基于DSP的变频器能量回馈单元的设计与实现

基于DSP的变频器能量回馈单元的设计与实现

黄佳音

中国有色（沈阳）冶金机械有限公司辽宁沈阳110000

摘要：对于传统的变频器而言，电机在处于制动状态时产生的再生电能往往无法被有效回馈到电网进行利用。为了避免产生过高的泵升电压，提高变频器的节能性能，设计了一种基于固定开关频率SPWM算法的能量回馈单元。介绍了能量回馈单元工作的原理，并通过理论推导出控制算法的公式。以TMS320F28062DSP为核心构造硬件电路，完成能量回馈实验。最后实验波形表明设计不但可以实现变频器的能量回馈，而且性能良好，有广阔的市场前景。

关键词：能量回馈；电流控制；SPWM；数字信号处理

引言

变频器凭借电机控制性能优越性，正逐步广泛应用于工业变频传动系统。但是根据中国电器工业协会变频器分会的研究，目前传统的变频器应用变频器回馈能量技术的却并不多，电机在制动过程中产生的大量电能通过制动电阻以热能的形式被白白浪费，且会影响变频器自身的制动性能。随着能量回馈研究的不断进行，许多能源回馈技术被提出。综合考虑成本与结构的复杂性，本文提出了一种以DSP（TMS320F28062）为内核的采用固定开关频率的SPWM（正弦脉宽调制）控制算法能量回馈单元，较之于过去主控单元采用单片机实现SPWM波的做法，TMS320F28062能够更快的进行浮点运算、处理中断服务和实时任务，对于A/D数据的采样也可以达到更高的精度。硬件部分采用集成芯片代替多个运放模块实现相同功能，最大程度减小实际体积。

1.能量回馈单元的实现原理与组成

能量回馈单元的实质就是一个有源逆变器，其主回路主要包括由IGBT组成的三相半桥，输出滤波电感L以及直流侧输入滤波电容C等，拓扑结构图如图1所示

图1能量回馈单元主回路拓扑图

在上述拓扑图中Udc为直流母线电压，D1～D6为在并联IGBT两端的反向二极管，其目的主要是缓冲PWM过程中产生的无功电能。Sa，Sb，Sc为IGBT的开关函数，L为输出滤波电感，R为传输线的等效电阻，ia、ib、ic为输出电流。当电机处于制动的工作状态时，电机输出的再生电能通过整流电路整流，进而对直流侧输入电容C充电，从而使Udc不断升高，当直流母线电压上升超过阈值，在控制电路的操控下，回馈单元在逆变器状态下运行，并且向电网返回再生电能。

2.能量回馈技术（以电梯为例）

随着我国城市化进程的不断加快，基础设施建设不断完善。近些年来，本着城市化土地节约使用的原则，我国城市写字楼、住宅和公寓等，主要以高层建筑为主。电梯作为垂直交通运输工具，在人们的日常生活中发挥着不可替代的作用。电梯数量日益增加，电梯能耗问题愈加受到人们的关注，面对日趋强化的资源环境约束，人们的危机意识不断增强，绿色、低碳发展理念深入人心。我国全面推广节能减排，加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，增强可持续发展能力是我国未来需要长期坚持的路线，节能电梯将成为行业发展方向。在电梯领域，技术人员将诸多节能技术应用于电梯节能。例如将传统的蜗轮蜗杆减速器传动系统改为无齿轮永磁同步电机传动系统，机械效率可提高15%～25%。将交流双速拖动系统改为变频调压调速拖动系统，电能损耗可减少40%左右。电梯轿厢照明使用LED灯，可有效减少电梯照明耗电量。采用驱动器自动休眠、群控楼宇智能管理、自动扶梯变频感应启动技术等实现节电。近年来，随着电力电子技术日趋成熟和技术成本的不断下降，能量回馈技术逐渐受到关注。

单台电梯能量回馈原理如图1所示，电梯能量回馈装置由隔离单元、逆变模块、受控电源开关等部分组成。当曳引机工作于耗电状态（如重载上行和轻载下行）时，来自于电网的电能通过变频器的交-直-交转化，供电梯曳引机使用，此时电网的电能通过变频器和曳引机转化为机械能。当曳引机工作于发电状态（如重载下行和轻载上行）时，曳引机将重力势能转化为电能，造成直流母线的电压升高，此时如果不使用电梯能量回馈装置，电能将通过并联在直流母线两端的热电阻消耗掉；如果使用电梯能量回馈装置，随着直流母线电压的升高，一部分能量被直流母线上的热电阻消耗，如果电压继续升高，那么电梯能量回馈装置开启，回馈装置将直流电逆变为交流电，回馈到电网。

图1单台电梯能量回馈装置原理

电梯作为一种公共交通工具，为确保其可靠性，能量回馈装置生产企业通过增加安全装置对整体架构的安全性进行了改进。以A型电梯节能装置为例，如图1所示，该电梯节能装置在回馈电网端增加受控电源开关，在增加系统的安全性的同时可以增加使用上的灵活性。其具体作用表现如下：（1）用户可以随时手动将节能装置与交流电网断开；（2）电梯节能装置出现故障时，如输入电流过大，节能装置可自动与交流电网断开，从而保护节能装置免受较大冲击电流的损坏；（3）在变频系统刚上电时，母线电压未建立，接触器与交流电网断开，避免三相交流电通过节能装置将能量输送至变频器母线，导致节能装置损害；（4）在变频系统母线电压正常时，接触器闭合，保证节能装置输出能量通过接触器输出至三相电网。变频系统母线异常跌落，节能装置与交流电网断开，避免三相交流电通过回馈单元将能量输送至变频器母线引起的节能装置以及其他设备损害。该电梯节能装置在直流母线端增加隔离单元，其作用表现在：（1）降低用户对该节能装置配线时直流母线错搭的风险；（2）避免往变频器反向供电的情况，增强系统稳定性。

除了在电气拓扑结构上的改进外，电梯节能装置从软件控制上优化控制算法，其针对回馈装置最优混杂控制优化问题的模型，实现回馈装置四模态的切换控制逻辑，把现实空间中有耦合的复杂优化问题，变为无耦合的简单优化问题，实现回馈电流最优控制。

3.能量回馈单元的输出控制策略

3.1变频器能量回馈单元形式

对于变频器能量回馈单元而言，其输出控制模式包含两种：电压型控制模式、电流型控制模式。综合考虑到系统的动态性能指标以及算法实现的复杂程度，本能量回馈单元采用直流电流控制模式方法中的固定开关频率SPWM电流控制方式实现最终的电能回馈。固定开关频率的含义是载波信号频率固定，以电流的偏差调节信号作为调制波的PWM控制方法。为了便于分析，假设电网电压三相平衡，由图1得到三相交流电网中电压电流的关系，有：ea+eb+ec=0ia+ib+i{c=0（1）并利用基尔霍夫电压定律可得出能量回馈单元的数学模型，如下所示：Ldikdt+Rik=（UdcSk+UNO）-ek（k=a，b，c）（2）联立上述式（1）和式（2）可得：UNO=-Udc3k∑=a，b，cSk（3）为了方便分析，定义IGBT的开关函数为：Sk=1Sk1导通，Sk2关断0Sk1关断，Sk2导通。

3.2检测电路设计

3.2.1电流检测电路

电流内环的反馈参数是反馈的电流值。考虑到精度和量程范围，硬件设计时选择霍尔传感器，具体型号为ACS712。当回馈电流流经铜制电流通路会产生磁场，然后被片内的霍尔IC感应进而转化为比例的电压，从而实现I-V的转换输出。由于DSP的A/D输入电压幅值上限位3.3V，因此需经过电平偏移和运算放大器缩放放大倍数后才得到DSP可以接收到的信号。检测时，其中一相电流通过三相电流中的另外两相来合成。检测电路原理图具体如图2所示。

图3电压检测电路原理图

3.2.3过零检测电路

本回馈单元中采用过零检测的方法来得到电网的相位与频率。在图4中，取A相电压经过电阻分压之后的交流低压从放大器的反相输入端进入，只有当此交流低压信号从正穿过零时，输出端才会输出一个同步的过零检测脉冲，输出的过零信号还要经过电平反转提高信号的抗干扰性能，并且为了能够让DSP接收，还要通过电压转换芯片实现5V到3.3V的转换。

图4过零检测电路原理图

4.能量回馈单元软件设计

软件部分主要是实现SPWM波的生成和双闭环控制输出电流、直流母线电压，其中电压外环负责控制直流母线电压，电流内环负责控制输出电流。本能量回馈单元选取的DSP芯片为TI公司的TMS320F28062，通过它可以实现高性能处理数学算法，选取定标为Q24格式，进而实现精确的能量回馈控制。软件程序主要包括以下几部分：主程序，检测信号AD转换程序，坐标变换程序，定时器中断，过零中断，PWM中断等。主程序负责各模块初始化和使能外设，而PWM中断是实现闭环控制的核心程序。

5.测试结果分析

5.1测试方案

采用通过三相交流发电机整流后获得的直流电压给本变频器能量回馈单元供电。实验测试具体参数为：网侧为线电压600V，频率50Hz，相位互差120度的正弦交流电，交流侧电感为15mH，直流侧给定直流电压为500V，负载为200kW，滤波电容2500μF。

5.2测试结果

实际测试结果波形如5图所示。

图5直流侧输出电压波形

5.3波形分析

从图5中可以看出，直流母线电压最终稳定在了测试的给定值500V，且响应时间很短。从图5可以看出，当再生电能被回馈到电网时，不但回馈电流与电网侧相电压相位基本上相反，且其功率因数接近于单位功率因数，可以满足能量回馈单元并网的要求。根据图5可以看出，实际得到的能量回馈的输入电流波形与理想正弦波接近，且与电网电压同相位，响应时间仅不到0.01s。

结束语

本项目针对变频器发展中广泛存在的能量回馈问题，通过对其数学模型和控制算法的分析，提出一种基于固定开关频率的SPWM控制算法的变频器能量回馈制动单元。采用了TMS320F28062DSP芯片作为控制器，并对设计的能量回馈单元进行了实验验证，最终结果表明，该单元能够较好的实现电机在制动过程中的再生电能回馈，并且还可以使交流侧电流为连续的正弦波，这对节约电能，研究变频器提高运行性能有重要的参考意义。

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