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[導讀]基于DSP控制的電壓型PWM整流器

摘要 根據(jù)PWM整流電路的工作原理,分析了PWM整流控制方式,采用滯環(huán)電流控制方式,以TMS320F2812為控制器組建了電壓PWM整流器雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。實驗結果表明,該系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動態(tài)性能。為設計PWM整流器提供了一定的理論依據(jù)。
關鍵詞 PWM整流;滯環(huán)電流控制;DSP

    工業(yè)中的變流器大多需要整流環(huán)節(jié),以獲得直流電壓。常規(guī)的整流環(huán)節(jié)一般采用二極管布控整流或晶閘管相控整流,雖然電路簡單、經濟可靠,但存在以下問題:網(wǎng)側電流波形嚴重畸變,造成功率因數(shù)低,最高功率因數(shù)約為0.8;大量無功功率的消耗會給電網(wǎng)帶來額外負擔,不僅增加了輸電線路的損耗,而且嚴重影響了供電質量;輸入電流中含有豐富的低次諧波電流,帶來電網(wǎng)污染。而應用MOSFET、IGBT等全控器件、采用PWM整流技術,可以使網(wǎng)側電流正弦化,變流器可運行于單位功率因數(shù),能量可以雙向流動,真正實現(xiàn)綠色電能轉換。因此,對其進行研究將會促進新型整流技術的快速發(fā)展。文中以三相電壓型PWM整流器為研究對象,以TMS320F2812為控制器,組建PWM整流器雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng),對其進行分析研究。

1 控制方法分析
1.1 PWM整流控制方式
    不斷發(fā)展的PWM整流器有許多種控制方法,就電壓型PWM整流器的控制方式而言,主要分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制是指通過控制整流器輸入端電壓,使其與電源電壓保持一定的幅值相位關系,從而控制交流側輸入電流呈正弦波形,使裝置運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。直接電流控制通常在控制系統(tǒng)中引入實際的交流輸入電流的反饋信號,將其與給定信號比較,通過對其誤差的調節(jié)來控制器件的通斷,使得在一定誤差范圍內,保證實際電流與給定信號的一致,形成電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)結構。
    由于幅相控制策略動態(tài)性能不好,電流調整能力不強,計算模塊依賴參數(shù)精確性,穩(wěn)態(tài)性能有偏差。而直接電流控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能好,因此得到了廣泛應用,其主要分為滯環(huán)電流控制、預測電流控制、定頻PWM控制等。其中,滯環(huán)PWM電流控制,能加速電流的響應,并能對電壓外環(huán)控制的對象起改造作用,從而改善電壓外環(huán)的性能。
1.2 PWM滯環(huán)電流控制方式
    滯環(huán)電流控制是通過反饋電流if與給定電流ir進行滯環(huán)比較,將兩者的偏差限制在設定的范圍內,當反饋電流if<ir-0.5ih時,ih為滯環(huán)寬度,調制電路的輸出使系統(tǒng)輸入側電流is增大;當if>ir-0.5ih時,調制電路的輸出使系統(tǒng)輸入側電流is減小。這樣不斷進行滯環(huán)比較調節(jié),使is始終跟蹤給定電流ir,圍繞給定電流波形作鋸齒狀變化,并將誤差限制在滯環(huán)寬度范圍內。若給定電流波形為正弦,滯環(huán)寬度ih恒定,則is的波形就會接近于正弦。
    滯環(huán)PWM電流控制結構中無傳統(tǒng)的電流調節(jié)器,而是一個非線性的滯環(huán)環(huán)節(jié)。當電流偏差超越滯環(huán)寬度時,主電路功率開關管切換,迫使電流偏差減小,是一種典型的非線性控制。

2 三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)結構框圖
    按照三相電壓型PWM整流器的工作原理組建了雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)如圖1所示,控制器采用TMS320F2812。

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2.2 系統(tǒng)主電路
    系統(tǒng)主電路如圖2所示。6個全控型器件由3個型號為SMK 100 GB 121 D的模塊組成,電感Is=5mH,C=2 200 μF,R=25 Ω,三相交流電壓為70V。驅動電路采用三菱公司生產的驅動模塊M57962L,其內部具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)。

2.3 電流電壓檢測
    采取控制回路和主回路的隔離,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。對直流電壓反饋采樣時,用線性光耦LOC110進行隔離,直流電壓檢測調理電路為圖3所示。數(shù)字控制部分只能識別正的電壓信號,而采樣的交流電壓和交流電流信號是交流的,既有正半周又有負半周,要通過調理電路把采樣的信號轉換為DSP能夠全部識別的信號。TMS320F2812片內A/D采樣的輸入電平范圍為0~3 V,因此需要通過模擬采樣調理模塊,將采集信號經過適當?shù)淖儞Q,得到DSP可以處理的0~3 V以內的信號。交流采樣調理電路如圖4所示,對傳感器的輸出電壓進行隔離采樣,將采樣到的電壓信號經運算放大器變換到-1.5~+1.5 V的電壓區(qū)間內,最后再加上1.5 V的電壓偏移量形成0~3 V的交流電壓送到DSP。[!--empirenews.page--]


2.4 軟件流程圖
    PWM整流采用滯環(huán)電流控制,電壓調節(jié)器選用PI調節(jié),其軟件流程如圖5所示。

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3 實驗結果分析
    為驗證控制方式和控制策略的正確性,以TI公司的TMS320F2812 EVM板為控制器,組建了三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng),實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示。實驗參數(shù)IS=5 mH,C=2 200μF,R=25 Ω,三相交流電壓為70 V,電壓反饋系數(shù)為α=0.01。整流輸出額定電壓為160 V,阻性負載功率為1 kw。穩(wěn)態(tài)時電源電壓和電流波形如圖6所示,系統(tǒng)階躍響應和負載跳變時輸出電壓的實驗波形如圖7所示。從實驗波形可以看出:輸入電流接近正弦,且和輸入電壓幾乎同相位,系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動態(tài)性能。



4 結束語
    文中采用PWM滯環(huán)電流控制,組建了一臺1 kW的PWM整流電源。實驗結果表明該系統(tǒng)具有較高的功率因數(shù),輸入電流接近正弦,對電網(wǎng)的諧波污染少,系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

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