低压特种电机三相变频电源的研制

摘  要： 关键词： 数字PWM变频电源；电压空间矢量脉宽调制；MSP430单片机
       数字PWM是变频电源的发展方向，本文分析了逆变电源的方波、SPWM和SVPWM三种调制方式的优缺点，设计出一种具有各种调试优点的变频电源，对某些特殊条件的应用具有一定价值。如对于一些特种电机要求电源具有较小的体积和较轻的重量；电源系统要满足航空电器冲击、振动的高可靠性要求；频繁启动和关闭，需保证电机都能工作、不死机；低温环境(-10 ℃以下)工作时，逆变器加大输出功率达1.5倍左右，即逆变器电压、电流在低温下高于额定值，保证电机在低温时能启动和工作。针对这些特殊使用要求，研制出特种电机(数字PWM三相变频电源)，具有较广泛的使用价值。
1 设计方案
1.1 三相变频电源系统方案
     数字PWM三相变频电源系统框图如图1所示，主要包括单片机控制系统电压、电流检测电路，三相逆变全桥主回路，三相逆变全桥驱动与控制电路。
   
       单片机控制系统用于数字PWM信号的产生、MOS管驱动芯片的控制和逆变电路电压电流及其他信号的采集。电压、电流检测电路用于闭环控制系统和检测逆变电路中故障状态，采集的信号有直流输入电压和三相逆变输出电流。
1.2 主回路与驱动控制电路
     三相数字式逆变电路主回路采用电压源型三相全桥全控式逆变电路, 电路结构如图2所示。
   
       采用IRF7855逆变全桥电路开关管，漏源极电压为60 V，导通电流可达12 A。MOS管驱动采用IRF2133，PWM输入和控制端口能够兼容CMOS和LSTTL两种电平规范，能够实现欠压封锁、过流关断以及故障输出与清除等功能，以便数字化控制。
1.3 三相逆变调制算法原理对比分析
     使用最广泛的数字式PWM三项逆变电路的控制算法有三相方波逆变、三相SPWM逆变和三相电压空间矢量SVPWM，它们都具有各自的特点和应用范围[1-2]。
     (1)三相PWM方波是利用三路与逆变输出正弦电压相同频率、相位角相差120°的方波驱动三相全桥的上桥臂开关管，下桥臂的驱动信号由对应相的上桥臂驱动信号取反得到，从而产生6路三相PWM方波逆变驱动信号，如图3(a)所示。图3(b)所示为a、b、c三相对异步电机中点的电压波形。这种数字式PWM技术具有电压谐波含量高、输出电压不可控等缺点。对于额定的直流输入电压，这种PWM技术相比其他能够输出有效值更大的三相电压、直流电压利用率高，能进一步提高三相异步电机的电磁转矩，所以使用较广泛。
   
       (2)三相SPWM逆变通过载波调制技术得到可以调压调频的三相对称正弦波供电电源。通过三相正弦调制波与三角载波比较，得到与正弦波形等价的PWM波形，如图4所示。SPWM技术相对三相PWM方波技术在电压波形上有较大改善，谐波电压含量相对较低，输出电压可以调节，但对于相同的直流输入电压，SPWM技术得到的三相电压有效值和直流电压的利用率都最低。
   
       (3)三相电压空间矢量是借助空间电压矢量概念发展起来的一种PWM算法，它把三相变流器的指令输出电压在复平面上合成为电压空间矢量，并通过不同的开关矢量组合去逼近指令电压空间矢量[4]。电压矢量合成的原则是6个扇区中任意一个扇区中的电压矢量可以用该扇区2个边界电压矢量合成，它们之间的矢量关系如图5(a)所示。图5(b)显示了在I～VI 6个扇区中合成矢量时对应的开关管的开关顺序，这种顺序保证了一个周期中开关次数最少。对于同样大小的直流输入，与传统的SPWM相比，其开关器件的开关次数减少了1/3，直流电压的利用率可提高15%，能获得较好的谐波抑制效果,且易于实现数字化控制，所以SVPWM数字PWM算法在各个方面都优于SPWM技术。
   
       这三种PWM技术中，三相电压空间矢量的方法在三相异步电机作为负载时最能体现其优越性，电压空间矢量控制系统将逆变器和交流电机视为一个整体，通过调节电压空间矢量从而使异步电机的磁链运动轨迹接近一个圆弧[5]。采用前馈式开环系统，利用数字的方法也可产生逆变全桥的驱动信号。闭环控制系统主要通过坐标变换的方式实现，需要进行复杂的三角函数和坐标旋转运算，计算量大、复杂的算法对高精度实时控制产生了不可忽视的影响。参考文献[3]使用闭环控制算法，其包含无理数的近似运算、绝对值的运算及坐标旋转运算等，而普通单片机一般采用专用DSP芯片或者FPGA技术，很难实时完成这些计算量。
     三种调制中，SVPWM调制在各个方面都比SPWM调制优越，且利用前馈式逆变算法更简单，但SVPWM无法取代PWM方波调制中的直流电压利用率高这一优点，故该逆变系统可利用PWM方波解决启动转矩等问题。启动完成后变换成SVPWM调制方式，保证了输出电能质量高、输出电压可调。
1.4 三相逆变变频的控制实现方法
     TI公司MSP430系列的单片机定时器和PWM控制单元在数字式变频器上具有相对的优势，它具有专用电机控制DSP处理器TMS320F2812的很多优点。单片机内部自带的DCO时钟振荡器能够在1~16 MHz的范围内变化，并且外部可以连接32.768 kHz的低频振荡器。内部带有两个16位定时器单元TimerA和TimerB，TimerB能够同时输出7路PWM调制脉冲，并且定时器的时钟分频系数可调，这些有利的条件给变频带来了极大的方便。利用该定时器增减技术模式，可以很方便地实现前馈式SVPWM控制算法，并能有效地解决闭环控制上的延时、极限环振荡等特殊问题。故结合MSP430单片机的时钟资源与强大的定时器，实现电源逆变的变频控制。
2 试验结果分析
     利用TI公司MSP430系列单片机和IRF2133三相全桥驱动控制芯片，设计了数字式PWM三相变频电源样机，在低压军用特种异步电机水泵额定负载上对三相PWM方波逆变、SVPWM逆变分别进行了实验，并对三相线电压、线电流、电谐波进行了试验。额定直流输入电压为28 V，逆变频率设计为190 Hz，开关频率约为12 kHz。测试仪器为Fluke 43B型电能质量分析仪，试验波形如图6、图7所示。
   
   
       由图6可以发现，变频电源三相输出的线电压波形为马鞍型波，通过异步电机感性负载后，输出的电流波形畸变程度较大，谐波分析显示，无3次谐波，主要含有5次和9次谐波，含量为20.4%。
     图6、图7结果对比显示，对于相同直流输入电压和开关频率，SVPWM调制算法使异步电机三相绕组中的电流实现了正弦波形最优化，电流谐波含量达到了最低，从而实现了脉动电机脉动的最小化。但这种算法的电压利用率相对较低，无法实现最大的输出电压，在某些场合限制了电机转矩的进一步提高，但三相PWM方波逆变在电机短时间运行时可以弥补这一缺陷。表1为在同一负载的条件下，分别采用两种调制方式测试的不同直流输入电流和功率，数据显示在同一电压下PWM的直流输入功率要远远大于SVPWM调制，这也侧面反映了PWM调制在电压利用率上较高，即PWM调制提供的电机转矩较大。
   
       在军用特种异步电机水泵上测试了SVPWM调试技术在不同直流输入电压下的负载能力，试验数据如表2所示。数据表明电流谐波几乎不受直流侧电压波动的影响，受影响的仅是输出功率，这说明SVPWM电源输出的电能质量高，能够保证电机长时间可靠运行。最后在高温80℃和低温-40℃环境中进行频繁启动、关闭和电压开通、关断冲击，都未出现电机启动不了、系统死机等现象，进一步验证了该款数字PWM三相变频电源的可靠性。
   
       通过对三种常用数字PWM技术的分析，本文设计了一款综合不同数字PWM控制的优点实现于同一逆变系统上三相数字式PWM逆变变频，其具有以下特点：
     (1)变频电源体积小、质量轻，输出功率高。制作出的样机的体积仅为50 mm×42 mm×20 mm，试验测试输出功率可达100 W。
     (2)采用SVPWM算法，使电源输出电能质量高、电流谐波低，输出电能质量几乎不受输入电压波动影响。
     (3)数字控制算法灵活、多样，该电源系统启动采用了PWM方波调试，启动后采用SVPWM调制。
     同一主电路综合各PWM算法优点实现不同的控制算法，可以解决异步电机启动、调速和长时间可靠工作等要求。今后将结合软开开关技术，进一步提高变频电源的电能利用效率。
参考文献
[1] 林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2] VLATKO V，BOROJECVIC D.Digital-signal-processor-base control of three-phase space vector modulated converters[J].  IEEE Transation on Industial Electtonics，1994，41(3)：326-332.
[3] ZHOU K L，WANG D W.Relationship between space-vector modulation and three-phase carrier-based PWM：a compre-hensive analysis[J].IEEE Transation on Industial Electtonics，2002，49(1)：186-195.
[4] 周卫平,吴正国,唐劲松，等.SVPWM的等效算法及SVPW与SPWM的本质联系[J].中国电机工程学报，2006，26(2)：133-137.
[5] 李华德.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003.