基于TMS320F2811的变频器能量回馈系统的设计与实现_简嘉亮

变频与调速基于T M S320F2811的

变频器能量回馈系统的设计与实现

简嘉亮, 肖 兵

(华南理工大学自动化科学与工程学院,广州 510640)

摘 要:介绍了变频调速系统能量回馈原理,运用T I公司高性能数字信号处理器TM S320F2811进行变频器能量回馈系统的设计。对设计方案分硬件设计和软件设计两部分作了介绍。实际应用测试表明,该方法有效地起到了节能作用。

关键词:变频器;能量回馈;空间矢量脉冲宽度调制;数字信号处理器

中图分类号:TN773 文献标识码:A 文章编号:1673 6540(2006)12 0034 06

Desi gn and I mp l e m entation of Invertor Energy

R egeneration Syste m B ased on T M S320F2811

JI AN J ia liang, X I AO B ing

(Co llege ofAuto m ation Science and Eng ineeri n g,Sou t h China University o fTechnology,

Guang zhou510640,Ch i n a)

Abstrac t:It i ntroduced t he ene rgy regenerati on pri nc i p l e o f t he i nvertor syste m,and used t he T I d i g ita l signa l processor TM S320F2811t o desi gn t he i nvertor energy reg enerati on syste m.T he desi gn di v ides into the hardware part and t he so ft w are part.A pplrcati on test sho w ed the m ethod cou l d save ene rgy e ffecti ve ly.

K ey word s:i nvertor;en ergy regen eration;s p ace vector pu lse w i d th m odu l ation;d igita l signal p rocessor

0 引 言

随着交流调速技术的快速发展,变频调速系统广泛应用于工业领域。但是由于受到技术条件的制约,目前大多数变频器不具有能量回馈电网的功能,电机制动时输出的能量通常只能通过制动电阻发热消耗掉,造成了电能的极大浪费。本文提供了一种基于TM S320F2811数字信号处理器的变频器能量回馈系统的设计方案。

1 变频调速系统能量回馈原理

具有能量回馈功能的变频器大都为电压型交 直 交变频器,基本结构如图1所示。

变频器由主电路和控制电路两部分组成。主电路变流器1、变流器2可工作于整流和逆变两种状态;控制电路由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路等构成[1]。主电路的作用是通过整流、储能、平波、逆变等,实现电网侧能量与电机侧能量的交换;控制电路完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制,以及完成

各种保护功能等。

图1 具有回馈功能的变频器结构图

当电机工作于电动状态时,网侧三相交流电经过整流器整流成直流电后,进入中间直流环节滤波;滤波后的直流电再经过逆变器逆变成电机运行所需要频率的三相交流电。在整个过程中,能量都是从电网侧输入,然后传送到电机端。

当电机制动时进入发电状态,能量在主电路

的传输方向发生反转,电能由电机输出进入负载侧变流器2整流,对中间直流环节上的电容器进行充电。随着充电过程的持续,电容两端电压不断上升。当电压上升超过阈值后,直流环节反向网侧变流器1输出能量。在控制电路操控下,网侧变流器1工作于逆变状态,向电网输出回馈电能。

要使变频调速系统工作于能量回馈状态,必须满足以下条件:

(1)网侧端需要采用可控变流器。当电机工作于能量回馈状态时,为了实现电能回馈电网,网侧变流器必须工作于逆变状态,不可控变流器不能实现逆变。

(2)直流母线电压要高于回馈阈值。变频器要向电网回馈能量,直流母线电压值一定要高于回馈阈值,只有这样才能够向电网输出电流。至于阈值设定为多少,则要根据电网电压和变频器耐压性能决定。

(3)回馈电压频率必须和电网电压频率相同。回馈过程中必须严格控制其输出电压频率和电网电压频率相同,避免浪涌冲击。

2 电流矢量电能回馈算法

2.1 三相电压型整流器d q模型

三相电压型整流器(VSR)d q数学模型,就是根据三相VSR拓扑结构,在二相同步旋转坐标系d q中,利用电路基本定律对VSR所建立的一般数学描述[2]。三相VSR拓扑结构如图2所示。图2中:e L为直流电动势;L为网侧滤波电感;

e a(t),e b(t),e c(t)为电网三相电动势;C为直流侧滤波电容;R L为直流侧负载电阻;R s

为功率管

图2 三相V S R拓扑结构图

损耗电阻。

根据电路定律,可得以下方程组:

d u

d t

=-

2

R L C

u+

3

C

e d i d+

3

C

e q i q

d i d

d t

=-

R

L

i d+ i q+

1

L

u d

d i q

d t

=- i q-

R

L

i q+

1

L

u q

(1)

u d=e d-v d;u q=e q-v q

式中:u 直流母线电压;

v d,v q 分别为三相VSR交流侧输出电压

的d q分量。

2.2 电能回馈控制策略

系统采用近年来发展较为成熟的空间矢量脉宽调制(SVP WM)技术[1]进行回馈控制。控制策

略框图如图3所示。

从图3可以看到,系统采用双闭环控制策略

实现回馈电流和直流母线电压控制。因为变频器

最终控制的输出量为电压,所以把电压调节放在

外环。对于电流,要求调节速度快,所以放在调节

更灵敏、响应更快的内环。

图3 能量回馈控制策略框图

2.2.1 电流环

变频器回馈电网的能量分为有功分量和无功分量。无功分量对电网造成污染,应该严格限制其大小,所以系统电流环采用两个控制器分别对无功电流(I D )和有功电流(I Q )进行控制,并通过设定I D 给定值为零减少无功分量。

下面结合图3说明电流环的工作原理:逆变器三相回馈电流检测信号I a 、I b 、I c 经过C lark 变换环节实现三相到二相变换。变换后的二相值I d 、I q 和相位同步模块(PLL )提供的相位值 通过Par k 旋转变换,得到等效直流电流量I D 、I Q 。这两个量就是电流环的反馈量。 经过C lar k 和Par k 两次变换后,系统采用两个PI 调节器分别对I D 和I Q 进行控制。其中,I D *为I D 给定值,设定为0;I Q *为I Q 给定值,其值为

电压调节器输出值。

I D 、I Q 值经过PI 调节器调节后,得到控制量D 和Q 。该两个量加上相位值 经反Par k 变换产生控制量d 、q ,再经过SVP WM 运算后控制逆变器的6个I G B T (绝缘门双极晶体管)工作,输出回馈电压。

2.2.2 电压环

和电流环相比,电压环相对简单。系统检测到的直流母线电压作为反馈量和电压给定值相减后输入到电压调节器进行控制运算,调节器的输出再进入电流内环作为I Q 给定值。

3 能量回馈系统硬件设计

3.1 主电路设计

本系统采用的主电路结构如图4

所示。

图4 主电路结构图

主电路分4部分:网侧电抗器、网侧变流器、直流环节和负载侧变流器。网侧变流器由T1~T66个I G B T 管反向并联D1~D66个二极管构成;中间直流环节为1个大容量电解电容;负载侧变流器和网侧变流器结构相同,也由T1 ~T6 6个I G BT 管反向并联D1 ~D6 6个二极管组成。下面介绍主电路在2种工作状态下的原理。3.1.1 电动状态

主电路在电动状态下,网侧变流器工作于整流状态[2]

。此时T1~T6是升压斩波器[3]

,控制电感L 的充放电,对直流电容充电。整流电压经过直流环节滤波后输入工作于逆变状态的负载侧变流器。在控制电路的控制下,逆变器(T1 ~T6 )按照输出需要导通,为电机提供电能。3.1.2 能量回馈状态

电机制动时,发出的电能通过三相输入线反向输出至负载侧变流器。随着电机能量不断输

入,滤波电容充电,直流母线电压持续上升。当母线电压超过设定的阈值后,控制电路按照回馈算法控制T1~T6管工作,网侧变流器工作于逆变

状态,直流环节储存的能量回馈到电网。3.2 控制器原理

本系统控制器的原理框图如图5所示。其硬件系统主要包括中央控制单元、I GBT 驱动单元、模拟/数字信号采集和输出单元、输出显示和键盘输入单元、反馈信号采集单元、上位机通信单元、稳压电源等。

考虑到矢量控制算法比较复杂,实时性要求很高,而且还包含许多外部信号的输入/输出采样和转换,采用单片控制器完成所有的控制任务比较困难,所以系统采用了双CP U 结构。1片T M S320F2811作为主控制芯片,完成主要控制任务;1片ATm ega128单片机作为辅助芯片,完成显示控制、键盘输入、菜单操作功能等。

图5 控制器原理框图

T M S320F2811是一款高性能、专门用于电机控制的数字信号处理器[4]

,它是系统的控制核心,主要完成各路模拟/数字信号的输入/输出、电机运行反馈参数的采样、实时空间矢量控制运算、逆变器I G BT 芯片的驱动、同单片机系统通信、同上位计算机通信等功能。高性能AVR 单片机ATm ega128和液晶显示屏、键盘等组成一个子系统。其主要任务是快速扫描用户在键盘上输入的控制信息,控制液晶显示屏准确显示系统的运行状态和有关参数,提供友好的操作界面,实现了人 机间的信息交换。变频器的回馈电流、直流母线电压及交流电网电压过零信号,由相应的检测

电路检测后输入主控系统CP U,为系统电流环、电压环提供反馈信号。另外,考虑到系统调试的

需要,在系统中加入了带光电隔离的RS 232接口,实现与上位计算机安全通信。稳定的供电电源是系统可靠运行的关键。系统中采用了技术成熟的开关电源和稳压、滤波电路,把影响系统可靠性的因素减到最少。3.3 检测电路设计

3.3.1 电流检测电路

变频器回馈电流是控制系统电流环的反馈参数。能否快速、准确地测定电流值关系到系统调节的精度。电流检测电路如图6

所示。

图6 电流检测电路

回馈电流值由霍尔传感器检测。检测信号I u

经过运算放大器1进行电流 电压(I V )转换后输出。随后,电压加到运算放大器2的输入端,对电

压进行反相和比例放大。因为T M S320F2811的

A /D 输入电压范围是0~3.3V,所以运算放大器2输出的电压不能直接输入DSP ,还需要经过运

算放大器3进行电平偏移。如图6所示,在运算放大器3的同相输入端叠加了1.65V 的偏压,使得输出电压范围调节成0~3.3V 。3.3.2 电网频率与相位检测电路

电机通过变频器向电网回馈电能时,回馈电压、电流的频率必须和电网供电频率保持一致,这样才能保证电能回馈稳定进行,同时消除对电网造成的谐波污染。电网频率和相位值采用电压过零检测的方法得到。其电路如图7所示。 L M 1815是自适应可变磁阻传感放大器,专门用于信号过零检测。A 相电压信号U A 从I N 端输入,当U A 由正值穿过零点时,OUT 端就输出1个同步的过零检测脉冲。该信号可以用于回馈电压频率控制,当U A 由负值穿过零点时,没有触发脉冲输出。L M 1815还具有自适应功能,能自动

适应输入信号幅值的变化。

图7 电网电压过零检测电路

4 软件结构设计

按功能分,软件系统的设计主要包含电压环PI 模块、无功电流环PI 模块、有功电流环PI 模块、PARK 变换模块、CL ARK 变换模块、PARK 逆变换模块、电流检测模块、空间矢量产生模块、P WM 发生模块、控制单元模块等(见图8)

。

图8 软件模块结构框图

电压环PI 模块主要负责控制变频器直流母

线电压。无功电流环PI 模块、有功电流环PI 模

块完成电流控制。其中无功电流给定值I *

D 设定为0是为了限制回馈到电网的无功功率。PARK 变换模块和PARK 逆变换模块是一对互逆变换,实现电流在二相静止坐标系和二相旋转坐标系之间的变换。CLARK 变换模块也是电流转换模块,负责电流从三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换。电流检测模块用于检测回馈电网的电流。空间矢量产生模块和P WM 发生模块一起作用,输出逆变器工作所需要的P WM 波。控制单元模块根据接收到的P WM 信号控制主电路I GBT 管的导通和关闭,实现电能的回馈。

5 测试结果分析

5.1 测试条件

测试采用单相(A 相)形式。测试条件为:①直流输入为620V,20A;②回馈输出分别为22A 、21A 、19A,385V;③调制度M =0.94;④载波频率f =8kH z ;⑤死区时间t d =2.4 s ;⑥SVP WM 电压相位超前电网电压21 。5.2 测试波形

实际测试波形如图9所示。

5.3 结果分析

实际测试电流波形接近正弦波,在回馈电流为20A 的情况下,电流相位滞后电网电压约为2m s ,转化为角度约等于36 。结果显示,变频器工作于能量回馈状态时,虽然电压和电流相位存在一定的相位误差,但还是符合设计要求。

6 在油田抽油机中的应用

近年来,国家提出了提高能源效率,降低能源

图9 回馈电压、回馈电流测试波形图

系统成本的要求。而在石油开采业吨油成本中,电费支出约占生产成本的三分之一。因此,如何在稳产的基础上节能、增效、降耗显得更为重要。 本变频器的设计特点就是为了更好地节省电能。通过在油田上的实际应用测试,该变频器主要具备以下特点:

①提高油田的产量和泵效 根据油田的实际供液能力,动态调整抽油速度,既节约电能,又增加原油产量;

②功率因素补偿 本变频器能够大大提高电动机功率因素,减轻了电网和变压器的负担,节省了无功损耗的电费;

③对电网和设备无冲击 电机在变频器控制下实现了柔性起动,降低了起动电流对电网的冲击;

④分段转速控制 变频器根据抽油机的 工况,把转速控制细分为上冲程转速控制和下冲程转速控制,从而减少了漏失、提高泵效;

⑤能量回馈 抽油机在负载拖动电动机的转速比变频器输出频率所对应转速高的时候,电动机的再生电能可以回馈电网。

7 结 语

该系统使用了TM S320F2811作为主控制器,实现了SVP WM,控制性能理想;同时还使用了液晶显示屏,给使用者提供了一个友好的操作界面。总的来说,系统性能良好、操作简单、界面友好。

【参考文献】

[1] 韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业

出版社,2004.

[2] 张崇巍.P WM整流器及其控制[M].北京:机械工

业出版社,2003.

[3] BI MA L K B.现代电力电子学与交流传动[M].王

聪,赵金,于庆广,等,译.北京:机械工业出版社,

2005.

[4] 苏奎峰,吕强,耿庆锋,等.TM S320F2812原理与开

发[M].北京:电子工业出版社,2005.

[5] TEXA S I N S TRUMENTS.TM S320F2810,TM S320F2811,

TM S320F2812,TM S320C2810,T M S320C2811,

TM S320C2812D i g ital si gnal processors data manual[R].

2005.

收稿日期:2006 05 11

新型太阳能发电机即将问世

美国华盛顿Infinia公司正在开发一种 锅盖形状 的太阳能发电机。今年底,Infinia公司将完成最后的设计,预计到2008年该太阳能发电机即可投入商用。

与其他太阳能发电技术公司不同的是,Infinia公司使用了类似卫星电视天线样的碟形 锅盖 来搜集太阳热能,而其他公司多半使用方形的太阳能面板。I n fi n ia公司声称,在吸收热能方面,碟形设计比传统的太阳能面板更有效。

除Infinia公司外,其他几家美国公司也正致力于太阳能发电机的研究工作:如斯特林能源系统公司正在加州沙漠中建造太阳能发电站,且该公司已经与加州电力供应部门签订了供电合同。

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