某型逆變電源設計及驗證

2012-08-22 07:34:26查環

制造業自動化 2012年23期

關鍵詞：設計

查環

（海裝裝備采購中心，北京 100097）

0 引言

逆變電源是利用電能變換技術將第一次電能轉換成為用戶所需要的二次電能的系統和裝置[1]，因具有輸出功率波動范圍大、輸出頻率穩定、輸出電源品質優、可靠性高及電磁兼容性好等優點而被廣泛應用于精密控制設備或系統中[2]。

1 設計思路

1.1 主功率拓撲結構的設計

對于三相輸出的某型逆變電源，如果所帶負載為三相對稱負載，可采用傳統的三相逆變橋拓撲結構；如果帶三相不對稱負載，為了保證三相輸出電壓的對稱度，必須采用三相四線輸出方式[3]。為了滿足輸出電壓的穩定度、對程度和低諧波含量等的要求，擬采用三電平的先進的拓撲結構形式。

1.2 主功率器件的選擇、驅動和保護

某型逆變電源，其輸出額定電流值就達263A ,按過載120%計算，電流已達316A, 峰值為446A,根據該項要求，可以選擇600V,600A的智能功率模塊（IPM）作為逆變橋的主功率器件，該種模塊自帶驅動和過欠壓、過流和過熱等保護功能。

1.3 高效低諧波正弦脈寬調制技術SPWM

某型逆變電源對輸出電壓的諧波量要求很高，再考慮到計算的方便性，可以采用多階梯波準優SPWM調制技術，消除輸出電壓中的5、7次諧波，開關頻率最多可達10kHz。

1.4 高精度高穩定度交流電壓閉環調節技術

常規的交流電壓控制方式僅檢測三相輸出電壓的幅值，通過簡單的PID調節器對輸出電壓幅值進行控制，不但動態響應低，而且控制精度和三相電壓的穩定度也很難保證，是一種標量控制方式[4]。可以采用三相輸出電壓的矢量控制方式，即實時地檢測三相輸出電壓的瞬時值，通過與三相高精度高穩定度交流輸入參考電壓比較，通過交流調節器，實現三相輸出電壓的高精密的跟蹤控制。

1.5 輸出濾波器、變壓器參數的優化設計

輸出濾波器和變壓器的參數不僅影響輸出電壓的波形質量，而且還對輸出電壓的調節環的動態特性造成影響，可以采用現代電力電子和電磁系統計算機仿真軟件包對輸出中頻濾波器、變壓器的參數進行優化設計：能夠提供足夠的噪聲衰減，這要求LC的截止頻率小于一定數值；為減小濾波器的無功消耗，LC的值不能太大要折中考慮；為了使一定截止頻率下的LC濾波器的無功消耗減小到最小，使得LC的特征阻抗R接近于（0.5～0.8）RL。RL為負載值。以滿足某型逆變電源的各項技術要求。

1.6 狀態監控、診斷和保護

利用高速信號處理器（DSP）的高速信息處理功能，對某型逆變電源進行多點狀態檢測、診斷，從而達到防患于未然的目的[5]。

1.7 抗環境溫度、濕度變化和電磁兼容性設計

考慮到某型逆變電源的工作環境，在元器件的選用方面更加嚴格，以滿足工作環境溫度變化對系統性能的影響；另外對于印刷電路板和箱體都應進行相應的三防處理；對輸入/輸入濾波器進行優化設計，提高系統的抗電磁兼容的能力，以及減小它對環境的電磁污染[6]。

2 設計方案

某型逆變電源系統由以下六個部分組成：輸入變壓器、整流器、中間直流母線濾波器、逆變器、輸出濾波器和DSP控制系統。

圖1 某型逆變電源總體方案

圖1 中，輸入變壓器將三相交流電變換成三相交流電，整流器將其變成直流電壓，逆變器將該電壓逆變成三路單相基波電壓，經濾波后產生所需的三路正弦交流電。系統中所有的控制、檢測和計算都是由一片高速高性能DSP完成，它檢測輸出電壓給定值和三相真實電壓反饋值，經過數字PID運算，產生輸出電壓控制指令，使輸出電壓與給定值保持一致。PWM信號的運算也由這片DSP完成，通過運算實時產生逆變器的驅動信號，使輸出電壓的幅值和頻率與設定值一致。除此之外，還充分利用DSP的高速運算和信號處理功能，對輸入電源和逆變器狀態進行多點實時監控，一方面可以實現該系統的故障自保護；另一方面還將系統狀態實時通過數碼管或液晶屏顯示出來，實現系統運行的透明化。

為對電源信息實現有效控制，擬采用TMS320 DSP 作為主控芯片，片上有13路PWM信號輸出，16路A/D輸入，32位數據處理單元，50ns指令周期，16k片上Flash EPROM，完全可以滿足本電源的計算和控制任務。