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基于DSP正弦波調(diào)制的三電平變換器

時(shí)間:2023-02-21 00:14:21 電子通信論文 我要投稿
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基于DSP正弦波調(diào)制的三電平變換器

  摘要:首先介紹了三電平PWM變換器的特點(diǎn),比較了空間矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的優(yōu)缺點(diǎn)。詳細(xì)地介紹了三電平中SPWM控制的原理,并討論了用DSPLF2407A來實(shí)現(xiàn)SPWM的方法。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SPWM控制方法的特點(diǎn),實(shí)驗(yàn)證實(shí)了用DSP實(shí)現(xiàn)三電平SPWM的方便性。
  關(guān)鍵詞:三電平變換器;正弦脈沖寬度調(diào)制;數(shù)字處理器
  
  1概述
  
  二極管中點(diǎn)鉗位型的三電平逆變器[1]的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于二極管的鉗位,這種變換器每個(gè)功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2,從而實(shí)現(xiàn)了用中低壓器件完成中高容量的變換。另外,由于相電壓有三種電平狀態(tài),比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個(gè)電平,其諧波水平明顯低于二電平變換器,輸出相同質(zhì)量電流波形的時(shí)候,開關(guān)頻率可以降低到兩電平的1/4。最后,由于采用了不對稱的雙向開關(guān),能量可以雙向流動,可以很好地控制功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行。然而,由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了12個(gè)功率管,其控制方法也隨之復(fù)雜。另外,直流側(cè)中點(diǎn)電位的不平衡也是制約該拓?fù)涞囊粋(gè)重要因素。
  
  圖1
  
  三電平變換器的控制方法主要有正弦波調(diào)制PWM(SPWM),選擇性的消諧PWM(SHEPWM),空間矢量PWM(SVPWM)。
  
  三電平空間矢量控制PWM方法和兩電平空間矢量的控制方法一樣,也是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的PWM方法。三電平空間矢量方法的優(yōu)點(diǎn)主要是電壓利用率高,對于二極管中點(diǎn)鉗位的變換電路可以利用冗余的電壓矢量(一般都是小矢量)來實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的平衡;其缺點(diǎn)就是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的時(shí)候計(jì)算量非常大,尤其是當(dāng)電平數(shù)大于3的時(shí)候更加復(fù)雜。
  
  選擇性的消諧PWM方法,通過開關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇,可以在較低的開關(guān)頻率下,產(chǎn)生最優(yōu)的輸出電壓波形,從而減小了電流紋波和電動機(jī)的脈動轉(zhuǎn)矩。在輸出同樣質(zhì)量波形的時(shí)候,它較其它的方法,開關(guān)次數(shù)最少,效率最高。因此,在高壓大功率的設(shè)備上多采用SHEPWM的控制方法。但是,這種方法的一個(gè)難點(diǎn)就是在計(jì)算開關(guān)角的時(shí)候,要解超越方程,現(xiàn)在通用的牛頓迭代法中,確定開關(guān)角的初值難以選擇,計(jì)算比較困難。
  
  而正弦波調(diào)制的方法的優(yōu)點(diǎn)主要以下幾點(diǎn):
  
  1)SPWM實(shí)現(xiàn)起來比較方便,可以模擬實(shí)現(xiàn)也可以用數(shù)字來實(shí)現(xiàn),而且用數(shù)字來實(shí)現(xiàn)的時(shí)候,計(jì)算量;
  
  2)可以大大降低輸出諧波含量,尤其是低頻紋波,它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置,因此在設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候,比較容易實(shí)現(xiàn),而且成本較低;
  
  3)對于任何數(shù)電平變換器,調(diào)制比可以在所有的工作范圍內(nèi)變化,注入合適的三次諧波,可以實(shí)現(xiàn)最大調(diào)制比1.15;
  
  4)在載波中注入合適零序列,可以較好地平衡中點(diǎn)電位[2]。
  
  本文在介紹三電平變換SPWM控制理論的基礎(chǔ)上,討論了用DSP來實(shí)現(xiàn)三電平SPWM控制的方法,并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
  
  2三電平載波調(diào)制理論
  
  從圖1中可以看到,三電平逆變器的每一個(gè)橋臂上有4個(gè)開關(guān)管,4個(gè)反向恢復(fù)二極管和2個(gè)鉗位二極管。以第一橋臂為例,其中開關(guān)管Sa1和Sa3的開關(guān)控制信號互補(bǔ),Sa2和Sa4的開關(guān)控?信號也是互補(bǔ)的。Sa1和Sa2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候,輸出相電壓為Ed/2;Sa2和Sa3同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候,輸出的相電壓為0;Sa3和Sa4同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候,輸出的相電壓為-Ed/2。為了確保電路中dv/dt不能太大,必須保證每個(gè)橋臂中只能有上面三種情況的兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通,絕不容許有3個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通,但是,由于所采用的開關(guān)器件都不是理想的,開關(guān)管的開通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間。因此,必須對開關(guān)控制信號加入死區(qū)時(shí)間。從上面分析可知,一個(gè)橋臂中,控制信號只有兩個(gè)獨(dú)立的控制信號。Sa1和Sa2的驅(qū)動控制信號是由2個(gè)具有同相位,同頻率fc,相同的峰峰值A(chǔ)c,且對稱分布的三角載波和一個(gè)峰峰值為Am,頻率為fm的正弦參考信號比較得到的。在三角載波和正弦波相交的時(shí)刻,如果正弦波的值大于載波的值,則開通相應(yīng)的開關(guān)器件,反之則關(guān)斷該器件。對于三電平變換器,幅度調(diào)制比ma和頻率調(diào)制比mf定義[3]為
  
  ma=Am/2Ac(1)
  
  mf=fc/fm(2)
  
  圖2是調(diào)制比為ma=0.9,mf=9的三電平變換器的原理圖。
  
  3基于DSP的三電平SPWM的實(shí)現(xiàn)
  
  TI公司的TMS320LF2407ADSP是面向電力電子控制領(lǐng)域的,它具有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB,能夠?qū)崿F(xiàn)PWM對稱和非對稱波形;外部引腳PDPINTx快速封鎖PWM通道;可編程的死區(qū)控制;3個(gè)捕獲單元;片內(nèi)光電編碼器接口電路;16通道的A/D轉(zhuǎn)換。另外,它還有串行通信接口(SCI),16位的串行外設(shè)接口模塊(SPI)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊[4]。LF2407A可以很好地實(shí)現(xiàn)電力電子領(lǐng)域的控制。DSP實(shí)現(xiàn)SPWM控制三電平變換器的控制框圖見圖3。對稱的規(guī)則采樣PWM法比較簡單,適合于數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn),它的原理是在三角載波的峰點(diǎn)(谷點(diǎn))的時(shí)刻采樣正弦波調(diào)制信號而形成的波形,采樣周期Ts為三角載波的周期。用DSP實(shí)現(xiàn)SPWM控制的過程中,主要是計(jì)算各個(gè)載波周期內(nèi)的開關(guān)時(shí)間。圖4是計(jì)算載波周期內(nèi)開關(guān)時(shí)間的中斷程序流程圖。中斷程序主要就是計(jì)算第N個(gè)載波周期內(nèi)的開關(guān)的時(shí)間,其中v0為正弦波的幅值。表1是DSP的信號與開關(guān)管對應(yīng)表。表2是各個(gè)扇區(qū)內(nèi)CMPRx的值表。
  
  表1DSP信號和主功率管的對應(yīng)關(guān)系
  
  PWM1
  
  PWM2
  
  PWM3
  
  PWM4
  
  PWM5
  
  PWM6
  
  Sa3
  
  Sa1
  
  Sa4
  
  Sa2
  
  Sb3
  
  Sb1
  
  PWM7
  
  PWM8
  
  PWM9
  
  PWM10
  
  PWM11
  
  PWM12
  
  Sb4
  
  Sb2
  
  Sc3
  
  Sc1
  
  Sc4
  
  Sc2
  
  表2CMPRx在各個(gè)區(qū)內(nèi)的值
  
  CMPR1CMPR2CMPR3CMPR4CMPR5CMPR6Z1v0sinθTv0sin(π/3-θ)T0T-v0sin(θ+π/3)Z2v0sin(θ+π/3)T0T-v0sinθ0T-v0sin(π/3-θ)Z3v0sin(π/3-θ)T0T-v0sin(θ+π/3)v0sinθ0TZ40T-v0sinθ0T-v0sin(π/3-θ)v0sin(θ+π/3)TZ50T-v0sin(θ+π/3)v0sinθTv0sin(π/3-θ)TZ60T-v0sin(π/3-θ)v0sin(θ+π/3)T0T-v0sinθ
  4三電平SPWM的仿真研究
  
  為了研究載波調(diào)制的諧波消除效果,采用電力電子專用仿真軟件PSIM對圖1所示的三電平變換器進(jìn)行了仿真研究。仿真參數(shù)設(shè)置載波的頻率fc=10kHz,調(diào)制正弦波的頻率fm=50Hz,幅度調(diào)制比為ma=0.9。相電壓、線電壓的仿真波形如圖5(a)所示。從仿真結(jié)果不難看出三電平的諧波主要集中在載波頻率的倍數(shù)的位置,如圖5(b)所示,而低次諧波很小。
  
  圖5
  
  5實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果
  
  實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷闹麟娐凡捎?2個(gè)IRF840開關(guān)管,6個(gè)鉗位和12個(gè)反向恢復(fù)的二極管MUR860。實(shí)驗(yàn)的控制部分主要是基于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的雙DSP數(shù)字控制平臺。電路的輸入的直流電壓300V,負(fù)載為2.2kW的電動機(jī)。開關(guān)頻率fc=10kHz,ma=0.9。圖6(a)是相電壓波形,圖6(b)是相電壓的FFT分析。圖7(a)是線電壓波形,圖7(b)是線電壓波形的FFT分析波形。
  
  圖6
  
  6結(jié)語
  
  上述仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SPWM方法的諧波主要集中在高頻部分,因此,對它進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。三電平變換器在高性能中高電壓的變頻調(diào)速,有源電力濾波裝置和電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。DSPLF2407A具有多路PWM輸出和可編程的死區(qū)時(shí)間控制,因此,在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電力電子領(lǐng)域的控制中具有明顯的優(yōu)勢。

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