1 引言

近年來(lái)。隨著電力系統(tǒng)中非線(xiàn)性用電設(shè)備，特別足電力電子裝置應(yīng)用的日益廣泛．而人多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)較低（如：相控整流器），工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無(wú)功功率，也給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)，并影響供電質(zhì)量。因此提高功率因數(shù)己成為電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大課題．正在受到越來(lái)越多的關(guān)注．80年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及瞬時(shí)尤功功率理論的提出。一種更為先進(jìn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了，這就是采用自換相變流電路的新型靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）。本文主要介紹了SVG系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

SVG裝置的硬件設(shè)計(jì)包括主電路和控制電路的設(shè)計(jì)。主電路硬件包括格流電路、直流電容、逆變電路及其緩沖電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)控制電路、保護(hù)電路等?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)巾詳細(xì)闡述了OSP中用于SVG控制回路的各外設(shè)功能模塊。

2 IPM逆變電路的設(shè)計(jì)

2．1 IPM緩沖電路的設(shè)計(jì)

IPM緩沖電路七要用以控制關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓。緩沖電路類(lèi)型和所需要元件主要決定于功率電路的布局結(jié)構(gòu)，另外，為給定應(yīng)用電路選擇最好的緩沖電路時(shí)，成本和工作頻率這些因素必須考慮。圖1為IPM通用緩沖電路。

IPM緩沖電路和傳統(tǒng)的雙極品體管緩沖電路在兩個(gè)方面有區(qū)別．第一，IGBT具有強(qiáng)大的開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)。緩沖電路只需控制瞬態(tài)電壓。第二，IGBT工作于比達(dá)林頓管高得多的頻率范圍。在每次開(kāi)關(guān)循環(huán)巾緩沖電路都要通過(guò)IGBT器件放電，這樣損耗的功率較大。

圖1 IPM通用緩沖電路

2．2驅(qū)動(dòng)控制電路

驅(qū)動(dòng)控制電路豐要針對(duì)的是DSP控制系統(tǒng)的弱電控制部分，其任務(wù)是：將DSP輸出的0～3．3 V的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～15V的1GBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低有效。由于模塊要直接和配電系統(tǒng)相連，因此必須利用隔離器件將模塊和控制部分的弱電電路隔離開(kāi)來(lái)，以保護(hù)DSI‘控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，最好的隔離元器件是光電耦合器，由于PWM波的頻率高，對(duì)光耦的要求也較高，光耦的參數(shù)必須滿(mǎn)足Tphl Tplh和Ucm=1500v時(shí)共模抑制比CMR》10kV/μs兩個(gè)條件。根據(jù)市場(chǎng)的供貨情況選用HP公司的光耦HCPL4504。

TMS320I，F(xiàn)2407A的PWM口驅(qū)動(dòng)電流6mA，而HCPL4504發(fā)光二極管導(dǎo)通的額定電流為25mA，所以光耦前須加驅(qū)動(dòng)電路。通常有兩種方法驅(qū)動(dòng)光耦合器中的發(fā)光二極管，第一種方法采用二極管，第二種采用圖騰柱輸出IC。本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)騰柱輸出IC GD4069與光耦HCPL4504連接的方法，如圖2所示。

圖2光耦合器與其驅(qū)動(dòng)lc連接原理圖

2．3驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

IPM要正常工作，至少需要4路相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源給IPM的驅(qū)動(dòng)電路供電。u、v、w三相的上橋臂各1路．U、V、W的下橋臂共用l路，所以要4路相瓦獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，要求供電電壓15V，電源電壓在13．5V～16．5V的范圍內(nèi)。本義中選用專(zhuān)為設(shè)汁逆變裝置面義使用IPM的嵌入式系統(tǒng)級(jí)開(kāi)關(guān)電源Jsl58。具有9路輸出，8路隔離輸出。電流強(qiáng)勁，輸入電瓜范嗣寬，保護(hù)全等優(yōu)點(diǎn)。

3 控制電路設(shè)計(jì)

3．1 DSP用于SVG控制fiiI路的外設(shè)功能模塊

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）

ADC模塊的作用是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)（模擬量）進(jìn)行采集，并將其轉(zhuǎn)換為DSP能夠識(shí)別和處理的數(shù)字量。該模塊具有16路模擬輸入通道（ADCINO。ADCIN 15），并帶內(nèi)置采樣和保持的（S／H）10位的A／D轉(zhuǎn)換器，最小模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns。

ADC轉(zhuǎn)換可由軟件、內(nèi)部事件或外部事件啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果自動(dòng)存放在16個(gè)可單獨(dú)訪(fǎng)問(wèn)的結(jié)果寄存器（RESULTO～RESULTl5）中，等待DSP讀取后作相應(yīng)的問(wèn)應(yīng)。通道0的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在RESULTO中，通道1的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在RESULT1中，依次類(lèi)推。

2、事件管理器EV中的捕獲單元

捕獲單元足事件管理器Ev的一部分，每個(gè)Ev有3個(gè)捕獲單元。當(dāng)捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時(shí)捕獲單元被觸發(fā)，可利用它的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)追蹤系統(tǒng)頻率，方法是捕捉系統(tǒng)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，因此需要把系統(tǒng)信號(hào)（正弦波）轉(zhuǎn)換為方波后再接入捕獲引腳。

捕獲單元的工作過(guò)程為：當(dāng)捕獲輸入引腳CAPx上檢測(cè)到所選的跳變時(shí)，所選的GP定時(shí)器的計(jì)數(shù)值被捕獲并存放糾一個(gè)FIFO堆棧中。與此同時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位被置位．外設(shè)中斷將產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，如果使用了捕獲中斷．則可以從中斷服務(wù)子程序中湊取捕獲刨的計(jì)數(shù)值。如果沒(méi)有使用中斷，也可以通過(guò)查詢(xún)中斷標(biāo)志位和FIFO堆棧的狀態(tài)位來(lái)確定足否發(fā)生了捕獲事件，若已發(fā)生，則可以從相應(yīng)的FIFO堆棧中讀取捕獲到的計(jì)數(shù)值。

3、事件管理器EV中的比較單元

SVG中的SPWM波形的輸出主要靠2407的事件管理器中的比較單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。事件管理器EVA模塊巾有3個(gè)全比較單元（比較單元l，2和3）EVB模塊中同樣也有3個(gè)全比較單元，且每個(gè)比較單元都有兩個(gè)相關(guān)的PWM輸出引腳．和捕獲單元一樣，比較單元的計(jì)時(shí)時(shí)基也由通用定時(shí)器GP提供。

比較單元的結(jié)構(gòu)樁圖如圖3所示，圖中的PWM電路包括非對(duì)稱(chēng)/對(duì)稱(chēng)波形發(fā)生器和可編程的死區(qū)單元。其工作過(guò)程為：通用定時(shí)器GP的計(jì)數(shù)器不斷與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)生比較匹配時(shí)，比較單元的兩個(gè)輸出引腳將根據(jù)比較方式控制寄存器ACTRx的設(shè)置進(jìn)行跳變。并且，如果中斷不被屏蔽。將產(chǎn)生一個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。

圖3 比較單元的結(jié)構(gòu)框網(wǎng)

4、串行通信接口模塊（SCI）

串行通信接口SCI模塊支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外沒(méi)之間的數(shù)字通信。2407與其它外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過(guò)程為：DSP向外設(shè)傳送數(shù)據(jù)時(shí)．先把數(shù)據(jù)送SCI模塊，再經(jīng)SCI的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳傳遞到外設(shè)的接收數(shù)據(jù)引腳：DSP由外設(shè)接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)由外設(shè)的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳傳遞至SCI的接收數(shù)據(jù)引腳．存放在SCI模塊中，然后DSP再?gòu)脑撃K中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3．2 采樣信號(hào)預(yù)處理裝置

2407 DSP的工作電壓為+3.3V，故接入其引腳的信號(hào)電壓也不能超過(guò)3.3V且其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的基準(zhǔn)電壓范圍為0～+3.3V，是單極性的。而在實(shí)驗(yàn)室條件下，來(lái)自電壓互感器和電流互感器二次側(cè)的電壓和電流分別為0～1OOV和0-5A，且為交流電，故信號(hào)需先接入一個(gè)信號(hào)預(yù)處理裝置，經(jīng)處理達(dá)到2407要求的數(shù)值范圍后冉接人其ADCIN引腳。

3．3 電網(wǎng)頻率跟蹤模塊

系統(tǒng)電瓜雖然一般為50Hz，但也會(huì)上下波動(dòng)。為了使SVC產(chǎn)牛的附加電壓頻率和系統(tǒng)電瓜頻率保持一致，必須進(jìn)行電網(wǎng)頻率跟蹤。

測(cè)量電網(wǎng)頻率的方法是把系統(tǒng)電壓（正弦波）通過(guò)一個(gè)方波轉(zhuǎn)換電路變成與之同周期的同步方波信號(hào)，然后測(cè)量其兩個(gè)相鄰上升沿之間的時(shí)間間隔就可得到此方波信號(hào)也就是系統(tǒng)電壓的周期。同步信號(hào)產(chǎn)生電路如圖4所示。

圖4同步信號(hào)產(chǎn)牛電路

圖5過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路

4 系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

雖然在IPM內(nèi)部已設(shè)有過(guò)流、過(guò)壓等保護(hù)，但是為了提高系統(tǒng)的可靠性及更好的保護(hù)1GBT管，仍須設(shè)置一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止符種故障的發(fā)生。本文就設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的過(guò)壓、久壓保護(hù)、IPM故障保護(hù)。所有的保護(hù)電路的故障信號(hào)輸出相與后送入DSP的中PDPINT斷口，當(dāng)DSP的PDPINT管腳接收到低電平信號(hào)，DSP將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖PWM輸出及停止運(yùn)行。

由于保護(hù)電路屬于系統(tǒng)的弱電控制部分，而故障信號(hào)又是從主電路中取出的，為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定應(yīng)實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，即使兩者之間即保持控制信號(hào)聯(lián)系，義要隔絕電氣方面的聯(lián)系。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)保護(hù)電路的同時(shí)應(yīng)該考慮抗干擾問(wèn)題。

系統(tǒng)中設(shè)置了直流電壓過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路如圖5所示。因?yàn)镮GBT集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國(guó)電網(wǎng)電壓的線(xiàn)件度較差，在重負(fù)荷時(shí)線(xiàn)電壓通常小于342V，而在用電低谷期線(xiàn)電壓高達(dá)440V，如此大的電壓變化范圍，會(huì)導(dǎo)致直流回路過(guò)壓或久壓，因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路。直流電壓保護(hù)信號(hào)取自主回路濾波電容器兩端，經(jīng)電阻Rl、R2分壓和光耦隔離后送入控制電路。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文主要闡述了根據(jù)SVG的工作原理和控制方式設(shè)計(jì)的硬件電路方案。本硬件電路的設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的控制芯片和開(kāi)關(guān)元件，可完成SVG功能的需要，達(dá)到了國(guó)內(nèi)國(guó)際先進(jìn)水平，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益約為60萬(wàn)元。

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