電機軟開關逆變控制系統的設計與實現＊

楊迎化 謝順依 高洪林 王新華 陳 曄

(海軍工程大學兵器工程系1) 武漢 430033) (海軍潛艇學院導彈兵器系2) 青島 266071) (海軍航空工程學院青島分院3) 青島 266041)

電力電子裝置正在向高頻化的方向發展,高頻化為脈寬調制(pulse width modulation,PWM)變頻調速帶來了更大的發展空間.然而,常規的PWM逆變器,其功率開關管在硬開關(hard switching)條件下切換,即在電壓不為零時導通,或在電流不為零時關斷,處于強迫開關過程.硬開關條件下開關管開關頻率的提高帶來了一系列新問題：開關損耗與器件損壞問題、感性關斷問題、容性開通問題、二極管反向恢復問題、電磁干擾(electromagnetic interference,EMI).克服以上缺陷的有效方法就是采用諧振軟開關(soft switching,SS)技術.所謂“軟開關”,通常是指零電壓開關(zero voltage switching,ZVS)和零電流開關(zero current switching,ZCS)或近似零電壓開關與零電流開關[1].軟開關逆變電路(DC-AC)自1986年提出以來,受到了國際傳動界的廣泛關注,它與傳統的硬開關逆變電路相比,有著許多明顯的優勢,但目前還遠未達到成熟的程度,實際中未能像DC-DC PWM變換器那樣得到廣泛應用.各國的專家學者們目前在這一研究領域正在作著不懈的努力.人們公認,此種類型的逆變器將是下一代逆變器的發展主流.

本文將一種新型的直流環節并聯諧振軟開關逆變器(parallel resonant DC link inverter,PRDCLI)應用于基于CAN通信的交流電機調速系統中.它可以使逆變器輸入側的直流電壓在任何需要的時刻回落到零,并可以保持一段所需的時間,還可以將軟開關諧振技術和SVPWM[2-3]技術協調起來.由于開關頻率的提高,軟開關逆變器可以向交流電機提供更加平滑的三相正弦電壓,從而保證電機平穩可靠地運行.文中對硬開關和軟開關條件下電機的運行性能進行了對比,證明軟開關技術具有明顯的優勢.

1 軟開關逆變器控制的交流電機調速系統

軟開關逆變器控制的交流電機調速系統原理如圖1所示.圖中,上位機(PC)按照自定義的通信協議通過PCI-5121智能CAN接口卡與下位機(TMS320 LF2407自帶有支持CAN2.0B協議的CAN控制器)實現實時CAN總線通信.上位機向下位機發送電機運行/停止、轉速設定值以及電機控制參數等數據,下位機將其接收到的數據處理后控制交流電機調速系統.同時下位機采集到交流電機運行過程中的轉速、電流以及轉矩等數據,經過A/D轉換將處理后的電機數據發送給上位機,上位機通過PCI-CAN接口卡接收到電機的數據,對數據進行分析處理,獲取有用數據,并在控制系統主控制界面上顯示出電機數據,實時反映電機的運行狀況.

圖1 軟開關逆變器控制的交流電機調速系統原理圖

2 軟開關逆變控制系統原理

2.1 新型直流環節并聯諧振軟開關逆變器

系統采用一種新型的直流環節并聯諧振環節與三相全橋逆變器[4-6]組成軟開關逆變器,向感應電機供電,其拓撲結構如圖2所示.系統電路直流側電壓源Ui、諧振環節、三相全橋逆變器電路及感應電機組成.諧振環節由開關管 T1和與其反向并聯的二極管D1組成、開關管T2、二極管D2、諧振電感Lr1和Lr2,其值均為Lr,以及諧振電容Cr組成.三相全橋逆變器電路主要由開關管S1～S6、與其并聯的電容及與其反并聯的二極管組成.

圖2 新型PRDCLI的拓撲結構

軟開關逆變器的工作原理：在三相逆變器的某個開關管切換的時刻之前,LF2407輸出驅動信號控制諧振環節的開關管T1和T2按照特定的規律進行動作,以使逆變器輸入側的直流電壓回落到零(即UCr=0),并保持一段時間,在UCr=0期間LF2407輸出驅動信號控制三相逆變器的某個開關管切換,即實現了逆變器開關管的零電壓切換.

2.2 新型PRDCLI的特點

新型PRDCLI電路不僅具有前人已經提出的各種類似電路的特點,同時還克服了這些電路所存在的很多缺點[7-9].新型的PRDCLI的特點可歸納如下.

1)電路中的所有開關管都是在軟開關的條件下進行開關的.開關管T1在零電壓的條件下開通和關斷,開關管T2在零電流的條件下開通并且在零電壓的條件下關斷.

2)電路中輔助開關管和逆變器主電路的開關管均未負擔額外的電壓應力和電流應力.

3)新型的PRDCLI電路可以根據逆變器的PWM調制和軟開關操作的要求,在任何時刻使直流側電壓過零,并持續所需的時間段.

圖3示出了輸入逆變器直流側的電壓曲線,即諧振電容Cr兩端的電壓UCr.系統直流側電壓Ui通過諧振環節的調理后,不再是一個固定值,而是變成如圖3所示的具有凹槽的電壓曲線.從圖中可以看出,直流側電壓在某個時刻從Ui下降到零,并保持零值一段時間,而后又重新上升到Ui.電壓的下降和上升通過諧振環節中諧振電感Lr1,Lr2和諧振電容Cr之間的諧振來獲得.三相逆變器的開關管S1～S6就是在直流側電壓的凹槽處動作,實現逆變器的軟開關切換.

圖3 軟開關逆變器直流側電壓曲線

3 實驗結果

3.1 系統控制軟件

系統使用 LabWindow s/CVI 6.0軟件開發了上位機控制軟件,主界面如圖4所示.LabWindow s/CVI是理想的虛擬儀器(virtual instruments,VI)軟件開發工具,適用于自動測試、自動控制、測試儀器通信、測試硬件控制和信號分析處理的軟件開發.系統控制軟件的功能主要是設定電機的運行參數,并將這些參數通過CAN總線通信發送給下位機(TMS320 LF2407);同時接收下位機發送來的電機運行數據,對這些數據進行處理后顯示在軟件主界面上,實時反映電機的運行性能.

圖4 系統控制軟件

3.2 硬開關和軟開關條件下電機運行性能對比

本文分別在硬開關和軟開關的條件下,對一臺60 kW的IGBT交流電機逆變控制系統進行了實驗.TMS320 LF2407采用SVPWM控制全橋逆變器,主開關器件和輔助開關器件均采用三菱公司的IGBT模塊CM600HA.圖5為電機分別在硬開關條件下和軟開關條件下的電流和轉速曲線.

圖5 硬開關和軟開關條件下電機轉速與電流曲線

在圖5中,圖a)和圖b)為硬開關條件下電機轉速為800 r/min時的電流和轉速曲線;圖c)和圖d)為軟開關條件下電機轉速為800 r/min時的電流和轉速曲線.在硬開關條件下,由于硬開關存在的缺點,限制了逆變器工作頻率的提高,逆變器僅以10 kHz的頻率工作,由于逆變器工作頻率較低,以及硬開關本身存在的問題,逆變器輸出給電機的電流波形不夠平滑(見圖a)),從而使電機運行不夠平穩,電機轉速出現比較大的波動(見圖b)).在軟開關條件下,由于軟開關技術比較好地克服了硬開關所存在的問題,同時有助于提高逆變器的工作頻率,所以在軟開關條件下逆變器以20 kHz的頻率工作,由于逆變器工作頻率較高,逆變器一個周期內輸出脈沖增多,使逆變器輸出給電機的電流波形更趨平滑(見圖c)),從而使電機運行比較平穩,電機轉速只出現比較小的波動(見圖d)).

4 結束語

將一種新型的直流環節并聯諧振軟開關逆變器應用于基于CAN通信的交流電機調速系統中.它可以比較好地克服硬開關所存在的問題,同時有助于提高逆變器的工作頻率,使逆變器輸出給電機的電流波形更趨平滑,從而使電機運行比較平穩.通過實驗,對硬開關和軟開關條件下電機的運行性能進行了對比,證明軟開關技術具有明顯的優勢.

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