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第36卷第6期電力電子技術(shù)Vol.36,No.62002年12月PowerElectronicsDecember,2002變頻器泵升電壓控制電路的設(shè)計(jì)王士湖,王莉,張新榮2(1.淮陰工學(xué)院,淮安223001;2.南京航空航天大學(xué),南京210016)摘要:給出一種泵升電壓控制電路的設(shè)計(jì)方法,將再生能量回饋到電網(wǎng)。同時(shí)給出了主電路、控制電路、主要參數(shù)的計(jì)算方法及相關(guān)波形。關(guān)鍵詞:控制電路;制動(dòng);能量/回饋;同步控制中圖分類號(hào):TM383.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-100X(2002)06-0064-03DesignofEnergy-feedbackControlSystemWANGSh-ihu1,WANGLi2,ZHANGXin-rong1(1.HuaiyinInstituteofTechnology;Huaiyin223001China;2.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)Abstract:Asimplecircuitisdesignedtofeedbackenergyregeneratedbythemotorwhenitturnsofforbrakes.Thestructureofmaincircuitandthecontrolcircuitsandthecalculationmethodsandrelativewavesarealsogiven.Keywords:controlcircuit;braking;energy;feedback;synchronizationcontrol1引言一般情況下,伺服系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,能量是由電網(wǎng)經(jīng)整流器、濾波器、逆變器等傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài),即電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)或者帶位勢(shì)負(fù)載時(shí),能量的傳輸需要反向,能量將在濾波電容上累積,產(chǎn)生泵升電壓,如果泵升電壓過(guò)高,會(huì)威脅系統(tǒng)的安全[1]變器的大功率開關(guān)器件VT1~VT6全部處于關(guān)斷狀態(tài),6個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成三相不控橋式整流器,3個(gè)高頻磁芯電抗器抑制電網(wǎng)的高頻信號(hào),對(duì)工頻信號(hào)的作用則可以忽略;當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)時(shí),濾波電容貯能,直流母線電壓升高,超過(guò)電網(wǎng)線電壓值后,二極管VD1~VD6反向阻斷。當(dāng)直流母線電壓繼續(xù)升高,超過(guò)設(shè)定的允許值VDH時(shí),逆變器開始工作,將直流母線上的能量逆變回饋電網(wǎng)[4]。此時(shí),高頻扼流電抗器將吸收直流母線電壓和電網(wǎng)線電壓的差值,以減小對(duì)電網(wǎng)電壓的影響。當(dāng)直流母線電壓回落到設(shè)定值VDL后,再關(guān)閉逆變器。??刂票蒙妷鹤詈?jiǎn)單的方法是:泵升電壓產(chǎn)生后,在直流母線之間接通一個(gè)能耗電阻,將能量釋放。如果電動(dòng)機(jī)制動(dòng)頻繁或長(zhǎng)期帶位勢(shì)負(fù)載運(yùn)行,則能量浪費(fèi)嚴(yán)重;同時(shí),由于電阻發(fā)熱,環(huán)境溫度升高,影響系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)的這個(gè)電路,可以很好地解決這一問題。圖1一般伺服系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)2系統(tǒng)工作原理概述如圖2所示,本系統(tǒng)在圖1中整流器的位置換上了逆變器。主回饋電路的結(jié)構(gòu)就是在三相逆變器輸出端加上3個(gè)高頻磁芯電抗器后與電網(wǎng)相連,取代整流器的位置。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),逆收稿日期:2002-03-20定稿日期:2002-05-16作者簡(jiǎn)介:王士湖(1970-),男,江蘇楚州人,淮陰工學(xué)院講師,研究方向:電力電子與電機(jī)控制。圖2本系統(tǒng)回饋逆變器主電路就能量回饋需要考慮的問題有:1回饋電流必須滿足回饋功率的要求,同時(shí)不得大于逆變器所允許的最大電流;o只有當(dāng)直流母線電壓高于設(shè)定值時(shí),才能啟動(dòng)逆變器進(jìn)行能量回饋;?為了提高回饋功率,盡量在電網(wǎng)電壓高時(shí)進(jìn)行回饋,因?yàn)槿绻仞侂娏饕欢?則電網(wǎng)電壓越高回饋功率越大。因此,系統(tǒng)須有電壓控制電路、同步控制電路和電流限制電路。電流和電壓的控制由兩個(gè)遲滯比較器完成,同步控制由同步檢測(cè)與控制電路完成。變頻器泵升電壓控制電路的設(shè)計(jì)3各單元電路原理及設(shè)計(jì)方法3.1電壓檢測(cè)與控制電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電壓控制電路的目的是:當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)并且使直流母線電壓VD升高超過(guò)設(shè)定值VDH后,起動(dòng)逆變器中的開關(guān)管,以使直流母線上的能量逆變回饋到電網(wǎng),迫使VD回落;當(dāng)VD小于另一設(shè)定值VDL后再關(guān)閉開關(guān)管,使主電路工作于整流狀態(tài)。為了避免逆變器過(guò)于頻繁地起動(dòng)和關(guān)閉,電壓控制為滯環(huán)控制方式VDL<VDH。VDL要大于電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)可能出現(xiàn)的最高直流母線電壓,即必須考慮電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。設(shè)三相電網(wǎng)電壓波動(dòng)為?15%,經(jīng)整流后,直流母線上可能出現(xiàn)的最高電壓為:VDM=3Up(1+15%)2式中Up相電壓的有效值整流電路[3]和遲滯比較器組成,如圖4所示。圖4電流檢測(cè)與控制信號(hào)產(chǎn)生電路3.3相位同步控制電路[3]逆變器工作的每一時(shí)刻,只有不同橋臂上半橋的一個(gè)管和下半橋的一個(gè)管同時(shí)導(dǎo)通,應(yīng)絕對(duì)避免同一橋臂上下管的直通現(xiàn)象。此外,為了獲得較大的能量回饋功率,當(dāng)回饋線電流一定時(shí),應(yīng)盡量使能量回饋在電網(wǎng)的高電壓段進(jìn)行。因此逆變器各功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)與電網(wǎng)電壓的相位應(yīng)滿足圖6所示同步關(guān)系,為此設(shè)計(jì)了圖5所示的同步控制電路。圖5中,UT1~UT6分別為功率開關(guān)器件VT1~VT6的導(dǎo)通允許同步控制信號(hào),將圖2和圖5中A、B、C對(duì)應(yīng)連接在一起,并將系統(tǒng)接入電網(wǎng),無(wú)論相序怎樣變化,圖6所示的同步關(guān)系不變。在此同步關(guān)系下,理想的相電壓和相電流波形如圖7所示。一般情況下,當(dāng)電網(wǎng)相電壓為220V時(shí),可設(shè)定VDL=630V,電壓滯環(huán)控制的環(huán)寬為20V,Vo=650V,采用線性光電隔離器NEC200檢測(cè)直流母線電壓,線性地將直流母線電壓轉(zhuǎn)換為弱電壓信號(hào),作為電壓滯環(huán)控制器的反相輸入。電壓檢測(cè)與控制電路如圖3所示。Uv作為控制回饋逆變器主開關(guān)通斷的條件之一。圖5同步信號(hào)產(chǎn)生電路圖3電壓檢測(cè)與控制信號(hào)產(chǎn)生電路3.2電流檢測(cè)及電流控制信號(hào)的產(chǎn)生由于直流母線上的電流和通過(guò)逆變器開關(guān)元件的電流以及回饋電網(wǎng)的線電流是相等的,因此只需在直流母線上裝一個(gè)LEM電流傳感器,就可以檢測(cè)能量回饋過(guò)程中的所有線電流IL。當(dāng)IL低于滯環(huán)下限ILL時(shí),UI為高電平,允許逆變器開關(guān)元件導(dǎo)通;當(dāng)IL高于滯環(huán)上限ILH時(shí),UI為低電平,逆變器開關(guān)元件關(guān)斷。關(guān)斷后,在扼流電抗器的續(xù)流作用下,能量回饋線電流方向保持不變,逆變器中相應(yīng)二極管續(xù)流,直流母線上的電流反向。因此,需要對(duì)LEM輸出的電壓信號(hào)整流,得到能量回饋的線電流反饋信號(hào)IV,IV作為控制回饋逆變器主開關(guān)通斷的條件之二。電流檢測(cè)及控制電路由電流傳感器電路、精密圖7理想相電壓、相電流波形圖6同步輸出波形設(shè)U1~U6分別為VT1~VT6的驅(qū)動(dòng)控制信第36卷第6期電力電子技術(shù)Vol.36,No.62002年12月PowerElectronicsDecember,2002號(hào),高電平導(dǎo)通,低電平關(guān)斷,驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)U1~U6可分別由保護(hù)信號(hào)、電壓控制信號(hào)UV、電流控制信號(hào)IV和同步控制信號(hào)UTi相與后獲得。(2)回饋功率P的估算當(dāng)電網(wǎng)電壓一定后,回饋功率大小與回饋電流ILH+ILL。由于三相電壓的2對(duì)稱性,能量回饋期間的平均電壓為:有關(guān),回饋電流為:I=U=6=64應(yīng)用實(shí)例分析在一個(gè)DSP控制的同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí),要求能量回饋功率為6.5kW,相電壓為220V,逆變器的最高開關(guān)頻率為10kHz,最大允許電流為25A,設(shè)定IIH=20A,ILL=10A,VDL=630V,VDH=650V。(1)扼流電抗器的計(jì)算扼流電抗器在此泵升電壓控制電路中起很重要的作用。對(duì)它主要有三方面的要求,即電感量、工作頻率和工作電流。對(duì)電感量的要求取決于回饋電流的設(shè)定值和逆變器額定開關(guān)頻率[4]。假設(shè)能量回饋過(guò)程中,電抗器承受正向電壓為:$VON=VDH-VL,在$VON的作用下,回饋電流由ILL上升2到ILH的時(shí)間為tON。逆變器開關(guān)器件關(guān)斷后的續(xù)流過(guò)程中,電抗器承受的反向電壓值為$VOFF,在$VOFF的作用下,電流從ILH下降到ILL的時(shí)間為tOFF,每一個(gè)電抗器的電感值為L(zhǎng),當(dāng)IL=ILH時(shí),逆變器開關(guān)器件關(guān)斷,則:ILH-ILL(1)ONILH-ILLtOFF=L(2)OFFVDH2-VL2由于f=t+t=4LV(I-I),因此:ONOFFDHLHLIVDH2-VL2L=(3)4fVDH(ILH-ILL)由此可見,在VDH、ILH、ILL、L確定后,VL越tON=L小,逆變器功率開關(guān)的開關(guān)頻率越高。當(dāng)VL最小、開關(guān)頻率最大時(shí),需要的電感量最小,此時(shí):VL=23Uesin30b=270V為最小值。電感量的最小值為:VDH2-VLmin2Lmin=U1.34mH4fmaxVDH(ILH-ILL)(上接第50頁(yè))2PPP(ua-ub)d(Xt)uabd(Xt)=2UPsinXt+d(Xt)66=2.34UPILH+ILL則:P=UI=2.34UP=7.7kW,滿足回饋26.5kW的要求。在上述同步電機(jī)伺服系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)示波器捕捉到的電壓和電流波形如圖8所示,與理論分析一致,滿足設(shè)計(jì)要求。圖8電機(jī)制動(dòng)時(shí)的相電壓和相電流波形5結(jié)
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