基于dSPACE的矩陣變換器樣機設(shè)計

劉萬兵，王亞博，魯西坤

(1.河南安彩高科股份有限公司，安陽 455000；2.安陽工學(xué)院，安陽 455000)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，矩陣變換器理論研究不斷深入，矩陣變換器樣機的制造也發(fā)展迅速，從開始的2 kW發(fā)展到現(xiàn)在的幾百千伏安[1-3]。不同的調(diào)制策略開始在矩陣變換器中得到應(yīng)用，系統(tǒng)的性能指標(biāo)逐漸完善和提高，樣機在實現(xiàn)過程中所涉及的換流、過電壓和電磁兼容等方面的問題受到關(guān)注[4-7]。其中，丹麥的Aalborg大學(xué)在矩陣變換器產(chǎn)品化進程中做的工作尤其突出，提出了新的實現(xiàn)方法——PEBB法，該方法同時應(yīng)用了雙向開關(guān)模塊和雙向開關(guān)的門極驅(qū)動電路、保護電路以及換流邏輯等[8-10]，使得整個矩陣變換器裝置的體積進一步減小，同時可靠性大大提高，為矩陣變換器的工業(yè)產(chǎn)品化提供了寶貴的經(jīng)驗[11-13]。英國學(xué)者Wheeler P W則在實驗室實現(xiàn)了150 kVA感應(yīng)電機的樣機驅(qū)動，為矩陣變換器大功率變頻驅(qū)動積累了大量的經(jīng)驗。

矩陣變換器的研究及應(yīng)用面雖然已經(jīng)非常廣泛，幾乎涉及到工業(yè)應(yīng)用的各個方面，同時也取得了可觀的成績，但仍存在一些問題。如何設(shè)計出更為簡單的脈沖產(chǎn)生邏輯電路來形成算法所需的復(fù)雜不規(guī)則PWM脈沖、電壓波動時的換流安全問題、換流的可靠性、可靠的矩陣變換器保護電路設(shè)計等需要進行更加深入的研究。

基于以上問題，本文設(shè)計了矩陣變換器的主電路和控制電路，并分析了矩陣變換器安全換流策略，優(yōu)化了功率開關(guān)管關(guān)斷策略，確保了矩陣變換器過流故障情況下主電路的可靠關(guān)斷；最后，搭建了矩陣變換器實驗平臺。

1 實驗樣機控制電路設(shè)計

實驗樣機平臺以dSPACE為主控制單元，負責(zé)輸入、輸出區(qū)間判斷、PWM占空比計算及電壓、電流計算來判斷故障等工作。脈沖整形、分配及變步長安全換流策略的實現(xiàn)則采用ALTERA公司的MAX系列CPLD來編程實現(xiàn)。IGBT驅(qū)動部分采用EXB841驅(qū)動模塊，為提高電壓、電流測量精度，互感器采用基于霍爾原理的LEM電壓、電流互感器。樣機平臺總體實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 矩陣變換器樣機的總體實現(xiàn)框圖

1.1 IGBT驅(qū)動部分設(shè)計

本文采用了EXB841的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計如圖2所示。EXB841的引腳6通過快速二極管D5接到IGBT的集電極,通過檢測集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE的高低來判斷系統(tǒng)是否發(fā)生短路。根據(jù)其參數(shù)值，當(dāng)IGBT過流使集射極間的UCE大于7.5 V時，判斷為發(fā)生短路，過流保護電路動作,關(guān)斷IGBT。為了達到延長IGBT使用壽命的同時可靠地保護IGBT,需要在IGBT輕度過流下進行保護，采用的方法是在D5與IGBT的集電極間反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓管。

圖2 EXB841外圍設(shè)計

1.2 測量電路設(shè)計

在系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)(大慣性負載)升速、降速時間設(shè)置不合適(比較短)或者負載發(fā)生突變，系統(tǒng)都會出現(xiàn)過電流；或者系統(tǒng)出現(xiàn)外部故障如變頻器輸出側(cè)短路、電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)或接地等同樣會引起系統(tǒng)的過電流。綜合考慮以上幾種情況，樣機設(shè)計時在控制電路中加入過電流保護，從而避免系統(tǒng)出現(xiàn)大電流而損壞樣機。在安全換流策略實現(xiàn)過程中，需要對系統(tǒng)的定子電流進行檢測和控制，因此設(shè)計了測量電路，該測量電路主要有兩個功能：一是提供安全換流策略的電流信號；二是給系統(tǒng)提供電壓和電流監(jiān)測信號，其電路如圖3和圖4所示。測量電路模塊采用的是LV25-P型電壓傳感器和LA25-NP型的電流互感器，將檢測到的電壓和電流信號，送入主控芯片的A/D轉(zhuǎn)換功能引腳處，并最終計算得到電路中的實際電流值。為了保護采樣進入A/D模塊信號不超過A/D模塊的承受范圍，在信號入口設(shè)計了信號限幅電路，由VZ1、VZ2、VZ5、VZ6來實現(xiàn)。

圖3 電流傳感器電路

圖4 LEM電壓傳感器電路

2 矩陣變換器樣機軟件設(shè)計

矩陣變換器實驗樣機的控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計包括基于dSPACE的調(diào)制策略實現(xiàn)以及基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的變步長安全換流策略實現(xiàn)兩大塊。

2.1 基于dSPACE的調(diào)制策略實現(xiàn)

在本樣機的控制系統(tǒng)中，dSPACE是整個控制系統(tǒng)的核心，主要實現(xiàn)輸入電壓的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、觸發(fā)脈沖占空比計算、開關(guān)模式的選擇等功能。在設(shè)計過程中，考慮到系統(tǒng)控制脈沖的分辨率，通過DS5101接口板以硬件方式發(fā)出PWM脈沖。另外，基于dSPACE強大的計算能力，將輸入電壓相位檢測和電壓值大小的判斷融入到具體算法中來實現(xiàn)，考慮到輸入側(cè)電網(wǎng)電壓的頻率和三相間相位相對穩(wěn)定，可以通過檢測一相輸入電壓，如A相，在該相電壓從負值到正值過零時開始，通過定時器計數(shù)，得到當(dāng)前的相位角和扇區(qū)位置。為了減少累積誤差，定時器每隔一定時間要復(fù)位一次。通過以上步驟達到了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計電路、簡化系統(tǒng)元器件使用、增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性的目的。在dSPACE中調(diào)制策略實現(xiàn)具體流程如圖5所示。

圖5 dSPACE中調(diào)制策略實現(xiàn)程序框圖

2.2 安全換流策略CPLD實現(xiàn)

設(shè)計采用的是CPLD。系統(tǒng)中的18路脈沖的變步長安全換流策略則是通過3片CPLD來協(xié)同實現(xiàn)，具體實現(xiàn)軟件流程如圖6所示。電流方向的不安全區(qū)域通過設(shè)計軟件檢測，根據(jù)負載電流絕對值的大小來判斷。也就是通過電流檢測值的大小與設(shè)定值進行比較，在電流過零點附近，如果出現(xiàn)電流檢測值小于閾值，就認定是不安全區(qū)域。

圖6 變步長安全換流策略流程圖

3 矩陣變換器實驗樣機裝置

在實驗室搭建了基于dSPACE的矩陣變換器實驗樣機，分別對變步長控制策略、電流檢測環(huán)節(jié)、調(diào)制策略、IGBT驅(qū)動環(huán)節(jié)等功能編寫程序，從而實現(xiàn)控制功能。該樣機由主電路和控制電路兩部分組成，主電路拓撲圖如圖7所示，樣機實物圖如圖8所示。主電路由IGBT組、輸入濾波器和箝位電路組成，其中IGBT組采用18個IGBT組合成一個公共發(fā)射極開關(guān)，以減少驅(qū)動部分的電源數(shù)量。控制電路主要由保護電路、信號檢測電路、基于dSPACE和CPLD的控制電路等組成。

圖7 矩陣變換器拓撲圖

圖8 矩陣變換器樣機實物圖

為了保證實驗裝置的安全性，電源通過三相隔離變壓器送到矩陣變換器的輸入端。變壓器輸出電壓120 V，選擇阻感性負載作為系統(tǒng)負載，其電阻值為12 Ω，電感值為5 mH。輸入端選擇耐壓值為450 V、電容為5 μF的電容作為濾波電容，選擇電感值為5 mH的電感作為濾波電感，同時在其上并聯(lián)功率為25 W、電阻值為15 Ω的電阻。具體實驗波形如圖9所示。從圖9中可以看出，矩陣變換器樣機可以實現(xiàn)輸出三相電源輸出，且輸出波形正弦度比較好。

圖9 實驗波形

4 結(jié) 語

實驗樣機設(shè)計基于dSPACE的三相-三相矩陣變換器，主回路采用三相-三相標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。同時還設(shè)計了信號測量電路，分別對各互感器采集的三相輸入輸出電壓、電流進行整形、濾波和隔離處理，然后向控制電路提供所需信號。設(shè)計了以dSPACE和多CPLD為核心的控制單元，其中dSPACE完成區(qū)間判斷、算法實現(xiàn)及保護措施處理，CPLD則完成所需脈沖產(chǎn)生、整形及變步長安全換流策略的實現(xiàn)。最后，在實驗樣機上進行了測試，證明了該樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，在確保安全、可靠換流的同時減少換流時間，以提高波形質(zhì)量。