全數(shù)字單相三電平整流器控制電路設(shè)計(jì)

摘要：三電平整流器由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多的重視。介紹了三電平橋式整流器的工作原理，并用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，說明了全數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論研究的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；三電平；PWM整流器；功率因數(shù)校正

0??? 引言

??? 三電平（ThreeLevel，TL）整流器是一種可用于高壓大功率的PWM整流器，具有功率因數(shù)接近1，且開關(guān)電壓應(yīng)力比兩電平減小一半的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]及[2]提到一種三電平Boost電路，用于對(duì)整流橋進(jìn)行功率因數(shù)校正，但由于二極管整流電路的不可逆性，無法實(shí)現(xiàn)功率流的雙向流動(dòng)。文獻(xiàn)[3]，[4]及[5]提到了幾種三電平PWM整流器，盡管實(shí)現(xiàn)了三電平，但開關(guān)管上電壓應(yīng)力減少一半的優(yōu)點(diǎn)沒有實(shí)現(xiàn)。三電平整流器盡管比兩電平整流器開關(guān)數(shù)量多，控制復(fù)雜，但其具有兩電平整流器所不具備的特點(diǎn)：

??? 1）電平數(shù)的增加使之具有更小的直流側(cè)電壓脈動(dòng)和更佳的動(dòng)態(tài)性能，在開關(guān)頻率很低時(shí)，如300～500Hz就能滿足對(duì)電流諧波的要求；

??? 2）電平數(shù)的增加也使電源側(cè)電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數(shù)的增加，正弦性越好，功率因數(shù)更高；

??? 3）開關(guān)的增加也有利于降低開關(guān)管上的電壓壓應(yīng)力，提高裝置工作的穩(wěn)定性，適用于對(duì)電壓要求較高的場(chǎng)合。

1??? TL整流器工作原理

??? TL整流器主電路如圖1所示，由8個(gè)開關(guān)管V₁₁～V₄₂組成三電平橋式電路。假定u₁=u₂=u_d/2，則每只開關(guān)管將承擔(dān)直流側(cè)電壓的一半。

圖1??? TL整流器主電路

??? 以左半橋臂為例，1態(tài)時(shí)，當(dāng)電流i_s為正值時(shí)，電流從A點(diǎn)流經(jīng)VD₁₁及VD₁₂到輸出端；當(dāng)i_s為負(fù)值時(shí)，電流從A點(diǎn)流經(jīng)V₁₁及V₁₂到輸出端，因此，無論i_s為何值，均有u_AG=u_CG=＋u_d/2，D₁防止了電容C₁被V₁₁(VD₁₁)短接。同理，在0態(tài)時(shí)，有u_AG=0；在－1態(tài)時(shí)，有u_AG=u_DG=－u_d/2，D₂防止了電容C₂被V₂₂(VD₂₂)短接。

??? 右半橋臂原理類似，因此A及B端電壓波形如圖2所示，從而在交流側(cè)電壓u_AB上產(chǎn)生五個(gè)電平：＋u_d，＋u_d/2，0，－u_d/2，－u_d。

圖2??? TL整流器波形

??? 每個(gè)半橋均有三種工作狀態(tài)，整個(gè)TL橋共有3²=9個(gè)狀態(tài)。分別如下：????

??? 狀態(tài)0(1,1)??? 開關(guān)管V₁₁，V₁₂，V₃₁，V₃₂開通，變換器交流側(cè)電壓u_AB等于0，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流i_s的大小隨主電路電壓u_s的變化而增加或減小。

??? 狀態(tài)1(1,0)??? 開關(guān)管V₁₁，V₁₂，V₃₂，V₄₁開通，交流側(cè)輸入電壓u_AB等于u_d/2，輸入端電感電壓等于u_s－u₁。電容C₁電壓被正向(或反向)電流充電(u₁<u_s，或放電u_s<u₁)，C₂通過直流側(cè)負(fù)載放電。

??? 狀態(tài)2(1,－1)??? 開關(guān)管V₁₁，V₁₂，V₄₁，V₄₂開通，輸入電壓u_AB=u_d，正向(或反向)電流對(duì)電容C₁及C₂充電(或放電)，由于輸入電感電壓反向，電流i_s逐漸減小。

??? 狀態(tài)3(0,1)??? 開關(guān)管V₁₂，V₂₁，V₃₁，V₃₂開通，交流側(cè)輸入電壓u_AB等于－u_d/2，輸入電感上電壓等于u_s＋u₁。電容電壓被正向(或反向)電流充電(或放電)。

??? 狀態(tài)4(0,0)??? 開關(guān)管V₁₂，V₂₁，V₃₂，V₄₁開通，輸入端電壓為0，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流i_s的大小隨主電路電壓u_s的變化而增加或減小。

??? 狀態(tài)5(0,－1)??? 開關(guān)管V₁₂，V₂₁，V₄₁，V₄₂開通，交流側(cè)電壓為u_d/2，正向(或反向)電流對(duì)電容C₂充電(或放電)，電容C₁通過負(fù)載電流放電。

??? 狀態(tài)6(－1,1)??? 開關(guān)管V₂₁，V₂₂，V₃₁，V₃₂開通，u_AB=－u_d，正向(或反向)線電流對(duì)兩個(gè)電容C₁及C₂充電(或放電)，由于升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加。

??? 狀態(tài)7(－1,0)??? 開關(guān)管V₂₁，V₂₂，V₃₂，V₄₁開通，交流側(cè)電壓電平為－u_d/2，正向(或反向)電流對(duì)電容C₂充電(或放電)，電容C₁通過負(fù)載電流放電。

??? 狀態(tài)8(－1,－1)??? 開關(guān)管V₂₁，V₂₂，V₄₁，V₄₂開通，輸入端電壓為0，升壓電感電壓等于u_s，兩個(gè)電容C₁及C₂均通過負(fù)載電流放電。電流i_s根據(jù)電壓u_s的變化而增加(或減小)。

2??? 硬件電路設(shè)計(jì)

??? 從圖2可以看出，在輸入電壓頻率恒定的情況下，要在變換器交流側(cè)產(chǎn)生一個(gè)三電平電壓波形，輸入電壓一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)定義兩個(gè)操作范圍：區(qū)域1和區(qū)域2，如圖3所示。

圖3??? 工作區(qū)域

??? 在區(qū)域1，電壓大于－u_d/2，并且小于u_d/2，在電壓u_AB上產(chǎn)生三個(gè)電平：－u_d/2，0，u_d/2。同理，在區(qū)域2，電壓絕對(duì)值大于u_d/2，并小于直流側(cè)電壓u_d，在電壓正半周期(或負(fù)半周期)上產(chǎn)生兩個(gè)電平：u_d/2和u_d(或－u_d/2和－u_d)。相應(yīng)電平的工作區(qū)域如表1所列。

表1??? 相應(yīng)電平的工作區(qū)域

??? 為方便控制，這里定義兩個(gè)控制變量S_A及S_B，其中

??? S_A=（1）

??? S_B=（2）

??? 根據(jù)表1可以設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)查詢表，如表2所列，將其存儲(chǔ)在DSP中，當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，便可根據(jù)輸入電壓、電流信號(hào)，從表中查詢所需采取的開關(guān)策略。

表2??? 查詢表

??? 整個(gè)控制系統(tǒng)以一片DSP為核心，控制框圖如圖4所示。

圖4??? 控制框圖

??? 鎖相環(huán)電路產(chǎn)生一個(gè)與電源電壓同相位的單位正弦波形，u_d的采樣信號(hào)通過低速電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，電流i_s的采樣信號(hào)通過高速電流內(nèi)環(huán)G₁進(jìn)行調(diào)節(jié)，電容C₁端直流電壓u₁與電容C₂端直流電壓u₂分別通過兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償環(huán)G₂用于補(bǔ)償兩只電容電壓的不平衡。

??? 檢測(cè)的線電流命令i_s與參考電流i_s^＊比較，產(chǎn)生的電流誤差信號(hào)送至電流內(nèi)環(huán)G₁，以跟蹤電源電流變化，產(chǎn)生的線電流波形將與主電壓同相位。

3??? 軟件設(shè)計(jì)

??? 系統(tǒng)采用兩個(gè)通用定時(shí)器GPT₁及GPT₂來產(chǎn)生周期性的CPU中斷，其中GPT₁用于PWM信號(hào)產(chǎn)生、ADC采樣和高頻電流環(huán)控制(20kHz)，GPT₂用于低頻電壓環(huán)的控制(10kHz)，兩者均采用連續(xù)升/降計(jì)數(shù)模式。低速電壓環(huán)的采樣時(shí)間為100μs，高速電流環(huán)采樣時(shí)間為50μs。中斷屏蔽寄存器IMR，EVIMRA和EVIMRB使GPT₁在下降沿和特定周期產(chǎn)生中斷，GPT₂則僅在下降沿產(chǎn)生中斷。

??? 整個(gè)程序分為主程序模塊、初始化模塊、電流控制環(huán)計(jì)算模塊、電壓控制環(huán)計(jì)算模塊、PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊等五大部份。程序流程如圖5所示。

圖5??? 主程序流程

4??? 仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)

??? 仿真參數(shù)如下：輸入電壓us交流220V，50Hz，

??? 輸出功率1kW，開關(guān)管GTO，開關(guān)頻率500Hz。整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)下電源電壓u_s、電源電流i_s、交流側(cè)電壓u_AB波形分別如圖6及圖7所示。

圖6??? 整流狀態(tài)波形

圖7??? 逆變狀態(tài)波形

??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性，在采用GTO管、開關(guān)頻率較低（500Hz）時(shí)，輸入側(cè)電流波形仍然非常接近正弦，裝置得到了接近1的功率因數(shù)，同時(shí)開關(guān)上的電壓應(yīng)力減少了一半。

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? 采用全數(shù)字控制的三電平PWM整流器將控制系統(tǒng)外圍電路減至最少，在較低成本下可以獲得很高的性能。基于DSP的三電平整流器比傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路動(dòng)態(tài)性能更好，在較低的開關(guān)頻率下就可以獲得比較好的正弦化電流波形，并可用于GTO等開關(guān)器件。如用于高壓、大功率三相電路、VVVF電源、電機(jī)控制等領(lǐng)域，該方案優(yōu)越性更明顯。