基于雙PWM技術(shù)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、基于雙PWM 技術(shù)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)劉永順1,李淑平2,周瑞3(1.安陽師范學(xué)院物理系,河南安陽455000;2.許繼集團(tuán)有限公司,河南許昌461000;3.駐馬店電業(yè)局,河南駐馬店463000摘要:闡述了采用雙P WM 技術(shù)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,簡(jiǎn)要介紹了TM S 320F 240芯片的特點(diǎn)及其用于雙P WM 控制系統(tǒng)時(shí)硬件框圖,并對(duì)今后變頻調(diào)速的發(fā)展作了展望。關(guān)鍵詞:雙P WM ;功率因數(shù);整流器,逆變器;諧波;事件管理器中圖分類號(hào):TM 921.51文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):100324897(200310200632031前言在變頻調(diào)速領(lǐng)域,一般的變頻器都采用單PWM 技術(shù),其整流

2、部分大多都采用不可控整流方式,但這種單PWM 變頻器存在功率因數(shù)低、網(wǎng)側(cè)諧波污染嚴(yán)重、無法實(shí)現(xiàn)能量的再生利用等缺點(diǎn),對(duì)于要求不太高的場(chǎng)合,可以通過功率因數(shù)補(bǔ)償器或增加其它外圍設(shè)備來提高功率因數(shù)、減小諧波、使能量能夠再生利用。目前,隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是近年來數(shù)字控制芯片的出現(xiàn)使PWM 控制容易實(shí)現(xiàn),加上PWM 技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn),它在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。2雙PWM 變頻器工作原理在交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)中,整流器和逆變器均采用雙PWM 技術(shù),稱為雙PWM 變頻調(diào)速,其無須增加任何附加電路就能實(shí)現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量,可實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)。采用PWM

3、 整流技術(shù),它直接對(duì)整流橋上各電力電子器件進(jìn)行正弦PWM 控制,使得輸入電流接近正弦波,其相位與電源相電壓相位相同。這樣,輸入電流中就只含與開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波,這些諧波次數(shù)高,容易濾除,同時(shí)也使功率因數(shù)接近1,減少對(duì)電網(wǎng)的公害。雙PWM 具有輸入電壓、電流頻率固定,波形均為正弦,功率因數(shù)接近1,輸出電壓、電流頻率可變,電流波形也為正弦的特點(diǎn)。這種變頻器可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,從而達(dá)到能量的雙向傳送。圖1為雙PWM 變頻器主回路,主電路由進(jìn)線電抗器、整流器、中間儲(chǔ)能電容器、逆變器和電機(jī)組成,主開關(guān)器件采用絕緣門極雙極晶體管(IGB T 1。工作原理如下:(1能量由三相交流電網(wǎng)流向電動(dòng)機(jī)負(fù)載當(dāng)電動(dòng)機(jī)

4、處于拖動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí),能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流逆變器中的橋式整流器向?yàn)V波電容器C d 充電,此時(shí)變頻器的6個(gè)IGB T 管在PWM 控制下,以調(diào)頻調(diào)壓(VVV F 方式工作,使變頻器輸出電壓U 0與工作頻率f 成正比,這不僅使交流電機(jī)得到恒力矩特性,而且輸入到電動(dòng)機(jī)的電流為正弦波,減少了高次諧波電流的損耗 。圖1系統(tǒng)主電路F ig .1T he m ain circuit of system(2電動(dòng)機(jī)再生能量饋入三相交流電網(wǎng)在變頻調(diào)速過程中,當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于減速運(yùn)行時(shí),由于負(fù)載慣性作用進(jìn)入發(fā)電狀態(tài),此時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能電容充電,使電容器兩端電壓升高,

5、此時(shí)整流逆變器的開關(guān)元件在PWM 控制下,將能量饋入交流電網(wǎng),完成能量的雙向流動(dòng)。同時(shí)由于PWM 整流器閉環(huán)控制作用,加上使用自關(guān)斷器件,開關(guān)頻率的大幅度提高,使饋入電網(wǎng)的電流為電網(wǎng)電壓同相位的正弦波電流,使系統(tǒng)的功率因數(shù)約等于1,提高了系統(tǒng)功率因數(shù),消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。此時(shí)儲(chǔ)能電容器也能對(duì)交流電源輸入電路的漏抗所產(chǎn)生的無功電流起到補(bǔ)償作用。雙PWM 變流器的控制系統(tǒng)核心控制芯片采用T I 公司生產(chǎn)的一種新型微處理器TM S 320F 240D SP ,TM S 320F 240是一款專門為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的D SP ,因而,它不僅具有普通數(shù)字信號(hào)處理器的高速運(yùn)算功能20M IPS 的處理能力,

6、而且片內(nèi)還集成了36第31卷第10期2003年10月15日繼電器R ELA YV o l .31N o.10O ct .15,2003豐富的外設(shè)功能模塊:雙10位A D 轉(zhuǎn)換器,28個(gè)可獨(dú)立編程的多路復(fù)用I O 引腳,帶有鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊,帶中斷的看門狗定時(shí)器模塊等。特別是F 240片內(nèi)設(shè)置了一個(gè)事件管理器可以很容易地產(chǎn)生規(guī)則采樣PWM ,可提供12路比較PWM 通道,3個(gè)具有死區(qū)功能的全比較單元,3個(gè)單比較單元,3個(gè)16位通用定時(shí)器等,這一外設(shè)裝置大大簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制PWM 波形的控制軟件和外部硬件,只需很少的CPU 干預(yù)即可產(chǎn)生所需的PWM 波,因而特別適合于控制需要多個(gè)PWM

7、輸出的裝置,它集D SP 的信號(hào)高速處理能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體,且價(jià)格便宜,大大減少了控制系統(tǒng)的體積,提高了系統(tǒng)的性能價(jià)格比。D SP 主要包括算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU 、寄存器集、輔助算術(shù)邏輯單元A RLU 、乘法器、乘法移位器、累加器、加法移位器、時(shí)鐘鎖相環(huán)電路、事件管理器、內(nèi)部A D 轉(zhuǎn)換器、串行口等主要部分。F 240的執(zhí)行速度很快,內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu),流水線作業(yè),在20M H z 的內(nèi)部時(shí)鐘頻率下,指令周期僅為50n s 。F 240內(nèi)有三塊RAM 區(qū),這三塊RAM 全部允許在一個(gè)指令周期內(nèi)訪問兩次,大大加快了數(shù)據(jù)的處理能力。F 240的A D 轉(zhuǎn)換既可以保證采樣到的A

8、 、B 相電流為同一時(shí)刻的電流,又縮短了電流采樣時(shí)間,非常有利于提高調(diào)速裝置的動(dòng)態(tài)性能。其還有豐富的、功能強(qiáng)大的中斷系統(tǒng)和常用的I O 接口。F 240的功能使交流調(diào)速裝置中較復(fù)雜的控制算法編程方便,大大簡(jiǎn)化了硬件電路。3雙PWM 控制系統(tǒng)硬件分析文中系統(tǒng)硬件分析如下:由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(圖2可知,系統(tǒng)需要檢測(cè):1輸入電壓峰值與過零點(diǎn);2輸出電壓大小;3參考給定電壓;4電機(jī)反饋速度 。圖2硬件配置框圖F ig .2T he configurati on of hardw areD SP 系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的輸入電壓峰值與過零點(diǎn)、輸出電壓大小、參考給定電壓、電機(jī)反饋速度等信號(hào)經(jīng)過精密運(yùn)算,得出空間矢量的各

9、個(gè)脈沖的寬度,輸出12路PWM 控制信號(hào)分別控制組成整流器和逆變器的12只IGB T 管,通過他們的導(dǎo)通和關(guān)斷,完成交流電機(jī)變頻調(diào)速。4雙PWM 變頻器控制方案4.1整流器的控制為了使饋送至電網(wǎng)的電流與電網(wǎng)電壓同相位同頻率,整流器的控制采用功率因數(shù)校正方案,如圖3。直流環(huán)節(jié)電容器兩端的電壓與參考電壓比較后經(jīng)過P I 環(huán)節(jié),再與三相電源電壓U -2d 相乘,得到與各相的實(shí)際電流相比較,從而得出相應(yīng)的一對(duì)互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)同一相的兩個(gè)IGB T ,使得實(shí)際電流與其輸出電流同頻率同相位,即功率因數(shù)co s 約等于1,通過對(duì)直流電壓U d 進(jìn)行閉環(huán)控制,同時(shí)能夠調(diào)節(jié)U d 的大小 。圖3整流器的P WM 控

10、制框圖F ig .3T he configurati on of P WM rectifier4.2變流器的PWM 控制采用空間電壓矢量準(zhǔn)優(yōu)化PWM 技術(shù)的交流變頻調(diào)速裝置電壓利用率為1。通過F 240的比較控制寄存器COM CON 可將波形發(fā)生器配置為空間電壓矢量模式或比較模式,其中F 240空間電壓矢量模式能非常方便地產(chǎn)生兩相調(diào)制PWM 波形。由于兩相調(diào)制的空間矢量PWM 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)始終有一個(gè)橋臂不發(fā)生開關(guān)動(dòng)作(如圖4所示,因而這種控制方法在高載波頻率下能明顯地減少開關(guān)損耗,對(duì)采用IGB T 等高功率器件的交流變頻調(diào)速裝置具有更現(xiàn)實(shí)的意義。利用F 240產(chǎn)生兩相調(diào)制空間電壓矢量PWM

11、 時(shí)只需裝載空間電壓矢量的旋轉(zhuǎn)方向SVD I R (電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、要作用的兩相臨矢量中的一個(gè)矢量名(D 2D 1D 0及觸發(fā)時(shí)間(比較值1,比較值2,F 240根據(jù)開關(guān)模式切換時(shí)只允許一個(gè)狀態(tài)發(fā)生變化的原則自動(dòng)選擇零矢量,即可輸出三對(duì)46繼電器互補(bǔ)的6路空間電壓矢量PWM 波形,大大節(jié)約了CPU 的軟件開銷和硬件資源 。圖4空間電壓矢量模式P WM 波形產(chǎn)生原理F ig .4P roducing p rinci p le of the P WM w avew ith mode of space vo ltage vecto r5結(jié)束語PWM 控制技術(shù)是交流變頻調(diào)速器的一個(gè)重要內(nèi)容。將變頻器和

12、電動(dòng)機(jī)整體考慮來決定逆變器開關(guān)元件的PWM 信號(hào),會(huì)比以往單純追求變頻器輸出電壓或電流波形時(shí)獲得更好的調(diào)速性能,雙PWM 控制技術(shù)打破了過去變頻器的單一結(jié)構(gòu),采用PWM 整流器和PWM 逆變器實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)、低諧波污染、能量雙向流動(dòng)等性能特點(diǎn),這給變頻調(diào)速技術(shù)增添了新的生機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,雙PWM 控制技術(shù)在變頻調(diào)速中的應(yīng)用前景會(huì)越來越廣闊。參考文獻(xiàn):1王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和功率補(bǔ)償M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.收稿日期:2003201208作者簡(jiǎn)介:劉永順(1965-,男,講師,研究方向電力電子技術(shù);李淑平(1972-,女,學(xué)士,工程師,研究方向電氣傳動(dòng)產(chǎn)品;

13、周瑞(1972-,女,學(xué)士,工程師,研究方向電力電子技術(shù)。AC M otor VF Speed Regula tion Syste m usi ng dua l -P WML I U Yong 2sun 1,L I Shu 2p ing 2,ZHOU R ui 31.Physics D epartm ent of A nyang N o r m al Co llege ,A nyang 455000,Ch ina ;2.XJ Group Co rpo rati on ,Xuchang 461000,Ch ina ;3.Zhum adian E lectric Pow er Bureau ,Zh

14、um adian 463000,Ch inaAbstract :T h is paper expatiates the w o rk ing p rinci p le of dual -P WM V F Speed R egulati on .T he characteristic ofTM S 320F 240is introduced ,and the system block diagram are p resented .T he developm ent of V F Speed R egulati on in the fu 2ture is p redicted .Key word

15、s :dual -P WM ;pow er facto r ;rectifier ;inverter ;har monic ;event m anager許繼參加“第四屆上海國際電力設(shè)備展示會(huì)”取得豐碩成果9月9日到12日,集團(tuán)市場(chǎng)部組織公司有關(guān)單位和部門參加了由中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)主辦的“第四屆上海國際電力設(shè)備展示會(huì)”,展示許繼高新技術(shù)產(chǎn)品,開拓華東地區(qū)市場(chǎng)拓展。兩年一屆的國際電力展是行業(yè)內(nèi)知名度最高、規(guī)模最大的一次盛會(huì)。本屆展會(huì)共有52個(gè)國家和地區(qū)的廠商參加,西門子公司、ABB 公司、東芝、杜邦公司、GE 電氣、等國外知名廠商也派代表團(tuán)參加了展示會(huì)。在此次展會(huì)上,許繼集團(tuán)展示了公司近年自主研發(fā)生產(chǎn)的CB Z -8000變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及800系列保護(hù)產(chǎn)品,并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)CB Z -5000變電站自動(dòng)化、配網(wǎng)自動(dòng)化、M IS 等產(chǎn)品進(jìn)行了系統(tǒng)演示,取得了較好的宣傳效果。集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)十分重視本次展示會(huì),王紀(jì)年總裁、許繼電氣李富生總經(jīng)理、雷憲章副總經(jīng)理等在參加中電聯(lián)同期舉辦的“中國電力論壇”期間,親自蒞臨