基于双PWM技术的交流变频调速系统

1、基于双PWM 技术的交流变频调速系统刘永顺1,李淑平2,周瑞3(1.安阳师范学院物理系,河南安阳455000;2.许继集团有限公司,河南许昌461000;3.驻马店电业局,河南驻马店463000摘要:阐述了采用双P WM 技术的变频调速系统的工作原理,简要介绍了TM S 320F 240芯片的特点及其用于双P WM 控制系统时硬件框图,并对今后变频调速的发展作了展望。关键词:双P WM ;功率因数;整流器,逆变器;谐波;事件管理器中图分类号:TM 921.51文献标识码:B 文章编号:100324897(200310200632031前言在变频调速领域,一般的变频器都采用单PWM 技术,其整流

2、部分大多都采用不可控整流方式,但这种单PWM 变频器存在功率因数低、网侧谐波污染严重、无法实现能量的再生利用等缺点,对于要求不太高的场合,可以通过功率因数补偿器或增加其它外围设备来提高功率因数、减小谐波、使能量能够再生利用。目前,随着电力电子技术和微机控制技术的飞速发展,特别是近年来数字控制芯片的出现使PWM 控制容易实现,加上PWM 技术的诸多优点,它在变频调速系统中的应用越来越广泛。2双PWM 变频器工作原理在交-直-交变频调速系统中,整流器和逆变器均采用双PWM 技术,称为双PWM 变频调速,其无须增加任何附加电路就能实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量,可实现功率双向流动。采用PWM

3、 整流技术,它直接对整流桥上各电力电子器件进行正弦PWM 控制,使得输入电流接近正弦波,其相位与电源相电压相位相同。这样,输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波,这些谐波次数高,容易滤除,同时也使功率因数接近1,减少对电网的公害。双PWM 具有输入电压、电流频率固定,波形均为正弦,功率因数接近1,输出电压、电流频率可变,电流波形也为正弦的特点。这种变频器可实现四象限运行,从而达到能量的双向传送。图1为双PWM 变频器主回路,主电路由进线电抗器、整流器、中间储能电容器、逆变器和电机组成,主开关器件采用绝缘门极双极晶体管(IGB T 1。工作原理如下:(1能量由三相交流电网流向电动机负载当电动机

4、处于拖动运行状态时,能量由交流电网经整流逆变器中的桥式整流器向滤波电容器C d 充电,此时变频器的6个IGB T 管在PWM 控制下,以调频调压(VVV F 方式工作,使变频器输出电压U 0与工作频率f 成正比,这不仅使交流电机得到恒力矩特性,而且输入到电动机的电流为正弦波,减少了高次谐波电流的损耗 。图1系统主电路F ig .1T he m ain circuit of system(2电动机再生能量馈入三相交流电网在变频调速过程中,当电动机处于减速运行时,由于负载惯性作用进入发电状态,此时交流电动机的再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间直流环节的储能电容充电,使电容器两端电压升高,

5、此时整流逆变器的开关元件在PWM 控制下,将能量馈入交流电网,完成能量的双向流动。同时由于PWM 整流器闭环控制作用,加上使用自关断器件,开关频率的大幅度提高,使馈入电网的电流为电网电压同相位的正弦波电流,使系统的功率因数约等于1,提高了系统功率因数,消除了网侧谐波污染。此时储能电容器也能对交流电源输入电路的漏抗所产生的无功电流起到补偿作用。双PWM 变流器的控制系统核心控制芯片采用T I 公司生产的一种新型微处理器TM S 320F 240D SP ,TM S 320F 240是一款专门为电机控制而设计的D SP ,因而,它不仅具有普通数字信号处理器的高速运算功能20M IPS 的处理能力,

6、而且片内还集成了36第31卷第10期2003年10月15日继电器R ELA YV o l .31N o.10O ct .15,2003丰富的外设功能模块:双10位A D 转换器,28个可独立编程的多路复用I O 引脚,带有锁相环的时钟模块,带中断的看门狗定时器模块等。特别是F 240片内设置了一个事件管理器可以很容易地产生规则采样PWM ,可提供12路比较PWM 通道,3个具有死区功能的全比较单元,3个单比较单元,3个16位通用定时器等,这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制PWM 波形的控制软件和外部硬件,只需很少的CPU 干预即可产生所需的PWM 波,因而特别适合于控制需要多个PWM

7、输出的装置,它集D SP 的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化外围电路于一体,且价格便宜,大大减少了控制系统的体积,提高了系统的性能价格比。D SP 主要包括算术逻辑运算单元ALU 、寄存器集、辅助算术逻辑单元A RLU 、乘法器、乘法移位器、累加器、加法移位器、时钟锁相环电路、事件管理器、内部A D 转换器、串行口等主要部分。F 240的执行速度很快,内部采用哈佛结构,流水线作业,在20M H z 的内部时钟频率下,指令周期仅为50n s 。F 240内有三块RAM 区,这三块RAM 全部允许在一个指令周期内访问两次,大大加快了数据的处理能力。F 240的A D 转换既可以保证采样到的A

8、 、B 相电流为同一时刻的电流,又缩短了电流采样时间,非常有利于提高调速装置的动态性能。其还有丰富的、功能强大的中断系统和常用的I O 接口。F 240的功能使交流调速装置中较复杂的控制算法编程方便,大大简化了硬件电路。3双PWM 控制系统硬件分析文中系统硬件分析如下:由系统结构图(图2可知,系统需要检测:1输入电压峰值与过零点;2输出电压大小;3参考给定电压;4电机反馈速度 。图2硬件配置框图F ig .2T he configurati on of hardw areD SP 系统根据检测到的输入电压峰值与过零点、输出电压大小、参考给定电压、电机反馈速度等信号经过精密运算,得出空间矢量的各

9、个脉冲的宽度,输出12路PWM 控制信号分别控制组成整流器和逆变器的12只IGB T 管,通过他们的导通和关断,完成交流电机变频调速。4双PWM 变频器控制方案4.1整流器的控制为了使馈送至电网的电流与电网电压同相位同频率,整流器的控制采用功率因数校正方案,如图3。直流环节电容器两端的电压与参考电压比较后经过P I 环节,再与三相电源电压U -2d 相乘,得到与各相的实际电流相比较,从而得出相应的一对互补输出驱动同一相的两个IGB T ,使得实际电流与其输出电流同频率同相位,即功率因数co s 约等于1,通过对直流电压U d 进行闭环控制,同时能够调节U d 的大小 。图3整流器的P WM 控

10、制框图F ig .3T he configurati on of P WM rectifier4.2变流器的PWM 控制采用空间电压矢量准优化PWM 技术的交流变频调速装置电压利用率为1。通过F 240的比较控制寄存器COM CON 可将波形发生器配置为空间电压矢量模式或比较模式,其中F 240空间电压矢量模式能非常方便地产生两相调制PWM 波形。由于两相调制的空间矢量PWM 在一个开关周期内始终有一个桥臂不发生开关动作(如图4所示,因而这种控制方法在高载波频率下能明显地减少开关损耗,对采用IGB T 等高功率器件的交流变频调速装置具有更现实的意义。利用F 240产生两相调制空间电压矢量PWM

11、 时只需装载空间电压矢量的旋转方向SVD I R (电机的转动方向、要作用的两相临矢量中的一个矢量名(D 2D 1D 0及触发时间(比较值1,比较值2,F 240根据开关模式切换时只允许一个状态发生变化的原则自动选择零矢量,即可输出三对46继电器互补的6路空间电压矢量PWM 波形,大大节约了CPU 的软件开销和硬件资源 。图4空间电压矢量模式P WM 波形产生原理F ig .4P roducing p rinci p le of the P WM w avew ith mode of space vo ltage vecto r5结束语PWM 控制技术是交流变频调速器的一个重要内容。将变频器和

12、电动机整体考虑来决定逆变器开关元件的PWM 信号,会比以往单纯追求变频器输出电压或电流波形时获得更好的调速性能,双PWM 控制技术打破了过去变频器的单一结构,采用PWM 整流器和PWM 逆变器实现了高功率因数、低谐波污染、能量双向流动等性能特点,这给变频调速技术增添了新的生机。随着计算机技术的高速发展,双PWM 控制技术在变频调速中的应用前景会越来越广阔。参考文献:1王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和功率补偿M .北京:机械工业出版社,1998.收稿日期:2003201208作者简介:刘永顺(1965-,男,讲师,研究方向电力电子技术;李淑平(1972-,女,学士,工程师,研究方向电气传动产品;

13、周瑞(1972-,女,学士,工程师,研究方向电力电子技术。AC M otor VF Speed Regula tion Syste m usi ng dua l -P WML I U Yong 2sun 1,L I Shu 2p ing 2,ZHOU R ui 31.Physics D epartm ent of A nyang N o r m al Co llege ,A nyang 455000,Ch ina ;2.XJ Group Co rpo rati on ,Xuchang 461000,Ch ina ;3.Zhum adian E lectric Pow er Bureau ,Zh

14、um adian 463000,Ch inaAbstract :T h is paper expatiates the w o rk ing p rinci p le of dual -P WM V F Speed R egulati on .T he characteristic ofTM S 320F 240is introduced ,and the system block diagram are p resented .T he developm ent of V F Speed R egulati on in the fu 2ture is p redicted .Key word

15、s :dual -P WM ;pow er facto r ;rectifier ;inverter ;har monic ;event m anager许继参加“第四届上海国际电力设备展示会”取得丰硕成果9月9日到12日,集团市场部组织公司有关单位和部门参加了由中国电力企业联合会主办的“第四届上海国际电力设备展示会”,展示许继高新技术产品,开拓华东地区市场拓展。两年一届的国际电力展是行业内知名度最高、规模最大的一次盛会。本届展会共有52个国家和地区的厂商参加,西门子公司、ABB 公司、东芝、杜邦公司、GE 电气、等国外知名厂商也派代表团参加了展示会。在此次展会上,许继集团展示了公司近年自主研发生产的CB Z -8000变电站自动化系统及800系列保护产品,并在现场对CB Z -5000变电站自动化、配网自动化、M IS 等产品进行了系统演示,取得了较好的宣传效果。集团公司领导十分重视本次展示会,王纪年总裁、许继电气李富生总经理、雷宪章副总经理等在参加中电联同期举办的“中国电力论坛”期间,亲自莅临