一種基于DSP組合式中頻逆變電源的設計

劉小虎，張天浩，吳巋華

(海軍工程大學 管理工程系，湖北 武漢 430033)

一種基于DSP組合式中頻逆變電源的設計

劉小虎，張天浩，吳巋華

(海軍工程大學 管理工程系，湖北 武漢 430033)

針對設計的電源要求有很強的帶不平衡負載能力，提出一種組合式400 Hz中頻電源的設計方案，其優點在于在三相不平衡負載的情況下，能保持三相電壓的平衡。給出主電路及控制電路設計，分析基于DSP的同步信號的接收和發送的處理以及正弦脈寬調制的實現。仿真及試驗結果驗證了該方案的可行性。

中頻電源;不平衡負載;DSP;正弦脈寬調制

0 引言

傳統的三相400 Hz中頻電源，為了解決帶三相不平衡負載的問題，通常采用四橋臂逆變器的結構，通過第四橋臂構成中點來解決負載的不對稱［1－3］。由于第四橋臂的加入，增加了對第四橋臂的控制，從而使系統變得復雜，不方便系統的實現［4－6］。這里沒有采用復雜的方案，而是采用將3個單相的中頻電源進行組合的方案;由于每一相可以單獨調節，從而很好地解決了三相負載的不對稱問題。

1 系統主電路設計

由于設計的電源要求有帶不平衡負載的能力，極端情況下可能某兩相空載，僅單相帶負載，因此采用了組合式逆變器，它由3個相互獨立的單相逆變器組合而成，只需控制三相基準正弦波互差120°，將3臺單相逆變器輸出地線連在一起作為中線，就可以實現三相四線制的輸出，同時具有很強的帶不平衡負載能力。組合式電源框圖如圖1所示。

圖1 三相中頻電源框圖Fig.1 The frame of three-phase medium frequency power supply

模塊A，B，C共用直流母線，考慮到每相容量比較大，每個單相主電路采用了全橋的結構，直流電壓經過全橋電路逆變后經過LC濾波網絡后再通過隔離變壓器輸出到負載端。單個模塊的結構如圖2所示。

圖2 單個模塊主電路Fig.2 The power circuit of single module

全橋逆變電路的輸出為一系列高頻脈沖，要得到標準的正弦波，必須濾掉其高頻成分，而LC濾波電路的作用正是濾除高頻，其參數由LC濾波器的諧振頻率和特征阻抗決定。

2 控制系統分析設計

為保證系統輸出的正弦波失真度(THD)比較低，系統采用正弦脈寬調制(SPWM)。SPWM分為對稱規則采樣和不對稱規則采樣2種，由于不對稱規則采樣是對一個超越方程進行解算，實現起來不方便，這里采用對稱規則采樣方案。系統采用TI公司的TMS320LF2407DSP，該芯片是一款專為電機控制設計的DSP，不僅具有普通信號處理器的高速運算功能，還有豐富的片內外設，尤其是其具有2個事件管理器，共12路PWM輸出，非常方便SPWM的編程。另外，系統的死區時間非常方便設置，保證了開關器件的安全。下面給出基于DSP對稱規則采樣的SPWM的實現框圖，見圖3所示。

系統是由3個單獨控制的模塊組成，其中A模塊脈寬調制利用PWM1、PWM2;B模塊脈寬調制利用PWM3、PWM4;C模塊脈寬調制利用PWM5、PWM6。為了保證各模塊之間120°的相位差，需要增加同步處理。這里同步采用中斷方式，由任意1個模塊為主模塊、每個正弦周期(2.5 ms)發送1個同步信號，另外2個模塊通過中斷來接收這個同步信號，并刷新相位初始值和定時器的值。

同步處理框圖如圖4所示。

為了設備維護的方便性，3個模塊的控制電路和控制程序可以設計成完全一樣，每個模塊都提供6路的脈寬調制輸出，用戶只有選擇輸出A，B，C中的任一相;同時每個模塊都具有同步的發送和接收接口，任一路的發送腳連接到其他2路的接收腳，這樣保證了模塊間的互換性。

圖3 正弦脈寬調制的實現Fig.3 Realization of SPWM

圖4 同步信號的處理Fig.4 Arrangement of synchronization infomation

3 試驗結果

基于以上軟硬件的設計，制作了試驗裝置，采用北京晶川智能模塊，死區時間2 s。為了驗證系統帶不平衡負載的能力，三相的負載有較大的差異，有關實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數Tab.1 List of test parameters

圖5是采用本文所提的組合式方法得到的波形。

圖5 采用矢量控制的三相電壓波形和電壓矢量軌跡Fig.5 Voltage waveform and voltage vector track using vector control

圖6是采用傳統的單模塊三相整體輸出方式得到的波形。

從圖5和圖6可看出，由于3個單相進行了獨立的控制，盡管三相負載非常不平衡，但是三相電壓幅值基本相等，空間矢量軌跡為圓形。而傳統的控制方式下三相電壓明顯不平衡。

4 結語

通過3個單相的獨立控制，很好地解決了帶不平衡負載的問題。對于實現中的2個關鍵環節，正弦脈寬調制的實現和信號同步的處理，對其他逆變系統也有很好的借鑒作用。

圖6 采用傳統控制的三相電壓波形和電壓矢量軌跡Fig.6 Voltage waveform and voltage vector track using traditional control

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Design of combined medium frequency power inverter supply based on DSP

LIU Xiao-hu，ZHANG Tian-hao，WU Kui-hua
(Department of Management Science，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

This article describes the DSP-based control of three-phase power system frequency 400 Hz，compare with the traditional medium frequency power supply，new design has a strong imbalance in the load capacity to meet the needs of customer.The main circuit and control circuit are described in detail.Synchronization between three module is realized by DSP，as well as SPWM.Finally，experimental results are given.

medium frequency power supply;unbalanced load;DSP;SPWM

TN86

A

1672－7649(2011)12－0079－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.018

2011－01－10;

2011－02－21

劉小虎(1976－)，男，博士，講師，研究方向為導航設備數字化。