基于TMS320F28335的變頻器能量回饋系統

毛康宇，寧國云

（武漢大禹電氣有限公司，湖北 武漢430205）

變頻器廣泛應用于工業領域，在很多情況下，其負載會回饋能量.大多數變頻器屬于兩象限變頻器，不具有把負載的再生能量回饋到電網的功能，只能通過配備制動單元，將電機的再生能量通過制動電阻發熱消耗掉.在變頻器內部設計一個能量回饋器，可以實現將再生能量回饋到電網，避免使用制動電阻耗能.本文設計了一種基于TMS320F28335的變頻器能量回饋器，并進行了試驗.

1 變頻調速系統能量回饋原理

具有能量回饋功能的電壓型變頻器基本拓撲結構如圖1所示［1］.

圖1 具有能量回饋功能的變頻器結構

變頻器的硬件電路由主回路和控制回路兩部分組成.主回路由變流器1、變流器2、直流支撐電容組成，2個變流器均可工作于整流和逆變狀態；控制回路由模擬采樣電路、驅動電路、人機界面電路等構成.主回路通過整流、儲能、逆變等方式，實現電機與電網的能量交換；控制電路完成對變流器的驅動控制、電壓控制、電流控制以及各種保護功能.

當電機處于電動狀態時，在變流器1的控制下，對電網三相交流電進行PWM整流或者不控整流，再經直流支撐電容濾波，然后在變流器2的控制下進行逆變，輸出三相交流電.在此過程中，能量從電網流入變流器，送到電機，轉換成機械能輸出.

當電機處于發電狀態時，電機的機械能會有一部分轉變成電能，通過變流器2進行整流，輸入到直流支撐電容上，使電容端電壓持續上升.當電容電壓上升到設定閾值后，變流器1在控制電路的作用下轉換到有源逆變狀態，把電容上的能量回饋到電網.在此過程中，能量從電機流入變流器，然后回饋到電網中［2］.

從上述分析可以得知，若要變流器工作于能量回饋狀態，必須滿足以下條件：

1）網側變流器必須能夠在整流和逆變兩種狀態下工作，因此變流器必須可控，變流器通常為由IGBT組成的三相半橋；

2）直流母線電壓要高于回饋閾值，回饋閾值的設定取決于電網電動勢值和變流器的器件耐壓值；

3）變流器回饋時的頻率必須和電網電壓頻率同步，變流器必須能夠實時采樣電網頻率［3］.

2 直接電流控制回饋算法

2.1 三相電壓型變流器模型

三相電壓型變流器的電路拓撲結構如圖2所示.

圖2 三相電壓型變流器的電路拓撲結構圖

圖2中：eL為直流電動勢；L為網側濾波電感；ea（t），eb（t），ec（t）為 電 網 三 相 電 動 勢；va（t），vb（t），vc（t）為三相半橋輸出電壓；C 為直流側濾波電容；RL為直流側負載電阻，Rs為功率管以及線路上的等效損耗電阻.

忽略電阻Rs，在三相靜止坐標系中，由三相交流側易得網側電感端電壓分別為

經過坐標變換后，在同步旋轉d－q坐標系中，有以下公式

式中：u為直流母線電壓，ud和uq為三相變流器交流側輸出電壓的d－q分量.

2.2 電能回饋控制策略

系統采用SVPWM技術來控制變流器的開關，實現回饋控制.控制框圖如圖3所示［4］.

智慧珠的設計本身富含數學的結構（見圖1），學生通過靜心觀察、深度思考就可以了解智慧珠整體的情況。獨立思考后小組交流。此實驗不需要教師指導，全由學生自行完成。

從圖3可以看到，系統采用雙閉環控制策略實現回饋電流和直流母線電壓控制.電壓環為外環，電流環為內環.

圖3 能量回饋控制框圖

2.2.1 電流內環工作原理 變流器回饋到電網的電能可以分解成有功分量和無功分量，進行回饋的時候，要求回饋的有功能量比例越大越好，因此要求回饋時，具有較高的功率因數，并且能夠實時檢測并調節有功分量.

在d－q坐標系下，網側電流的d軸分量Id為有功分量，q軸分量Iq為無功分量.變流器需要采用兩個電流控制器，以便分別調節Id和Iq的值，以減少無功分量的輸出.

在圖2中，回饋時，變流器網側三相電流Ia、Ib、Ic經過采樣檢測處理后，進行Clark變換，實現靜止三相坐標系到靜止兩相坐標系的變換，得到Id和Iq；同時變流器的電網頻率檢測和同步模塊（PLL）計算出此時的電網相位值θ，經過Park旋轉變換后，得到同步旋轉坐標系下等效直流量ID和IQ，作為電流環的反饋量.

ID和IQ分別經過Clark和Park變換后，再送入各自的PI調節器，分別對ID和IQ進行控制.在進行能量回饋的時候，要求變流器工作在高功率因數下，因此，IQ的給定值一般設為0，ID的給定值來自于電壓環輸出值.

ID和IQ經過各自PI運算后，得到各自的控制量，然后根據相位值θ經過反Park變換以及SVPWM運算后，得到變流器三相半橋各個開關管的驅動脈沖寬度，經過驅動電路送到開關管上，開關管把直流母線上的能量回饋到電網.

3 變頻器能量回饋器硬件設計

3.1 主回路設計

主回路分為4個部分：網側電感、網側變流器、直流支撐環節、負載側變流器.

網側變流器1為1個三相半橋，由T11～T16IGBT構成，每個IGBT內部具有一個反并聯二極管D11～D16，直流支撐環節為大容量電解電容；負載側變流器2同樣為1個三相半橋，分別由T21～T26IGBT及其反并聯二極管D21～D26組成（圖4）.

主回路可以在電動狀態和回饋狀態兩種狀態工作.

3.1.1 電動狀態 在電動狀態下，網側變流器1工作于整流狀態，如果對網側變流器1進行控制，此時，網側變流器的IGBT成為boost升壓斬波器，網側電感L成為boost升壓電感，對直流電容進行充電；如果不對網側變流器1的IGBT進行控制，那么IGBT反并聯二極管將工作在不控整流狀態，網側電感L可以看成輸入電抗器.

圖4 主回路結構

直流回路充電后，在控制回路的控制下，負載側變流器工作在逆變狀態，拖動電機正轉或者反轉.3.1.2 能量回饋狀態 電機工作在回饋狀態時，電能通過負載側變流器2送入直流支撐環節.隨著電機能量不斷輸入，直流支撐電容持續充電，使直流母線電壓持續上升.當母線電壓超過設定的閾值后，控制電路根據回饋算法，控制網側變流器1工作在有源逆變狀態，把直流環節電容存儲的能量回饋到電網.

3.2 控制回路設計

圖5 控制回路原理框圖

變頻器能量回饋器控制回路部分原理框圖如圖5所示［5］.其硬件系統由DSP處理器、IGBT驅動電路、模擬／數字信號采樣檢測電路、鍵盤和液晶屏界面、上位機通信電路、輔助開關電源電路組成.

3.2.1 處理器 TMS320F28335是美國德州儀器公司生產的一款高性能、32位浮點電機控制用數字信號處理器.本系統采用此處理器來進行系統控制，

系統內核時鐘工作在150MHz，進行各路模擬／數字量采集和坐標變換處理、實時SVPWM算法處理、IGBT驅動、外部通信、鍵盤掃描和液晶屏控制.

3.2.2 關鍵電路 本系統關鍵信號為網側電流信號、直流母線電壓和交流電網過零信號.網側電流信號由霍爾電流傳感器采樣，直流母線電壓由霍爾電壓傳感器采樣，送入控制板上的采樣電路進行調理運算后，轉換成0～3V的電壓信號，然后送入到DSP的AD端口.交流電網過零信號由3個變壓器組成的電路進行濾波和采樣，變壓器原邊電壓為濾波后的電網電壓信號，接法為Y接法，副邊為Δ接法，經過數字邏輯電路處理后，電網三相電壓信號每次過零，會輸出一個高電平，送至DSP的捕獲口.

4 軟件結構設計

系統軟件主要分為模擬／數字采樣模塊、PLL模塊、電壓環PI模塊、有功電流PI模塊、無功電流PI模塊、坐標變換模塊、SVPWM計算模塊、PWM發生模塊、通信模塊、系統時序控制模塊、系統保護模塊.

模擬／數字采樣模塊用于采集系統的電壓、電流信號以及外部開關量信號；PLL模塊用于采集電網頻率，用于回饋器與電網同步；電壓環PI模塊用于計算和調節變頻器直流母線電壓；有功電流PI模塊和無功電流PI模塊用于完成電流控制；坐標變換模塊用于將三相電流進行坐標變換，然后送入電流環運算；電流環的運算結果送到SVPWM模塊，生產三相SVPWM脈沖寬度，送入PWM發生模塊；PWM發生模塊產生三相半橋6橋臂的驅動；通信模塊實現系統與上位機的串行通信；系統時序控制模塊，用于控制系統的上下電、初始化、整流和有源逆變切換等功能；系統保護模塊進行故障保護，能夠進行過欠壓、過流、過溫、開關管故障等保護.

5 測試結果

5.1 測試條件

1）電網電壓三相380V，50Hz；

2）網側電感0.2mH；

3）回饋電流7A.

5.2 測試波形

穩態工作時，實際測試波形如圖6所示.

圖6 能量回饋器網側電流電壓波形

在圖6中，電流波形為泰克A621實測波形，電壓波形經過降壓后送至示波器中.

5.3 結果分析

從波形圖上分析，實際測試電流波形非常接近正弦波，在回饋電流7A的情況下，電流相位和電網相位基本相同，用三相電能質量分析儀，測出三相功率因數均達到0.9.

［1］胡崇岳.現代交流調速技術［M］.北京，機械工業出版社，1998.

［2］陳伯時，陳敏遜.交流調速系統［M］.北京：機械工業出版社出版社，1998.

［3］減英杰，吳守篇.交流電機的變頻調速［M］.北京：中國鐵道出版社，1984.

［4］張崇巍，張 興.PWM整流器及其控制［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［5］李永東.交流電機數字控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2002.