基于SVPWM技術的三相變頻電源的研究

劉 俊 楊 帆

（國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437）

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基于SVPWM技術的三相變頻電源的研究

劉 俊 楊 帆

（國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437）

傳統的SPWM法比較適合模擬電路實現，不適應現代電源的發展趨勢。電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術和傳統的SPWM法相比，它具有電壓利用率高、輸出電壓畸變小、諧波含量低、控制方法簡單、且易于實現數字化等優點，因此本文在基于SVPWM技術的基礎上，對三相變頻電源的控制系統進行了研究。

SVPWM技術；變頻電源；數字信號處理器

隨著科技的發展和社會的進步，變頻電源在工業生產、交通運輸和家電等領域應用更加廣泛，人們對變頻電源的功能、性能、智能化、低諧波輸出等有了更高的要求，因此研究高性能的變頻電源具有十分重要的現實意義，而智能功率模塊和數字信號處理器（DSP）的出現，為這一實現提供了硬件基礎。本文將對三相逆變電源控制部分進行全面分析，并且通過對SVPWM技術的設計來實現三相逆變電源的數字化控制，從而切實提高逆變電源的整體性能。

1　三相變頻電源的硬件實現

1.1三相變頻電源的硬件實現方案

圖1為整個變頻電源的硬件框圖，其主要由主電路和控制電路兩部分構成，下文將詳細闡述這兩個部分的設計。

1.2主電路的設計

圖2為主電路的原理圖。本電源將采用不可控整流輸出電壓作為逆變器的直流輸入，最后選取的濾波電感和電容的值如下。

圖1　整個變頻電源硬件框圖

圖2　主電路原理圖

輸出濾波電感：L= 500μH，濾波電容：C=50μF。

在設計濾波器時，濾波電感的設計是一個關鍵部分。需要選取適合的磁心才能很好的發揮濾波器的性能。本設計中，濾波電感工作于電流連續模式，要求有一定的電感量，需要在有直流偏磁時不宜飽和，且磁心要存儲一定的能量。實際高磁導率材料磁心存儲很少的能量，送入到磁心能量的一部分為磁滯損耗，最終消耗掉。為了能量的有效存儲和傳輸，并要求體積最小，在磁心不飽和情況下，磁導率不能太高，但又不能太小。在此選用了Magnetics公司的鐵硅鋁磁心77111-A7（OD:57.2mm，ID：35.6mm，HT：14mm，μ：60，AP：13.69cm4）。濾波電容則選用耐壓400V的無極性CBB電容。阻尼電阻則選用無感功率電阻，盡量避免其等效電感的影響。

表1　幾種常用電感的磁心材料比較

1.3三相逆變橋的驅動模塊設計

為了選取合適的智能功率模塊（IPM），除了器件耐壓以外，還有兩個方面的要加以考慮：①適當的熱設計保證結溫要永遠小于150℃；②要根據IPM的過流值確定峰值電流。

其中，流過IPM電流的最大峰值可根據下式計算：

式中，P為輸出功率；QL為系統最大過載因數；R為電流紋波脈動系數；η為系統效率；δ 為功率因數；VAC為三相交流線電壓。

令P為1kVA，QL為1.5，R為1.05，η為0.85，δ為0.8，VAC為380V，代入上式可得：I峰值=5（A）。根據計算出來的峰值電流值，同時為了留夠足夠的設計裕量，選用了三菱公司的IPM模塊PM25RLA120，其峰值電流值為 25A，耐壓值為1200V，完全符合設計要求。

1.4基于TMS320F2812的控制電路設計

基于TMS320F2812控制系統電路設計如下：它以高性能的數字信號處理芯片 TMS320F2812為核心、附加事件管理器（EV）、I/O端口和A/D轉換器等外圍設備，運用雙閉環數字PI調節的雙極性調制瞬時值反饋技術來實現DC/AC變頻電源的控制。

2　逆變電源的軟件實現

2.1逆變電源的軟件構成

在本變頻電源系統中，控制板的核心采用TMS320F2812，用C語言開發DSP程序可使其開發周期大大縮短，可讀性和可移植性也大大增強。本系統采用以C2000系列DSP優化C語言為主體，配合適當的匯編語言。程序調試采用TI公司的C2000 Code Composer Studio集成開發環境。

整個逆變電源系統的軟件由主程序、中斷程序及子程序組成。其中，主程序主要是實現系統初始化和變量的初始化以及各個子程序的循環等。主要的子程序有矢量變換、PI調節、SVPWM算法、顯示按鍵程序、數據計算程序、及電壓電流采樣程序等組成。

2.2主程序設計和PWM中斷程序

主程序主要完成的功能如下。

1）系統的初始化。為了保證DSP能正常運行，首先要對DSP的工作模式進行初始化設置，包括系統的狀態寄存器（ST0、ST1）、系統配置寄存器（SCSR1、SCSR2）、看門狗控制寄存器（WDCR）等；定義應用程序的所有變量；使能片內外設模塊（如事件管理器EVA、模數轉換ADC、看門狗等），并對其進行模塊初始化。

2）初始化完成后，對電源系統進行故障檢測。檢測包括電源電壓、溫度的檢測、短路檢測等。如果檢測到有故障，則置故障標志位，并用指示燈閃爍頻率的不同加以區分。

3）如果系統檢測無故障，開起總中斷，設置中斷優先級，開起ADC中斷和定時器3，其中ADC轉換模塊是通過定時器周期中斷來啟動的，ADC采樣完成后進入中斷服務子程序讀取電流、電壓采樣值等并進行電流、電壓的調節。

4）每隔0.1s進入T4周期中斷進行系統保護檢測，對電源的電壓、電流等進行信息進行監測和軟件保護處理。

5）電壓和電流的調節都是在PWM中斷服務子程序進行的，當中斷結束后，系統進入一個死循環，等待下一個中斷。

2.3PI調節子程序

模擬PI調節器的表達式如下：

式中，u(t)為調節器的輸出；e(t)為調節器的偏差信號。

由于計算機處理的是數字量，必須對上式進行離散化處理。用數字式的差分方程代替連續系統的微分方程，此時積分項可用求和增量的形式來表示。

式中，?t為采樣周期，必須使T足夠小，才能夠確保系統的精度；e(i)為第i次系統采樣的偏差。

將式（2）帶入式（3）即得離散化的PI表達式：

式中，u(k)為第k次采樣時調節器的輸出。

將式（4）稱為位置型PI控制算法，可以看出，要想計算 u(k)的值，要把積分項中的歷次偏差信號e(i)進行相加。這樣計算繁瑣，還需要占用較多的內存，因此做如下改動。根據推理，可以寫出（k?1）次采樣時PI調節器是輸出表達式：

用式（4）減去式（5）整理得

令K0=Kp+KI，則上式可以變為：

式中，Kp為比例系數；KI為積分系數。

由上式（7）可知，要計算第K次輸出u(k)，只要知道u(k?1)、e(k?1)、e(k)即可。根據上面討論的數字PI調節器的算法，其實現流程圖如圖3所示。

圖3　PI調節子程序圖

3　結論

首先，本文主要對主功率電路特別是逆變橋電路、輸出濾波電路進行了詳細的設計；然后，在基于SVPWM算法和DSP的方案實現的基礎上，完成了變頻電源系統的軟件設計，主要有主程序和PWM中斷程序，設計了SVPWM在DSP上的具體實現方法，并給出了SVPWM在DSP的程序設計和PI調節子程序。

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Research on the Three-phase Variable Frequency Power Supply based on SVPWM

Liu Jiu Yang Fan
(Electrical Science Research Intitute of Shanghai Municipal Power Company of State Grid, Shanghai 200437)

The traditional SPWM method is suitable for analog circuit rather than the development trend of modern power. Voltage space vector PWM (SVPWM) control technology is an PWM control technique, which not only has a DC high utilization rate, a low output voltage distortion rate and a low harmonic content, but also the control method is simple, and it’s easy to implement digitally compared to the traditional SPWM method. SVPWM technique. The control system of the three-phase variablefrequency power supply is researched based on SVPWM technique.

SVPWM; variable- frequency power supply; DSP

劉 俊（1971-），男，上海人，本科，高級工程師，研究方向為線損、電壓專業、設備評價。