基于DSP控制的25Hz逆變電源抗負(fù)荷沖擊策略??

摘要：提出了一種數(shù)字控制25Hz逆變器抗沖擊負(fù)荷的保護(hù)策略，通過(guò)計(jì)算等效輸出阻抗的方法，對(duì)逆變器起到了有效的保護(hù)作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并給出了實(shí)驗(yàn)波形。

關(guān)鍵詞：逆變器；沖擊負(fù)荷；數(shù)字信號(hào)處理器

0??? 引言

??? 25Hz逆變電源是鐵路區(qū)段信號(hào)中的供電設(shè)備，分別向軌道回路和局部回路供電。由于它是整個(gè)鐵路區(qū)段中的關(guān)鍵設(shè)備，因而在電壓穩(wěn)定度、波形畸變以及可靠性上有非常嚴(yán)格的要求。特別是在可靠性上，它要求在負(fù)載過(guò)載、變壓器接入、負(fù)載短路這樣的沖擊情況下都不應(yīng)造成設(shè)備的損壞，并要求能夠承受長(zhǎng)期短路這樣的極端故障。但是，由于功率半導(dǎo)體器件的過(guò)載能力差，當(dāng)負(fù)載短路或者接入變壓器這樣的沖擊性負(fù)荷的時(shí)候，必將導(dǎo)致器件的損壞。因而，對(duì)接入沖擊性負(fù)荷時(shí)進(jìn)行保護(hù)是必不可少的。

??? 基于傳統(tǒng)模擬保護(hù)方法的不足，本文提出了一種通過(guò)計(jì)算等效輸出阻抗來(lái)對(duì)沖擊負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)的策略，依靠DSP控制的靈活性，能夠?qū)Χ搪贰⒆儔浩鹘尤胍约斑^(guò)載等進(jìn)行不同程度的保護(hù)，并能承受長(zhǎng)期短路這樣的故障，實(shí)驗(yàn)證明它是一種有效的保護(hù)策略。

1??? 傳統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊策略

??? 單相逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制電路根據(jù)輸出電壓和電感電流，來(lái)控制功率器件的開(kāi)通與關(guān)斷，輸出電壓經(jīng)過(guò)一級(jí)LC濾波以后，就得到了高質(zhì)量的正弦波。

圖1??? 單相SPWM逆變器主電路原理圖

??? 傳統(tǒng)的保護(hù)策略有如下幾種。

1.1??? 降低輸出電壓

??? 降壓方法是在檢測(cè)到輸出過(guò)載電流以后，立即將電壓的參考值拉低，這樣，便軟化了沖擊電流。由于電路檢測(cè)的是電流的瞬時(shí)值，因而電路響應(yīng)快，能對(duì)惡劣的電流沖擊進(jìn)行有效的保護(hù)。當(dāng)沖擊消失時(shí)，電路又能自行恢復(fù)正常的輸出電壓。

??? 但是，由于降壓電路是事先設(shè)計(jì)好降壓值的，為了適應(yīng)大的沖擊，必須將設(shè)定值定得很低，對(duì)輕度過(guò)載情況而言，這種保護(hù)是過(guò)度的。而對(duì)于像短路這樣的沖擊，這種方法又起不到有效的保護(hù)作用。

1.2??? 加入滯環(huán)的瞬時(shí)值限流電路

??? 這種方法是當(dāng)檢測(cè)到輸出電流超出設(shè)定值I1時(shí)，就封鎖開(kāi)關(guān)管的門(mén)極信號(hào)，迫使電流下降，當(dāng)電流下降到另一設(shè)定值I2時(shí)，便把封鎖信號(hào)撤掉，讓電路繼續(xù)正常工作，當(dāng)電流再次超過(guò)設(shè)定值I1時(shí)，便再次加入封鎖信號(hào)，如此重復(fù)進(jìn)行。實(shí)際上這就是將輸出電流通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)控制封鎖信號(hào)。相對(duì)降壓電路來(lái)講，它能夠根據(jù)不同的沖擊使電壓下降到適宜的程度，而且，它可以對(duì)短路等大沖擊起到有效的保護(hù)作用。

??? 由于滯環(huán)比較器的開(kāi)通和封鎖工作在高頻狀態(tài)，因此，這種方法將有可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的超高頻工作，這對(duì)于開(kāi)關(guān)器件來(lái)說(shuō)是相當(dāng)危險(xiǎn)的，當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)期短路這樣的故障時(shí)，這種方法就不能對(duì)設(shè)備起到有效的保護(hù)作用。

2??? DSP控制的短路保護(hù)策略

??? 隨著高速數(shù)字處理器DSP的問(wèn)世，傳統(tǒng)的模擬控制逐漸被數(shù)字控制所替代。由于DSP的易調(diào)試性和靈活的控制能力，可以使限流、短路保護(hù)做得更加可靠，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2.1??? 系統(tǒng)對(duì)短路保護(hù)的要求和分析

??? 為保證25Hz逆變電源的可靠性，合理的保護(hù)控制需要符合以下幾點(diǎn)要求：

??? ——過(guò)載時(shí)不能使輸出電壓變?yōu)榱悖荒苓m當(dāng)?shù)叵拗疲?

??? ——輸出短路時(shí)能及時(shí)切斷輸出電壓，并能承受長(zhǎng)期短路故障；

??? ——當(dāng)輸出接入變壓器時(shí)，不應(yīng)該對(duì)輸出電壓造成過(guò)大的影響；

??? ——當(dāng)過(guò)載或短路故障解除時(shí)，設(shè)備應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。

??? 在實(shí)際電路中，短路情況可以相當(dāng)于接入了一個(gè)非常重的負(fù)載，若對(duì)于純阻性負(fù)載而言，即負(fù)載電阻R非常小，因而，對(duì)于過(guò)載和短路便可根據(jù)R的大小來(lái)區(qū)分，在DSP程序中就可以通過(guò)計(jì)算等效輸出阻抗來(lái)正確判斷。這樣，對(duì)于上述要求，便是要輸出電壓符合圖2的曲線便可。圖2中，Vnom為正常輸出電壓，Rnom為額定負(fù)載。當(dāng)過(guò)載時(shí)，電壓適當(dāng)下降，而負(fù)載短路時(shí)，則將電壓限到一個(gè)極低值，以保證設(shè)備的安全。

圖2??? 不同負(fù)載時(shí)輸出電壓變化曲線

2.2??? 控制策略

??? 基于上述分析，系統(tǒng)在過(guò)流、短路、變壓器接入時(shí)電路應(yīng)該有相應(yīng)的保護(hù)，因而，DSP必須對(duì)這3種情況加以區(qū)別，采取不同的保護(hù)措施。對(duì)于正弦波輸出電壓而言，過(guò)載情況只能通過(guò)檢測(cè)輸出電流在一個(gè)周波內(nèi)的有效值才能確定，并且，短時(shí)間的過(guò)載也是允許的，不應(yīng)該對(duì)輸出有所影響。而負(fù)載短路這樣的情況是要求逆變器能迅速作出反應(yīng)的。基于此，程序在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期檢測(cè)輸出電流值，判斷是否短路，而在每個(gè)工頻周期計(jì)算輸出電流的有效值，判斷輸出是否過(guò)載。

??? DSP在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中斷時(shí)對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值Ilim時(shí)，便是負(fù)載短路或者負(fù)載端接入了變壓器，程序便通過(guò)限制開(kāi)關(guān)管的門(mén)極信號(hào)，保證輸出電流小于Ilim。由于此時(shí)對(duì)于負(fù)載是短路還是變壓器接入這兩種情況無(wú)法區(qū)分，因而，在前幾次檢測(cè)到?jīng)_擊時(shí)需再次恢復(fù)門(mén)極重試，以保證變壓器接入之后輸出沒(méi)有大的反應(yīng)。當(dāng)進(jìn)行幾次重試后，若輸出電流還是超過(guò)Ilim，便是負(fù)載短路的情況，不再重試。當(dāng)接入的是變壓器時(shí)，只是在接入瞬間才有電流過(guò)沖，幾次重試后逆變器便重新正常工作了，不會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生非常大的影響。

??? 在每一個(gè)工頻周期中，程序計(jì)算輸出電流的有效值，當(dāng)輸出電流的有效值超過(guò)額定值的120％時(shí)，便屬于過(guò)載情況。當(dāng)判斷到過(guò)載的時(shí)間超過(guò)設(shè)定值（10s），便根據(jù)過(guò)載的情況適當(dāng)?shù)亟档洼敵鲭妷海^(guò)載越嚴(yán)重，電壓下降越低。整個(gè)控制策略的流程如圖3所示。

圖3??? DSP控制流程圖

2.3??? 故障解除后的自動(dòng)恢復(fù)

??? 當(dāng)故障解除后，系統(tǒng)應(yīng)該在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。通過(guò)檢測(cè)輸出電流有效值和輸出電壓有效值可以正確地判斷出負(fù)載的情況。當(dāng)短路故障或過(guò)載故障解除后，DSP通過(guò)計(jì)算輸出電壓有效值與電流有效值之比得出負(fù)載的等效阻抗，若發(fā)現(xiàn)故障已經(jīng)解除，便恢復(fù)開(kāi)關(guān)管的門(mén)極信號(hào)，逆變器便重新恢復(fù)工作，而無(wú)須人工恢復(fù)。

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 上述策略在一臺(tái)25Hz/1kVA逆變電源上得到了驗(yàn)證。逆變電源的參數(shù)如下：輸入市電220V/50Hz，輸出電壓分兩路，一路為軌道電源，輸出220V/25Hz，另一路為局部電源，輸出110V/25Hz，兩路電壓相位相差90°，局部超前軌道。本文以局部電壓為例，其輸出濾波電感為4mH，輸出濾波電容為5μF。DSP控制器采用的是TI公司的TMS320F241。電流使用霍爾器件進(jìn)行采樣，以提高響應(yīng)速度。

??? 圖4（a）為過(guò)載10s以后的電壓和電流波形，圖4（b）為過(guò)載消失后逆變器恢復(fù)正常工作的波形。從圖4中可以看出，當(dāng)負(fù)載過(guò)載時(shí)，輸出電壓只是適當(dāng)降低，并沒(méi)有完全切斷輸出。

（a）??? 輸出過(guò)載時(shí)的電壓電流波形

（b）??? 過(guò)載解除后的電壓電流波形

圖4??? 過(guò)載時(shí)的波形

??? 圖5（a）為負(fù)載短路時(shí)電壓和電流波形，當(dāng)DSP檢測(cè)到輸出電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，便立即將輸出電流限到安全值，為了適應(yīng)變壓器接入的情況，進(jìn)行了4次重試，從圖5中可以看出，通過(guò)限流保護(hù)，輸出電流已經(jīng)限到了設(shè)備工作的安全值以下，使得設(shè)備能夠承受長(zhǎng)期短路的情況。圖5（b）為短路切除以后輸出電壓電流恢復(fù)的波形。

（a）??? 輸出短路時(shí)的電壓電流波形

（b）??? 短路解除后的電壓電流波形

圖5??? 短路時(shí)的波形

??? 圖6是接入變壓器之后輸出電壓波形，從波形上可以看出，輸出電壓只是有了短暫的跳動(dòng)，能夠迅速恢復(fù)正常，并不會(huì)對(duì)整個(gè)輸出造成惡劣的影響。

圖6??? 變壓器接入時(shí)的輸出電壓波形

4??? 結(jié)語(yǔ)

??? 本文提出的基于DSP的25Hz逆變電源抗沖擊負(fù)荷保護(hù)策略，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明是一種良好的保護(hù)方法，通過(guò)計(jì)算等效輸出阻抗來(lái)對(duì)設(shè)備作相應(yīng)的保護(hù)，可以使系統(tǒng)能夠承受惡劣的故障情況，并能在故障解除后自行恢復(fù)。這一策略可以普遍應(yīng)用到逆變器的抗沖擊保護(hù)中。