r t - u pa n d i n s t a n t a n e o u sr e s t r a i nc u r r e n tl o o pa n do t h e rs e v e r a lk i n d e so fo v e r f l o wp r o t e c t i v e m e a s u r e s ，t h u st h ea b i l i t yo fe p ss y s t e mt or e s i s tt h eo v e r f l o wc u r r e n ti se n h a n c e d b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n do p t i m u md e s i g n ，e p se x p e r i m e n tc i r c u i th a s b e e nb u i l t e do nt h es y - m c k 2 4 0 7b o a r d ，r e l a t i v es o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e d ，s e r i e s e x p e r i m e n ta r ec a r r i e do n e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w e p sp e r f o r m a n c e h a sg r e a t l yi m p r o v e dc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a ls y s t e m s f i g u r e 【5 8 】t a b l e 【5 】r e f e r e n c e 【3 1 】 k e y w o r d s ：e p s ，i n v e r t e r , s v p w m ，d s p , d i g i t ep h a s el o c k e dl o o p c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t m 4 6 4 i i 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，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 含为获得塞邀堡王太堂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谢意 学位论文作者签名：悼日期：孕年j 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼垄王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼理工大堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权安徽理工大学 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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 签字日期：夕年占月形日 | 签字日期刁年历如 引言 引言 随着电力电子技术的不断进步和电力电子器件的不断更新，功率变换装置的 应用也变得越来越广泛，它有力的促进了电力工业的发展，对国民经济的增长、 人们生活条件的改善产生越来越大的影响 电力一直是公共关注的焦点，现代社会已经离不开电力供应，如何减少因断 电而造成的损失一直是科研技术人员不断探索的课题。应急电源是解决电力断电 故障的一种重要方法。应急电源的发展有相当长的历史进程，从最初的两路市电 供电到自备发电机组，再到以蓄电池为电源的u p s 出现等，科研技术人员不断采 用新技术来减少断电造成的损失e p s 的出现正是当今电力电子技术充分发展并 成功应用于民用的一个例子。e p s 的优点是显著的：无噪声、无污染、可实现远 程监控无人值守等优点。但作为新兴的行业，它的技术还不完善，很多方面仍然 有待进一步优化。 e p s 系统综合了电力和电子行业多方面的技术，涉及电力系统、模拟电子、 电力电子和微机等各方面技术，而且随着科学技术的不断进步，e p s 系统也在不 断发展变化，从最初的模拟控制技术到现在的数字控制技术现在，三相逆变控 制技术多采用对称规则采样算法，逆变输出波形的质量与效率还有待提高。基于 当今先进的数字信号处理器( d s p ) ，针对于e p s 产品的输出波形质量与效率的 不足，本文采用先进的s v p w m 算法和数字控制技术，改进 y e p s 输出波形的质量 和效率。市电与e p s 之间的锁相最初是采用模拟器件实现锁相的。随着高性能芯 片的发展，科研人员正在应用数字锁相来替代模拟锁相。由于控制方法的不同， 数字锁相也是有多种方法实现的，有的锁相方法繁琐，如市电与逆变输出都要过 零点采样，而且，没有数字鉴相与换相的功能。本文的数字锁相技术只要进行市 电过零采样就可以实现锁相，而且可以实现数字鉴相与换相，这样降低了失锁的 风险，提高了切换的安全性。另外本文充分考虑大电流冲击问题，选择采用开机 软启动和瞬时限流环等几种过流保护措施，从而提高了系统抗击大电流冲击的能 力。 安徽理工大学硕士论文 1 1e p s 现状及其分类 1 概述 1 1 1e p s 的社会需求 随着社会的发展，建筑技术水平的不断提高，城市的建筑趋向于大规模、高 层化发展，随之而来对建筑的供电要求越来越高，社会的信息化，建筑的现代化， 使建筑对供电的依赖也越来越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中断供电， 将造成重大的政治影响或经济损失。另外，随着社会发展，越是信息化、现代化， 就越依赖于电力。突然的断电必然会给人们正常的生活秩序和学习带来影响，尤 其是对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的经济损 失。然而，电力故障具有突发性，不以人们的意志为转移，即使电网设施再先进， 意外的断电也在所难免。所以现行的高层民用建筑设计防火规范及民用建 筑电气设计规范就有严格规定：“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发 生故障时，另一个电源不致同时受到损坏。一级负荷中特别重要的负荷，除上述 两个电源外，还必须增设应急电源，常用的应急电源有：( 1 ) 独立于正常电源的 发电机组；( 2 ) 供电网络中有效地独立于正常电源的专门供电线路；( 3 ) 蓄电 池。” 目前，城市供电系统的安全对策一般是采用并网供电，为城市电力提供可靠 的电源保护。但从企业及工业、民用建筑使用情况来看，仅仅靠公用电网还远远 不够，多年来，运行经验表明，电网供电时采用两路独立的电源。若主供电线路 停电，则由备用线路供电，采用这种方式虽然简单、可靠，但供电线路复杂。当 发生大面积停电事故时，两路电源均可能发生停电事故。因此，市场急需各种e p s ( e m e r g e n c y p o w e rs u p p l y ) 应急电源作为独立于电网之外的备用电源，应用于各 种建筑工程之中。它的重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力， 以有效降低因为断电而造成的损失，为人们生产和生活安全提供保障。应急电源 作为独立于电网之外的备用电源。被广泛应用于各种建筑工程和特殊应急供电场 合，有效降低因为断电而造成的损失，目前，应急电源包括柴油发电机组和蓄电 池近年来，含蓄电池的e p s 作为应急电源被广泛应用，尤其是被用做消防应急电 源。e p s 也被称为“城市生命线系统”的重要组成部分。 2 1 概述 1 1 2e p s 领域的现状 随着科技的不断发展，众多的智能大厦拔地而起，人们在对其居住环境提出 了更高要求的同时，也提出了电力保障和消防安全问题。但e p s 的起步比发电机和 u p s ( u n i n t e r m p t i b l ep o w e rs u p p l y ) 要晚，人们对其认识的程度还不够，所以在 众多的应急供电场合，还是以发电机和u p s 为主要应急供电方式来实现e p s 的功 能。就提供应急供电能力而言，这两种方式已暴露出许多不足之处1 w 。 1 用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的，也是最常见的 应急备用电源由于柴油发电机的容量较大，可并机运行且连续供电时间长，所 以已经有较长的应用历史然而，无论发电机的起动速度有多快，从停电到发电 机接到起动信号开始，至发电机电压、频率等达到稳定供电为止，至少需要数十 秒至数分钟，这段时间内所有用电设备均停止工作，就可能造成少数设备的损坏 或出现生命财产的安全问题而e p s 的启动一般不会超过2 5 m s ，所以不会影响设 备的正常工作。 另一方面，柴油发电机应用在应急供电场合，有诸多不利之处，主要有： ( 1 ) 存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”，万一失火，后果不堪 设想； ( 2 ) 日常维护比较频繁，工作量大； ( 3 ) 柴油发电机噪音大，产生公害； ( 4 ) 排烟中有大量的二氧化硫，污染严重，影响环保。 ( 5 ) 在高层建筑中，柴油发电机组一般放在地下室，设计难度大，造价高，配 备进风、冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑； 以负载容量为2 0 0 k w 为例，将e p s 与柴油发电机组的性价比作一个比较。选用 e p s 时，其额定功率与负载功率比为1 ：1 即可，其总价约为6 0 万元左右。而选用柴 油发电机时，其额定功率与负载功率比应为1 3 1 5 ：1 ，柴油发电机组需2 5 0 k v a 规格，该机组价格为4 0 万元左右，但是除机组本身价格之外，还需外加其他辅助 装置费用约1 6 2 9 万元，现以2 0 万元计算，即选用柴油发电机组总价为6 0 万元左 右。所以，二者价格相差不多从中也不难看出，如果e p s 容量小于2 0 0 k w 时，其 价格要小于柴油发电机组的综合造价。目前消防应急供电场合的负载总容量一般 在2 0 0 k w 以下，从投资的长远利益考虑，e p s 较柴油发电机组经济得多。 2 从原理结构上看e p s 和u p s 大同小异。在线式u p s 不论市电是否正常，它 都一直由逆变器供电，即按照“市电输入一整流一逆变一输出”的顺序进行，只 3 安徽理工大学硕士论文 有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出。对e p s 来说，当市电正常时，市电通 过开关输出给负载，同时充电器对电池充电a 当控制系统检测到市电停电时，逆 变器工作，使开关切换至逆变输出状态，向负载提供电能。 u p s 是一种双变换结构的不间断电源，主要为负载提供稳定的高质量电能，不 受市电电网的影响，而且其转换时间一般在l o m s 以内，所以，u p s 被广泛应用于 计算机、程控交换机、医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的场所。但正因 为u p s 不仅担负着应急供电外，还担负着改善电力品质的任务，所以其逆变器要 连续不断地工作，使用寿命相对较短，一般为5 8 年，尤其是电池的更换较为频 繁。另一方面，u p s 的逆变器长期处于工作中，自身的损耗较大，而且对使用环 境要求很高，只能放在计算机房或空调房间里i l ”。 u p s 专为i t 行业的计算机类和通讯类负载而设计，其负载适应能力不及e p s 。 例如，如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负载，那么在u p s 的 设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起动电流通常是其额定 电流的5 7 倍，而u p s 的过载能力标准规定：过载1 2 5 时，a 类为1 0 m i n ，b 类为 l m i n ，c 类为3 0 s ：过载1 5 0 时1 0 s 。如果想要u p s 能承受电动机起动电流的冲击 能力，势必要增大u p s 的额定容量，这无疑将加大投资，还未必能彻底解决问题。 因此，选用u p s 作为应急电源，工作既不可靠，还得花费大量资金。 1 1 3e p s 的市场分类 目前市场上的e p s 品牌众多，厂家在设计上所采用的控制方式和控制手段不尽 相同，但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种：一是主要用于应急照明 和事故照明的单相e p s ；二是用于应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、电 梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列e p s ： 三是直接给电动机供电的变频系列e p s 。 应急照明和事故照明等照明类型的e p s 。这种类型一般以单相为主。主要为应 急照明场合( 商场、娱乐场所、办公场所、交易场所等) 提供集中供电。当输入 电源正常时，市电一路通过转换装置输出给日常照明，另一路通过充电器给电池 组充电，当控制器检测到市电中断或异常( 偏低或偏高) 时，向逆变器发出启动 信号，并控制互投转换装置转至逆变器输出。当然，对于e p s 的接法不同，还可以 把e p s 当作二路电源、三路电源使用。 应急照明及混合型负载类型的e p s 。这种类型一般适用于负载性质比较复杂的 场合，譬如既有照明型负载，又有动力型负载，所以一般以三相居多。适用场合 1 概述 为宾馆、高层建筑、医院、大型商场等。 电机专用的变频起动类型的e p s 。这种类型主要为电机类负载而设计，避免因 电机起动过程中的大电流冲击而损坏设备。被广泛应用于大功率电动机负载，比 如电梯、消防水泵，大型风机等。与其他e p s 的不同之处是此类e p s 一般只有单路 输出。当三相输入市电正常时经整流后给逆变器提供直流电，同时经充电器对电 池组充电；当三相输入断电或异常时，自动转由电池组给变频器提供直流电。当 需要电机负载工作时，送给变频器启动信号( 运行信号、远程控制信号等) ，变 频器会立即输出从0 5 0 h z 变频，供给电动机进行变频起动，当其频率到达5 0 h z 后保持正常运行。 1 2e p s 现存问题及发展趋势 1 2 1e p s 控制技术及发展趋势 e p s 的技术核心是逆变电源部分，过去逆变电源一直采用模拟方式控制，这种 方式有其固有的一些缺点，如控制电路的元器件比较多；电路复杂，与数字控制 电路相比，稳定性差，模拟器件工作点漂移导致系统参数的漂移；灵活性不够， 硬件电路一旦设计好，控制策略就无法改变；不便于调试等。随着工业用高速数 字信号处理器的发展与应用，逆变电源控制由模拟控制向数字控制的转变已经成 为趋势。 与模拟技术相比，数字化更容易实现逆变系统的处理和控制，它可以避免模 拟信号传递的畸变失真，减小杂散信号的干扰，保证e p s 输出电压的质量，即保证 输出电压、频率和输出电压波形满足技术指标的要求。它具有精度高，抗干扰能 力强，易于实现对蓄电池的监控和管理。数字控制的另一个重要功能是：如果将 网络通信和电源软件调试技术相结合，使e p s 具备了智能化，可以使其运行在最优 状态。可以实现e p s 的初始自检，运行自检和远程监控。还可以进行故障保护和故 障隔离，这是模拟控制无法胜任的。由于数字控制的灵活性，更便于系统调试， 使e p s 控制器的硬件电路可以标准化，从而简化了生产、使用和维修，也大大提高 了工作可靠性 当前，数字控制已成为新型e p s 控制技术发展的主流，本文采用基于1 r i 公司的 数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a ，以数字控制技术为核心，实现e p s 应急电源系统 的数字化控制，从而避免模拟信号传递的畸变失真，减小杂散信号的干扰，确保 e p s 输出电压的质量 5 安徽理工大学硕士论文 1 2 2 输出波形质量和电路的安全切换 e p s 实现的目标在于：当市电供电中断或市电电压超限时，在不同负载和瞬态 情况下，要保证标准的预定正弦输出。对实际的逆变电源系统而言，高质量的输 出波形有两方面的指标要求：1 稳态精度高，包括t h d ( 总谐波畸变) 值小，基 波分量相对参考波形在相位和幅值上无静差。2 动态性能好，即在外界扰动下调 节快，输出波形变化小。 本文e p s 系统的负载为电机类负载。在电气传动工作过程中，p w m 型逆变器 输出波形中除基波成分外还含有大量的谐波成份，它对电气调速起着不良的影响， 恶化输出特性，使传动系统运行的稳定性降低。另外由于谐波损耗的产生导致电 机附加损耗加，这也就降低传动系统能量的转换效率。抑制和消除谐波是逆变电 源设计的重要方面。传统逆变数字控制多采用对称规则采样算法，输出波形谐波 成份多、电流波形畸变大、直流利用率低，波形质量和电能的利用率还有待于提 高。本文拟采用s v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 脉宽调制技术， 提高e p s 逆变输出的电压质量。基于电压空间矢量脉冲调制s v p w m 技术不仅可以 使电机转矩降低，电流波形畸变减小，而且与s p w m 技术相比直流电压利用率更高， 基亍：t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 更易于数字化实现1 1 l 【8 】。 e p s 为了保证市电出现故障时能够继续给负载供电，首先必须具备切换功能， 实现当市电出现故障时，能够切换至e p s 逆变输出继续给负载供电。切换电路是保 证e p s 供电不间断的关键部分。当前的e p s 产品中，锁相与鉴相多采用模拟电路的 方法，模拟器件易老化、不可补偿的温漂都会影响锁相精度。在本文的e p s 控制中， 设计了数字化同步锁相和鉴相电路，一方面可以避免在逆变器输出和市电输出之 间进行切换的瞬间，负载电压出现大的波动另一方面，如果在切换过程中出现 瞬间市电和e p s 逆变器同时向负载供电的情况下，它们之间的锁相同步会减小逆变 器与市电电网之间的瞬时电压差，避免引起大的环流造成系统损坏跚1 0 1 1 6 1 另外 对于三相e p s 而言，系统初次上电接线或向另路市电切换时，数字鉴相技术可以避 免d q 于e p s 输出相序与市电相序的错误造成切换的失败【3 i 。 在实际应用中，当e p s 系统用于风机、水泵类感性负载的拖动时，如果在额定 电压下直接起动电机。根据电机的机械特性可以知道，其最初起动电流很大，这 时的电流峰值大约为额定电流值的7 倍左右，这不仅对电动机工作不利，对过载能 力低的功率器件来说，可以造成开关器件的永久性损坏，更是不允许的如果只 依靠过流继电器或熔断器保护，当突加电机负载时，刚过载就跳闸，将导致已经 6 1 概述 正常工作的负载因此而停机，会造成不必要的损失所以，本文对于解决电流冲 击问题也予以充分考虑。通常e p s 系统均同时采用几种过流保护措施以确保保护的 可靠性和合理性，本文选择开机软启动和瞬时限流环等几种过流保护措施，以提 高了系统抗击大电流冲击的能力1 9 1 2 0 i 。 1 3 本文的主要内容 本文着重对电梯、卷帘门、排气风机、水泵等类型负载的三相e p s 进行分析与 研究，在当市电供电中断或市电电压超限时，能够满足电梯、中央空调、消防水 泵等电机类负载应急电源的需要，有效避免发生灾害时的人身伤亡和财产损失。 主要主要内容有； 1 针对于e p s 输出波形质量与效率的不足，采用先进的s v p w m 算法和数字 控制技术，提高了e p s 输出波形的质量和效率。 2 对现有逆变器结构进行了详细的分析与对比，进行e p s 主电路的探讨与研 究。市电与e p s 的安全、快速切换是e p s 性能的重要方面，为能够实现市电与应急 电源的安全切换，对软件锁相、换相与鉴相的技术仔细研究与分析，并进行实验 验证，从而提高了e p s 切换过程的安全与可靠性。 3 充分考虑大电流冲击问题，选择采用开机软启动和瞬时限流环等几种过流 保护措施，从而提高了e p s 系统抗击大电流冲击的能力。 4 为提高e p s 的整体性能，本文还对一些硬件电路进行优化设计，包括： p w m 信号的隔离和驱动、信号的采集和处理、以及硬件保护电路等。 7 安徽理工大学硕士论文 2e p s 逆变的控制原理 e p s 的核心技术是实现直流与交流的转化，逆变器是实现交直流转化的关键 部分，而且逆变技术直接影响输出波形的质量，结合软、硬件的基础和当今电力 电子技术，本文选择数字化逆交技术，本章主要阐述数字化逆变的原理及实现。 2 1 正弦波脉宽调制( s p w m ) 技术 2 1 1 正弦波脉宽调制的原理 所谓的正弦波脉宽调制( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 波形，就是与正 弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。它的原理是：把正弦波分成n 等 分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴包围的面积用一个与此面积相等的矩形脉 冲来代替，矩形脉冲的幅值是不变的。各脉冲的中点于每一等分的中点重合。这 样，由n 个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形与正弦波等效，称作s p w m 波形。 产生正弦波脉宽调制( s p w m ) 波形的原理是【1 l ：用一组等腰三角波作为载 波与一个正弦波作为调制波进行比较，其相交时的交点作为开关管的“开”或“关” 的时刻。s p w m 波的控制有两种方式：一种为单极性控制另一种为双极性控制。 j 簟装 i粼竺 懒洲。 调制谴 ，s p w m 砩眦 10逊删1 厕、i。抑飘i 归 f yy y f 掣f； s m 。，= ：赤。竺 8f4 ! 也 瑚 图1 单极性调制示意图图2 双极性调制示意图 f i g 1p r i n c i p l em a po fm o n o p o l cm o d u l a t e f i g 2p r i n c i p l em a po fd o u b l e p o l em o d u l a t e 采用单极性s p w m 控制时，每半个周期内，逆变器同一桥臂中上下两个功率 开关管中只有一只开关管按规律反复通断，两另一只开关管始终关断。在另外半 个周期，两只开关管的状态相反。这样。在一个周期内，逆变器输出p w m 波形 8 2e p s 逆变的控制原理 就由+ - u d 和0 三种电平组成，如图1 所示 采用双极性s p w m 控制时，全周期内，逆变器同一桥臂中上下两个功率开关 管中两只开关管按规律反复交替通断，形成互补的工作方式这样，在一个周期 内，逆变器输出的p w m 波形就由u d 两种电平组成，如图2 所示。 在p w m 型逆变电路中，使用最多的是图3 所示的三相桥式逆变电路，其控制 方式一般都采用双极性方式。u a 、u b 、u c = 相的p w m 控制通常公用一个三角波 载波u 。，三相调制波信号是由u r u 、u r v 和u r w 三条正弦波，这三条正弦波的频率和 幅值都一样，组成相位依次相差为1 2 0 。每一条正弦波与等腰三角形载波的交点 决定了同一桥臂的开关管的通断时间。 调帔载波 o怖叫 图3 三相逆变电路及输出电压波形 f i g 3t h r e e - p h a s ev o l l a g es o l l r i n v e r t ec i r c u i ta n dv o l t a g ew a v e f o r m u 、v 和w 各相功率开关器件的控制规律相同，现以u 相为例来说明。u r u 为参 考正弦电压调制信号，u a 为参考载波电压信号。当u r u u 。时，给上桥臂开关管v l 以导通信号，下桥臂开关管v 4 以关断信号，则u 相相对于直流电源假想中点n t 的 输出电压u 。一= 生当u f u u 。时，给上桥臂开关管v l 以关断信号，下桥臂开关管 9 葺丝：o皿。盟2 o丑： 安徽理工大学硕士论文 v 4 以导通信号， u 耐= 一宰v ，和v 4 的驱动信号始终是互补的当给v l ( v d 加 导通信号时，可能是v l ( v 4 ) 导通，也可能是二极管v d l ( v d 4 ) 续流导通，这 要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式逆变电路双极性p w m 控制时的情况相同。v 相和w 相的控制方式和u 相相同u u n ，u v n ，u 。，的波形如 图3 所示。可以看出，这些波形都只有u d 两种电平像这种逆变电路相电压“删、 u v n ，、u 。，只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单性控制。图中线电压 u t | v 的波形可由u 州- u v n ，得出可以看出，当臂1 和6 导通时，u w = 砜，当臂3 和 4 导通时，u u v = u d ，当臂1 和3 或4 和6 导通时，u w = 0 ，因此逆变器输出线电压由 - + u d 、o 三种电平构成。 图3 中u w “俐u 。n ，是逆变器输出端u 、v 、w 分别于直流电源假象中点n 之 问的电压。实际上n i 与负载中点n 并不是等电位的，所以u 。，并不代表负载上的 相电压令直流电源假象中点n i 与负载中点n 之间的电压为u 。，则负载各相的 相电压分别为： u u n = “w 。u ， ( 2 - 1 ) u v n = u v n ，。u ， ( 2 - 2 ) u w n - - - - u w n ，u ， ( 2 3 ) 将上式相加并整理后得： 11 u ，2 专u 州+ u v n ，+ u w n ，) 。；u t m + u v n + l l w n ) ( 2 - 4 ) 一般负载三相对称，则： u + “w + u w n - - o ( 2 5 ) 故有： 1 u n n l 2 专( u 州+ u v n ，+ u ，) ( 2 - 6 ) 由此可求得u 相负载电压为：- u u n = “w j 1 ( u w + u 。，+ u w n ，) ( 2 7 ) 如图3 所绘图形从图中可以看出，它由。三- ，。堕和0 共5 种电平组成。 33 2 1 2s p w m 波形的实现方法 1 0 2e p s 逆变的控制原理 实现正弦波脉宽调制波形有多种方法。有模拟方法、数字方法等。最初的 s p w m 是由模拟电路控制实现的，三相对称的参考正弦电压调制信号u r u 、t l r v 和u r w 由参考信号发生器提供，三角波载波u 。由三角波发生器提供，各相共用。它分别 与每相调制信号进行比较，给出“正”的饱和输出或“0 ”输出，产生s p w m 脉冲 序列作为逆变电源开关器件的驱动信号使用该方法实现s p w m 波形原理简单， 但是需要很多的器件，电路比较复杂。现在模拟控制方法很少应用，但是它的原 理仍是其他控制方法的基础。 目前常用的s p w m 控制方法是数字控制1 1 3 1 这种方法是：离线计算出s p w m 波形数据，在内存中存储。然后再由单片机决定输出电压的幅值，在内存中找到 某一时刻的值把它们相乘后决定此时驱动波形的脉宽。这样便可得到输出电压可 调的实时s p w m 波形。可见数字方法实现s p w m 波形的优点是：硬件电路少，控 制灵活 s p w m 信号实时计算需要建立数学模型，下面介绍采样型s p w m 法的基本原 理。 1 自然采样法 按照s p w m 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开 关器件的通断，这种生成s p w m 波形的方法称为自然采样法。正弦波在不同相位 角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不同。另外，当正弦波频 率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化要准确生成s p w m 波形，就应 准确地算出正弦波和三角波的交点。 所、 ?! qv 八舳 ；一 avb b ! h - 一 姗i 破 o t a m 、， 圈4 自然采样算法示意图 f i g 4s p o n t a n e o u ss a m p l i n ga r i t h m e t i c 如4 图所示，正弦波与三角载波所生成的s p w m 波之间的对应关系图。图中 u s 为三角载波峰值，t c 为三角载波周期，正弦波与三角载波的两边各产生一个交 点，所以一个载波周期t c 有两个交点，需要采样两次，t ，和t ：分别是这两次采样 安徽理工大学硕士论文 时刻，它们决定了s p w m 波上的“开”、“关”时间分别为t a n 、t 。和t 棚、t 啦。 生成的s p w m 波的宽度为： t 。一+ | 。一孚 1 + - 等( s i n + s i n w t 2 ) 】 ( 2 - 8 ) 式中： ， m 。= 旦 玑 m 称为调制度，即正弦波峰值与三角波峰值之比，取值范围为0 - 1 ；m 越大， 输出s p w m 电压越高。 该式为一个超越方程，其中t 。、t 2 与载波比、调制度m 都有关系，求解困难。 故自然采样法不适合实时控制。 2 对称规则采样法 实际应用较多的还是采用三角波作为载波的规则采样法。在自然采样法中， 每个脉冲的中点并不和三角波中点( 即负峰点) 重合。规则采样法则使两者重合， 即使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，这样就使计算大力简化。图 5 是这种方法的示意图。如图5 所示，在三角波的负峰时t d 对正该调制披采样而得 到d 点，过d 点作一水平直线和三角波分别交于a 点和b 点，在a 点的时n t l 和b 点 的时亥l j t 2 控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲 宽度和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。 u 。+ ，m s i n i 、| 轩 。a jr 黾 t 14 - t 2 ，所不足的时问由零矢量来补充。零矢量作用时间为： t z = t 74 - t b = t s - t l + t 2 ( 2 3 9 ) 式中： t 7 一零矢量0 咖作用的时间，t 。一零矢量0 l l l 作用的时问。 扇区中每一等份的作用时间t 对应p w m 调制中载波信号的的周期，也称为开 关周期。它是由零矢量和两个非零矢量分时作用构成的序列，在时域中看作一段 脉冲波形在满足t 5 中新电压空间矢量合成要求的前提下，空问矢量的序列组织 可以有多种方式，如按照空问矢量的序列对称性分类，可分为对称与非对称空间 矢量的序列。序列的组织方式不同，其s v p w m 性能也不同。 以参考矢量位于扇区l 为例。 安徽理工大学硕士论文 o u u v u w t 7 t h h t e l 2 ；i 一t e l 2 u u o v u w l 一 b 爰 王 瓦l三矗 一一2 一 一2一24 i l 一 f t s 图1 0 s v m i 序列方式图 图1 1s v m 2 序到方式图 f i g 1 0s v m is e q u e n c em o d e f i g 1 1s v m 2s e q u e n c em o d e 如图1 0 所示，称s v m l 序列。假设零矢量o o o o 、o l l l 在一个开关周期中作用的 b e n i n ，即t ，一t 。；去( t i t 。一t 2 ) ，把每个基本空间矢量的作用时间都一分为二， 可得扇区i 的一个t s 区间内，逆变器开关状态编码序列为0 0 0 ，0 0 0 ，1 0 0 ，1 0 0 ，1 1 0 ， l l o ，1 1 1 ，1 1 1 该序列为非对称序列，每个开关周期有六次开关切换。 如图1 1 所示，称s v m 2 序列。由图可见，s v m 2 序列为对称序列，每个开关周 期有六次开关切换。把每个基本空间矢量的作用时间都一分为二，并将基本空间 矢量的作用序列按8 1 2 7 7 2 1 8 排列，逆交器开关状态编码序列为0 0 0 ， 1 0 0 ，1 1 0 ， 1 1 1 ，1 1 1 ，1 1 0 ，1 0 0 ，0 0 0 。 根据1 1 图计算逆变器交流侧u 、v 、w 相输出的p w m 脉冲在一个开关周期脉 冲宽度。u 、v 、w 相的脉冲宽度各为： f ut ；伍+ + 疋) ( 2 - 4 0 ) ot 昙伍一l + t 2 )( 2 - 4 1 ) o ； 伍一一疋) ( 2 4 2 ) 代入矢量u o 的作用时间t 1 的表达式( 2 3 5 ) ，矢i u 的作用时间t 2 的表达式得： ”三纯哪疋) 。争ms i n ( o + 争 沼4 。) 。三伍一t 1 + 瓦) = f 1 + 跏s i n ( o 一争l 2 - 4 4 2e p s 逆变的控制原理 。- 吾伍一正一疋) = 【l ms i n p + 争】 ( 2 4 5 ) 勺“r “缈2 ；瓦+ 争s i n ( o 一争 ( 2 4 6 ) 二二 u 帅? 尽广”埘，；、 帅，袋 心”罗。1 7 ? 卅0 1 l 图1 2 基本空间矢量扇区合成次序 f i g 1 2o r d e ro fs p a c ev o l t a g es y n t h e s i z e 本文采用s v m 2 序列生成s v p w m 波形它是七段式电压空间矢量p w m 波形。其中每个扇区u 。、u 。土6 0 的选择次序如图1 2 所示，即在0 扇区，u ，= u o ， u 。枷= u ；在l 扇区，u ，= u l ，u 。瑚= u ：在2 扇区，u ，：u i ，u 。枷- u l ： 在3 扇区，u 。= u ，u 。= u l ；在4 扇区，u ，= u u o ，u ，m = u 3 e e ；在5 扇区，u ，= u o ，u 。m = u 2 2 5 扇区号的确定 已知一个矢量u 。，如果计算t l 利t 2 则必须知道u ，所在的扇区。因为只有知道u ， 位于哪个扇区，才能知道用那一对相邻的基本电压空间矢量去合成u r 确定u 所在扇区的方法有两种： 第一种： 可以用矢量u ，的( a ，b ) 轴分量u 。和u 。来表示矢量本身，则可 以把3 个参考量v 栅、v 。和用u 。和u 。来表示，其关系式如下： nmum(2-47) 丢u 矿t 粤u 。( 2 - 4 8 ) 安徽理工大学硕士论文 k 一三妒誓u 。 c 2 。9 ， 定义3 个变量a 、b 、c 。如果v 。n o ，则a = 1 ，否则a = 0 ：如果v 施 o ，则b = 1 ，否则b = 0 ：如果v , d 3 0 ，贝j j c = 1 ，否贝l j c = 0 设n = 4 x c t 2 b 十a ，则n 与扇 区数s e c t o r 的对应关系如表4 所示： 表4 n 与扇区数s e c t o r 的对应关系 t a b l e 4r e l a t i v eo fna n df a n ss e c t o r n 12 3 4 56 s e c t o r 1503 2 4 根据n 值查表4 就可以确定扇区号。 第二种，当u 。以幅值和相角的形式给出时，可直接根据相角来确定它所在扇 区。 2 3s v t w m 控制的数字化实现 2 3 1d s p 芯片简介及内部功能介绍 随着数字控制理论的发展，高速、高集成度、低成本的微控制及专用芯片相 继问世，全数字化的电力电子装置成为可能。用软件取代模拟器件，可以方便地 修改控制策略、修正控制参数，此外还可以具有故障检测、自诊断和上位机管理 与通讯等功能。1 1 公司于1 9 9 7 年推出的数字微电机控制器1 m s 3 2 0 嗍7d s p ， 具有d s p 内核和丰富的外设，为电力电子装置的设计提供了一个高性能和低成本 的数字化解决方案，本文采用该类芯片作为控制系统的核心 t m s 3 2 0l f 2 4 0 7 是美国1 r i 公司专为数字电机控制( d m c ) 应用而推出的一种1 6 位定点运算d s p ，集高性能的d s p 内核和微控制器外设功能于一体。它主要有以下 特点( 1 4 l ： ( 1 ) 指令周期为5 0 n s ，且大多数指令为单周期指令。高速运算能力使得复数 s r f p i 、s v p w m 、锁相环等算法能够实时实现。 ( 2 ) 3 个全比较单元、6 路带死区的p w m 输出，能够方便地实现s v p w m 和设 置死区时问。 ( 3 ) 正交编码脉冲( q e p ) 单元，可以实现三相电源的相序鉴别 ( 4 ) 两组各8 路的1 0 位a f d 转换，转换时间约为6 和s ，每个a f d 转换都有两 2e p s 逆变的控