基于TMS320F2811的变频器能量回馈系统的设计与实现

电压调节器输出值。 ! # 值经过 +- 调节器调节后， 得到控制量 !" 、 " 和 #。该两个量加上相位值 ! 经反 +()* 变换产 生控制量 ’、 (， 再经过 /0+12 运算后控制逆变器 的 3 个 -456 （ 绝缘门双极晶体管） 工作， 输出回馈 电压。 ! ) ! ) !$ 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 ! # 给定值。
。主电路
《 电机与控制应用》 !//0 ， ## （ "! ）
基于 1-&#!/2!3"" 的变频器能量回馈系统的设计与实现
的传输方向发生反转， 电能由电机输出进入负载 侧变流器 ! 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 " 输出能量。在控制电路操控下， 网 侧变流器 " 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： （" ） 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。 （! ） 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。 （# ） 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。 损耗电阻。 $ $ 根据电路定律， 可得以下方程组： *, - . ! , / # $ 0 / # $ 0 +( * * ! ! * # # *’ *0 ! " + - . 0 ! / !0 # / , ! * ’ % % *0 # - . !0 . + 0 / " , # *’ % # % # , ! - $! . 1! ； , # - $# . 1# 式中： ,— — —直流母线电压； 1# — — —分别为三相 %&’ 交流侧输出电压 1! ， 的 !"# 分量。 ! 2 !$ 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
*+,-./ 0/1 2345+3+/606-7/ 78 2/9+:67: ;/+:.< =+.+/+:06-7/ #<,6+3 >0,+1 7/ !"#$%&’%())
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［ +］
的作用是通过整流、 储能、 平波、 逆变等， 实现电网 — &2 —万方数据
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! ! 摘! 要：介绍了变频调速系统能量回馈原理， 运用 "# 公司高性能数字信号处理器 "$%&’()’*++ 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：",--&! 文献标识码： .! 文章编号： +/-&0/12( （ ’((/ ） +’0((&20(/
(! 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 "$%&’()’*++ 数字信号处理 器的变频器能量回馈系统的设计方案。
! ! ?@,6:0A6：#: =>:B4@9?6@ :C6 6>6B7G B676>6B<:=4> JB=>?=J56 48 :C6 =>E6B:4B FGF:6;，<>@ 9F6@ :C6 "# @=7=:<5 F=7><5 JB4?6FF4B "$%&’()’*++ :4 @6F=7> :C6 =>E6B:4B 6>6B7G B676>6B<:=4> FGF:6;K "C6 @6F=7> @=E=@6F =>:4 :C6 C<B@L<B6 J<B: <>@ :C6 F48:L<B6 J<B:K .JJ5B?<:=4> :6F: FC4L6@ :C6 ;6:C4@ ?495@ F<E6 6>6B7G 6886?:=E65GK B+< C7:1,： -/9+:67:； +/+:.< :+.+/+:06-7/； ,40A+ 9+A67: 4D5,+ C-16E 371D506-7/； 1-.-605 ,-./05 4:7A+,,7:
%$ 能量回馈系统硬件设计
! " "# 主电路设计 本系统采用的主电路结构如图 7 所示。
图 7$ 主电路结构图
$ $ 主电路分 7 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 6# 8 63 3 个 -456 管反向并联 9# 8 93 3 个二极管构 成； 中间直流环节为 # 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 6#: 8 63: 3 个-456 管反向并联 9#: 8 93: 3 个二极管组成。 下面介绍主电路在 ! 种工作状态下的原理。 %" #" #$ 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
， 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 ./0# 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 123 单 片 机 1#4567+’* 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8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
［ !］
略框图如图 # 所示。 $ $ 从图 # 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。
。三相 %&’ 拓扑结构如图 ! 所示。
图 ! 中： $ ( 为 直 流 电 动 势； % 为 网 侧 滤 波 电 感； ， $（ ， $（ 为电网三相电动势； * 为直流 $（ & ’） ( ’） ) ’） 侧滤波电容； + ( 为直流侧负载电阻； + ) 为功率管
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简嘉亮， ! 肖! 兵 （ 华南理工大学自动化科学与工程学院， 广州! "#$%&$ ）
图 #$ 能量回馈控制策略框图
万方数据
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!" !" #$ 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 （ !" ） 和有功电流 （ !# ） 进行控制， 并通过 设定 ! " 给定值为零减少无功分量。 下面结合图 % 说明电流环的工作原理： !% 、 ! & 经过 逆变器三相回馈电流检测信号 ! $ 、 &’()* 变换环节实现三相到二相变换。变换后的 ! ( 和相位同步模块 （ +,, ） 提供的相位 二相值 ! ’ 、 值 ! 通过 +()* 旋 转 变 换， 得到等效直流电流量 ! # 。这两个量就是电流环的反馈量。 !" 、 $ $ 经过 &’()* 和 +()* 两次变换后， 系统采用两 ! "! 个 +- 调节器分别对 ! " 和 ! # 进行控制。其中， 为 ! " 给定值， 设定为 . ； ! # ! 为 ! # 给定值， 其值为
［ !］
入， 滤波电容充电， 直流母线电ห้องสมุดไป่ตู้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 6# 8 63 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。 ! " $# 控制器原理 本系统控制器的原理框图如图 ; 所示。其硬 件系统主要包括中央控制单元、 -456 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 &+= 结 构。 # 片 62/%!.>!?## 作为主控制芯片， 完成主要控制任 务； # 片 @6ABC(#!? 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。