TMS320F2812在三相整流器中的应用

 

　　电力电子装置在电力系统中的广泛应用，给公用电网造成了严重的谐波污染。交直变换在整个电力电子装置中所占的比例很大，绝大多数dc电源都需要通过ac电源进行整流来获取。目前，常规的整流装置采用二极管或晶闸管相控整流，但是这些整流装置存在功率因数低，交流侧波形畸变严重等缺点。自从20世纪80年代后期开始将pwm技术引入整流器控制中，这种高功率因数pwm整流器技术成为国内外研究的热点。

　　本文在分析了电压空间矢量控制原理的基础上，提出了一种便于数字实现的控制算法。该算法采用输入电压空间矢量定向，直接计算空间电压矢量的位置和作用时间，同时利用数字信号处理器（DSP）来实现三相PWM整流器空间矢量的全数字控制。本文介绍了其系统组成及控制原理，给出了实验波形。

　　1 空间矢量脉宽调制原理

　　图l是三相电压型整流器（VSR）的主电路拓扑结构，该结构与三相逆变器拓扑结构非常相似，因而可以把3个电感L和电网输入整体看作是一个交流电机模型，并把类似于三相交流电机的空间矢量控制方法用到三相VSR的控制中来。

　　设电网的三相电压分别为：

  

　　那么，根据定义的开关函数，其空间矢量共有8种工作状态：（000）、（001）、（010）、（011）、（100）、 （101）、 （110）、 （111），即V0~V7.电压空间矢量的分布位置如图2所示。事实上，空间矢量PWM控制就是通过分配电压空问矢量（尤其是零矢量）的作用时间，以终形成等幅不等宽的PWM脉冲波，从而实现追踪磁通的圆形轨迹。

　　脉冲宽度调制（PWM），是英文"PulseWidthModulation"的缩写，简称脉宽调制，是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

　　现以图2中的V*矢量所处的位置为例，产生PWM输出的一个简便方式就是利用扇区I的相邻矢量V4和V6,使其各自工作部分时间，从而使平均输出满足参考矢量的要求。

　　2 SVPWM的实现

　　空间矢量脉宽调制（SpaceVectorPulseWidthModulation）SVPWM的主要思想是：以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。

　　实现三相电压型整流器的SVPWM调制时，一般应先计算电压空间矢量V*:再判断V所在的扇区；然后根据扇区分配矢量与作用时间来生成三相PWM信号。

　　计算合成电压矢量V*可根据前面的分析来进行。而对于扇区的确定，则应计算电压合成空间矢量的区间号N,为此，可定义一种新的二相到三相的变换，其中uα、uβ为空间矢量V*在α、β轴上的坐标值。其变换如下：

   

　　若：A>0,则X=l,否则X=O;

　　B>0,则Y=1,否则Y=0:

　　C>0,则Z=1,否则Z=0;

　　设N=X+2Y+4Z,那么：

　　若N=3,则V*位于图2中的I扇区：

　　N=1,则V*位于图2中的II扇区：

　　N=5,则V*位于图2中的III扇区：

　　N=4,则V*位于图2中的IV扇区：

　　N=6,则V*位于图2中的V扇区：

　　N=2,则V*位于图2中的VI扇区。

　　3 各矢量作用时间的计算

　　根据参考电压，可直接计算空间矢量在各扇区的工作时间。若以图2所示的位置为例，则参考电压V*可由其所在扇区的两个相邻矢量V4和V6合成。即：

   

　　式中，t4、t6分别为矢量V4、V6的作用时间；T0为采样周期的一半，即Ts/2;V*cosθ为参考电压在α轴的分量；V*sinθ为参考电压在β轴的分量。

　　化简上式得：

   

　　根据等式两端虚部与虚部相等，实部与实部相等的原则，可以得出t4与t6的值：

   

　　依据同样的方法，便可以求得其他扇区内的矢量安排时间，为便于观察运用，在此定义三个量T1、T2、T3:

   

　　对于不同的扇区，Tx、Ty可按表l所列来进行取值。Tx、Ty赋值后，还要对其进行饱和判断。若Tx+Ty>T,则取：

　　Tx=TxT/（Tx+Ty）

　　Ty=T2T/（Tx+Ty）

　　4 控制系统的设计

　　控制电路是该整流电路的重要部分，控制电路品质的优劣直接影响本整流电路的性能。三相电压型整流器控制系统通常采用双闭环控制结构。它在电压外环控制直流侧电压，并给电流内环提供指令电流；而电流内环则根据指令电流进行电流快速跟踪控制。电流参与控制提高了整个系统的动态响应能力，同时具有电流控制高、限流容易等优点。图3所示为三相PWM整流器的双闭环控制原理。

　　笔者在基于理论分析的基础上，设计了一个功率为1 kW的三相可逆整流装置。该装置的交流侧采用三相电压输入，每相50 V/50 Hz,电感为12 mH.直流侧参数为：负载50 Ω、输出直流电压150 V,电容2200μF.图4给出了阻性满载、半载、轻载情况下的三相输入电流及输入电压的波形图。

　　5 结束语

　　根据本文的分析和实验波形，可以得出以下结论：

　　（1）随着负载变轻，系统的功率因数相应的降低了。

　　（2）在负载变轻的同时，输入电流的THD也随之增加了，说明系统的电流跟踪效果变差了。

　　（3）从实验数据看出，系统在重载工作时效率较高。而随着负载的减轻，系统的效率也下降。这是因为电路存在固有损耗，轻载时固有损

　　耗所占的比重较大，所以效率较低。而加载后，其所占比重逐渐减小，所以效率也相应的增加。