分析三相AC/AC變頻器控制研究方案

引言

近年來，微處理器的迅猛發(fā)展使數(shù)字化的交 - 交變頻器在電力拖動中的應(yīng)用日益廣泛， 本文以TI公司的DSP芯片TMS320F240為核心來研究三相交-交變頻器的各種控制方案 , 并且比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。AC/AC 變頻器是指直接將較高固定頻率的電壓變換為頻率較低而輸出電壓幅值可變的變換器。變頻器的英文譯名是VFD(Variable-frequency Drive)，這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實(shí)例之一。(但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display,真空熒光管，故這種譯法并不常用)。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機(jī)的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF(Variable Voltage Variable Frequency Inverter)。

本系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)包括主回路、 晶閘管驅(qū)動電路、I/O擴(kuò)展電路 、數(shù)據(jù)采集電路。捕獲中斷口 CAPINT1 每隔 60o(10/3ms) 捕捉電源的同步信號， PB3所處的狀態(tài)， 就可以確定相應(yīng)的同步波波頭值以判相定管。I/O 端口 PC0、PC1、PC2 檢測三相電流的過零檢測信號，當(dāng)過零信號有效時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的換組子程序 ,進(jìn)行換組。在觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻，這時(shí)將編碼通過數(shù)據(jù)總線輸出到I/O擴(kuò)展電路以觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。以此硬件電路作為基礎(chǔ)介紹了幾種控制方法編寫程序， 并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 逐點(diǎn)比較法

圖1:比較法確定的換相時(shí)刻圖。

電網(wǎng)換相AC/AC變頻器的交流輸出電壓是由其各相輸入電壓波形的各個(gè)片段組合而成的。只要原先導(dǎo)通相u1比相繼導(dǎo)通相u2更接近要求輸出的理想電壓

， ， 即(uR-u1)《(u2-uR) 得 uR《(u1+u2)/2,則u1應(yīng)繼續(xù)出現(xiàn)在輸出端。當(dāng) uR=(u1+u2)/2,則由u1轉(zhuǎn)換到u2.

以自然換相點(diǎn)作為起點(diǎn) , 則

則

當(dāng)觸發(fā)角為a時(shí)，要求

因此，對于脈波的交-交變頻器，以各晶閘管觸發(fā)延遲角a=0為起點(diǎn)的一系列余弦同步電壓與理想輸出電壓的交點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)，即可滿足輸出的電壓波形與正弦電壓相差最小的要求。

逐點(diǎn)比較法就是在DSP內(nèi)存中制作表格 ,用查表法產(chǎn)生同步波和基準(zhǔn)電壓波， 然后不斷地循環(huán)比較。只要DSP的采樣間隔取得足夠小 ,通過比較就可以得到精確的交點(diǎn)。

2 直線近似余弦交點(diǎn)法

查表法控制算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)， 但占用很大的計(jì)算資源 , 大量的時(shí)間用于比較操作， 而一個(gè)輸出電壓周期中真正得到的交點(diǎn)很少 , 并且要達(dá)到一定的精度， 需大量表格， 內(nèi)存占用量較大。

為了避免 DSP不斷循環(huán)查表耗費(fèi)大量時(shí)間， 利用其CAPINT1捕獲公共同步信號， 每隔3.3ms 向DS申請中斷。 在中斷服務(wù)子程序中完成交點(diǎn)的計(jì)算程序得到觸發(fā)角對應(yīng)的定時(shí)值 ,并啟動計(jì)數(shù)器。 在余弦交點(diǎn)法的原理中用直線代替余弦波和電壓基準(zhǔn)波， 可以得到下面的圖形 ,如圖2所示 .

圖2:近似直線的同步波形和基準(zhǔn)波形。

波形簡化后，以基準(zhǔn)電壓正相過零點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。 設(shè)同步波的幅值為1, 基準(zhǔn)電壓波的幅值范圍為 [-1,+1].要輸出的電壓幅值和頻率給定后， 其波形的斜率為4rf, 同步波頻率不變 , 它的斜率是固定的200. 已知O點(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)P點(diǎn)的瞬時(shí)值分別為x,y, 則解直線方程組：

y=4rf (1)

y=200t+b (2)

可以求得 y=(50xrf)/(50rf)

ta=(1-y)/200

式中 ta 為延遲角 a 對應(yīng)的時(shí)刻。 將 DSP 的 TPINT1 周期設(shè)置為 Tmin=20/29ms 用來表示最小的定時(shí)單位 ta 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的定時(shí)量。 在 TPINT1 中斷中 , 給各個(gè)定時(shí)變量進(jìn)行減計(jì)數(shù)操作。 當(dāng)減計(jì)數(shù)值到零時(shí)， 立即根據(jù)波頭值觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。具體實(shí)現(xiàn)可見參考文獻(xiàn)。