電機(jī)軟開關(guān)逆變控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

楊迎化 謝順依 高洪林 王新華 陳 曄

(海軍工程大學(xué)兵器工程系1) 武漢 430033) (海軍潛艇學(xué)院導(dǎo)彈兵器系2) 青島 266071) (海軍航空工程學(xué)院青島分院3) 青島 266041)

電力電子裝置正在向高頻化的方向發(fā)展,高頻化為脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)變頻調(diào)速帶來了更大的發(fā)展空間.然而,常規(guī)的PWM逆變器,其功率開關(guān)管在硬開關(guān)(hard switching)條件下切換,即在電壓不為零時(shí)導(dǎo)通,或在電流不為零時(shí)關(guān)斷,處于強(qiáng)迫開關(guān)過程.硬開關(guān)條件下開關(guān)管開關(guān)頻率的提高帶來了一系列新問題：開關(guān)損耗與器件損壞問題、感性關(guān)斷問題、容性開通問題、二極管反向恢復(fù)問題、電磁干擾(electromagnetic interference,EMI).克服以上缺陷的有效方法就是采用諧振軟開關(guān)(soft switching,SS)技術(shù).所謂“軟開關(guān)”,通常是指零電壓開關(guān)(zero voltage switching,ZVS)和零電流開關(guān)(zero current switching,ZCS)或近似零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)[1].軟開關(guān)逆變電路(DC-AC)自1986年提出以來,受到了國際傳動(dòng)界的廣泛關(guān)注,它與傳統(tǒng)的硬開關(guān)逆變電路相比,有著許多明顯的優(yōu)勢(shì),但目前還遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的程度,實(shí)際中未能像DC-DC PWM變換器那樣得到廣泛應(yīng)用.各國的專家學(xué)者們目前在這一研究領(lǐng)域正在作著不懈的努力.人們公認(rèn),此種類型的逆變器將是下一代逆變器的發(fā)展主流.

本文將一種新型的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振軟開關(guān)逆變器(parallel resonant DC link inverter,PRDCLI)應(yīng)用于基于CAN通信的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中.它可以使逆變器輸入側(cè)的直流電壓在任何需要的時(shí)刻回落到零,并可以保持一段所需的時(shí)間,還可以將軟開關(guān)諧振技術(shù)和SVPWM[2-3]技術(shù)協(xié)調(diào)起來.由于開關(guān)頻率的提高,軟開關(guān)逆變器可以向交流電機(jī)提供更加平滑的三相正弦電壓,從而保證電機(jī)平穩(wěn)可靠地運(yùn)行.文中對(duì)硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下電機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行了對(duì)比,證明軟開關(guān)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì).

1 軟開關(guān)逆變器控制的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

軟開關(guān)逆變器控制的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理如圖1所示.圖中,上位機(jī)(PC)按照自定義的通信協(xié)議通過PCI-5121智能CAN接口卡與下位機(jī)(TMS320 LF2407自帶有支持CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)CAN總線通信.上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送電機(jī)運(yùn)行/停止、轉(zhuǎn)速設(shè)定值以及電機(jī)控制參數(shù)等數(shù)據(jù),下位機(jī)將其接收到的數(shù)據(jù)處理后控制交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng).同時(shí)下位機(jī)采集到交流電機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速、電流以及轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù),經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將處理后的電機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),上位機(jī)通過PCI-CAN接口卡接收到電機(jī)的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,獲取有用數(shù)據(jù),并在控制系統(tǒng)主控制界面上顯示出電機(jī)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)反映電機(jī)的運(yùn)行狀況.

圖1 軟開關(guān)逆變器控制的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

2 軟開關(guān)逆變控制系統(tǒng)原理

2.1 新型直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振軟開關(guān)逆變器

系統(tǒng)采用一種新型的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振環(huán)節(jié)與三相全橋逆變器[4-6]組成軟開關(guān)逆變器,向感應(yīng)電機(jī)供電,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示.系統(tǒng)電路直流側(cè)電壓源Ui、諧振環(huán)節(jié)、三相全橋逆變器電路及感應(yīng)電機(jī)組成.諧振環(huán)節(jié)由開關(guān)管 T1和與其反向并聯(lián)的二極管D1組成、開關(guān)管T2、二極管D2、諧振電感Lr1和Lr2,其值均為Lr,以及諧振電容Cr組成.三相全橋逆變器電路主要由開關(guān)管S1～S6、與其并聯(lián)的電容及與其反并聯(lián)的二極管組成.

圖2 新型PRDCLI的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

軟開關(guān)逆變器的工作原理：在三相逆變器的某個(gè)開關(guān)管切換的時(shí)刻之前,LF2407輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制諧振環(huán)節(jié)的開關(guān)管T1和T2按照特定的規(guī)律進(jìn)行動(dòng)作,以使逆變器輸入側(cè)的直流電壓回落到零(即UCr=0),并保持一段時(shí)間,在UCr=0期間LF2407輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制三相逆變器的某個(gè)開關(guān)管切換,即實(shí)現(xiàn)了逆變器開關(guān)管的零電壓切換.

2.2 新型PRDCLI的特點(diǎn)

新型PRDCLI電路不僅具有前人已經(jīng)提出的各種類似電路的特點(diǎn),同時(shí)還克服了這些電路所存在的很多缺點(diǎn)[7-9].新型的PRDCLI的特點(diǎn)可歸納如下.

1)電路中的所有開關(guān)管都是在軟開關(guān)的條件下進(jìn)行開關(guān)的.開關(guān)管T1在零電壓的條件下開通和關(guān)斷,開關(guān)管T2在零電流的條件下開通并且在零電壓的條件下關(guān)斷.

2)電路中輔助開關(guān)管和逆變器主電路的開關(guān)管均未負(fù)擔(dān)額外的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力.

3)新型的PRDCLI電路可以根據(jù)逆變器的PWM調(diào)制和軟開關(guān)操作的要求,在任何時(shí)刻使直流側(cè)電壓過零,并持續(xù)所需的時(shí)間段.

圖3示出了輸入逆變器直流側(cè)的電壓曲線,即諧振電容Cr兩端的電壓UCr.系統(tǒng)直流側(cè)電壓Ui通過諧振環(huán)節(jié)的調(diào)理后,不再是一個(gè)固定值,而是變成如圖3所示的具有凹槽的電壓曲線.從圖中可以看出,直流側(cè)電壓在某個(gè)時(shí)刻從Ui下降到零,并保持零值一段時(shí)間,而后又重新上升到Ui.電壓的下降和上升通過諧振環(huán)節(jié)中諧振電感Lr1,Lr2和諧振電容Cr之間的諧振來獲得.三相逆變器的開關(guān)管S1～S6就是在直流側(cè)電壓的凹槽處動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)逆變器的軟開關(guān)切換.

圖3 軟開關(guān)逆變器直流側(cè)電壓曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 系統(tǒng)控制軟件

系統(tǒng)使用 LabWindow s/CVI 6.0軟件開發(fā)了上位機(jī)控制軟件,主界面如圖4所示.LabWindow s/CVI是理想的虛擬儀器(virtual instruments,VI)軟件開發(fā)工具,適用于自動(dòng)測(cè)試、自動(dòng)控制、測(cè)試儀器通信、測(cè)試硬件控制和信號(hào)分析處理的軟件開發(fā).系統(tǒng)控制軟件的功能主要是設(shè)定電機(jī)的運(yùn)行參數(shù),并將這些參數(shù)通過CAN總線通信發(fā)送給下位機(jī)(TMS320 LF2407);同時(shí)接收下位機(jī)發(fā)送來的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示在軟件主界面上,實(shí)時(shí)反映電機(jī)的運(yùn)行性能.

圖4 系統(tǒng)控制軟件

3.2 硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下電機(jī)運(yùn)行性能對(duì)比

本文分別在硬開關(guān)和軟開關(guān)的條件下,對(duì)一臺(tái)60 kW的IGBT交流電機(jī)逆變控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).TMS320 LF2407采用SVPWM控制全橋逆變器,主開關(guān)器件和輔助開關(guān)器件均采用三菱公司的IGBT模塊CM600HA.圖5為電機(jī)分別在硬開關(guān)條件下和軟開關(guān)條件下的電流和轉(zhuǎn)速曲線.

圖5 硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流曲線

在圖5中,圖a)和圖b)為硬開關(guān)條件下電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速曲線;圖c)和圖d)為軟開關(guān)條件下電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速曲線.在硬開關(guān)條件下,由于硬開關(guān)存在的缺點(diǎn),限制了逆變器工作頻率的提高,逆變器僅以10 kHz的頻率工作,由于逆變器工作頻率較低,以及硬開關(guān)本身存在的問題,逆變器輸出給電機(jī)的電流波形不夠平滑(見圖a)),從而使電機(jī)運(yùn)行不夠平穩(wěn),電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)比較大的波動(dòng)(見圖b)).在軟開關(guān)條件下,由于軟開關(guān)技術(shù)比較好地克服了硬開關(guān)所存在的問題,同時(shí)有助于提高逆變器的工作頻率,所以在軟開關(guān)條件下逆變器以20 kHz的頻率工作,由于逆變器工作頻率較高,逆變器一個(gè)周期內(nèi)輸出脈沖增多,使逆變器輸出給電機(jī)的電流波形更趨平滑(見圖c)),從而使電機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn),電機(jī)轉(zhuǎn)速只出現(xiàn)比較小的波動(dòng)(見圖d)).

4 結(jié)束語

將一種新型的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振軟開關(guān)逆變器應(yīng)用于基于CAN通信的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中.它可以比較好地克服硬開關(guān)所存在的問題,同時(shí)有助于提高逆變器的工作頻率,使逆變器輸出給電機(jī)的電流波形更趨平滑,從而使電機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn).通過實(shí)驗(yàn),對(duì)硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下電機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行了對(duì)比,證明軟開關(guān)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì).

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