三電平逆變器變頻調速系統設計

(崇左憑祥供電局，廣西 憑祥 532600)

1 前言

本文主要將介紹二極管箝位型三電平的變頻調速系統主電路的的設計以及驅動電路的設計，保護電路的設計等等。

2 系統整體結構的硬件設計

在三電平逆變器的變頻調速系統中，系統主體電路作為執行環節，它的穩定性和可靠性非常重要，直接關系到整個系統能不能正常運轉。

三電平逆變器變頻調速系統拓撲圖如圖1所示，從中可以看出改系統電路主要整流電路、三電平逆變器、電動機負載和采樣、控制、驅動、保護電路等等。整流電路主要由6個整流二級管按照橋式結構連接而成，二極管箝位型三電平逆變器主要由二極管、由IGBT控制的功率開關管、電容C1和C2組成。控制電路由驅動電路(IGBT驅動的)、電壓電流釆樣電路和保護電路等組成。

圖1 逆變器變頻調速系統主電路如圖

3 系統主體電路

本文所采用的系統是電壓型交一直一交變頻裝置結構[1]，整流電路由二極管三相整流橋模塊組成，其整流部分是不可控的全橋整流電路設計；三電平逆變器部分則采用由IGBT作為功率開關，其主體電路原理圖如圖2所示。圖中中間直流回路中的電阻R3，其作用是輸入限流，用來限制系統起動時的沖擊電流，限制充電過程最長時間0.2s，穩態工作時使用接觸器J1將該電阻斷開，其動作是為了減少變頻部分正常工作的時候在中間直流上的消耗的功率。

圖2 系統總體電路設計原理圖

4 電壓電流的采樣電路設計

在本文中采用了電壓和電流的采樣電路。把采樣電阻R1上的電壓送入到采樣電路中去，經過一系列的處理輸入到DSP。電流的檢測一般主要有三種： 霍爾元件檢測、分壓電阻法和電流互感器檢測法。分壓電阻法一般成本比較低和精度相對高，因為得到了廣泛的應用，然而霍爾元件檢測法因為不能與電路串、并聯，此中做法不破壞小的封裝和電路的完整性而得到了應用；電流互感器法則主要用于大電流和交流電的場合當中。三種方法各有其優點。

本文主要采用了霍爾元件檢測法，壓電流的采樣電路如圖3所示，圖中可以從霍爾傳感器輸入電壓和電流。然后這些電壓和電流信號通過電阻送到運算放大器中，輸出到ADCINl腳。

圖3 電壓電流采樣電路

5 IGBT驅動電路的設計

PWM信號的電流信號較弱，因其驅動能力比較小,所以需要在IGBT的前面加一前端加一驅動電路以此來增大驅動電流。

理想的IGBT應該具有以下幾個方向的性能：

(1)在出現短路和過流等非正常的情況下，它能夠很快的發出保護信號。

(2)在關斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存儲電荷，能向IGBT提供足夠的反向柵壓[2]。

(3)能把輸入輸出進行隔離，即能很好的隔離控制電路和主體電路；

(4)IGBT性能優異,不僅如此，其成本也非常小，性價比相當高；

(5)IGBT具驅動性能好，不僅如此，它可以其柵極提供驅動脈沖波；

(6)為了IGBT柵極不被電壓所擊穿，它應該具備柵壓限制其幅值的能力。

二極管箝位型三電平逆變器拓撲結構是本文采用的拓撲結構,IGBT有12個,那么就需要12個PWM信號來驅動,那么就需要6個2SD315AI模塊來驅動IGBT運行,輸入PWM信號在INA端,輸入PWM2信號在INB端,與此同時,因為連接在一起的輸出端S01和S02,那么輸出同一故障信號的時候需要兩個驅動通道。

6 保護電路的設計

保證變頻調速系統可靠性的重要環節是直流母線電壓的檢測與保護。如果數值超過限度的時候,控制器將會根據所接收到的故障信號進行一些列的操作,這樣來是保護系統能夠穩定的正常運行。當直流母線電壓過高的時候,就很有可能燒壞功率器件,那么就需要采取恰當的保護措施。反之，當直流母線電壓過低的時候,此時的系統工作在不是額定狀態下,如果長期這樣下去，任何一個器件的使用壽命將會縮短很多。

如果直流母線是電壓正常的時候,此時過壓保護電路將會輸出0電平；如果直流母線電壓過高的時候,過壓保護電路就會輸出+3.3V的高電平。保護電路輸出的信號將會送入數字信號處理器中,經過數字信號處理器的一系列處理后就將會輸出來控制脈沖寬度調制信號是否封鎖。

7 速度采樣電路的設計

三相異步電動機對轉速的檢測是必不可少的，調速系統與電機的轉速有莫大的關系，因此轉速的檢測是否準確將會直接影響調速系統的穩定[3]，本文設計的系統中電機轉速的測量采用的是測頻法,即在一定的時間T內,對脈沖編碼器的輸出進行計數,設計數值為m,若脈沖編碼器轉動一周輸出的脈沖數為P,從而可以得到測量的轉速為:n=60m/pT,其中轉速n的單位為r/min,此方法適用于中高轉速的測量,因為電機運行速度越高,脈沖編碼器在一定時間輸出的脈沖數就越多,從而轉速檢測的準確度也就越高，速度采樣電路如圖4所示。

圖4 系統主程序的流程圖

8 系統軟件的編寫

系統控制的主要部分DSP軟件的控制。整個軟件過程有三個部分： 變量初始化、硬件初始化、中斷服務子程序部分。軟件設計主要在于兩個模塊： 初始化模塊和運行模塊。DSP軟件控制程序主要分為主程序和矢量控制中斷服務子程序。用于完成初始化外設和對程序中賦初值給變量，這是主程序的工作,初始化工作完成后等待中斷程序。

9 上電緩沖延時程序的設計

上電緩沖程序圖按照如圖5所示。

圖5 上電緩沖電路

10 電流電壓采樣程序設計

在三電平逆變器的變頻調速系統中，電流采樣設置的范圍為0～15A，電壓采樣設置的范圍為0～600V。輸入到DSP的數據是存儲在ADC轉換結果的緩沖寄存器RESULTx里的，并且是存放在它的高10位，因此需要通過右移才能得到正確的采樣結果，那么此時AD口的采樣范圍為0～3FFH，對應著電流的0～15A，電壓的O～600V，經過這些處理后就可以得到模擬量和數字量二者之間的比例關系。采樣程序如圖6所示。

圖6 電壓電流采樣中斷程序圖

11 結束語

介紹了二極管箝位型三電平逆變器的變頻調速系統的整體框圖，并簡單的介紹了系統主體電路、電壓電流的采樣設計、IGBT驅動電路設計、保護電路設設計以及系統軟件的編寫。