（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）逆變電源在電梯電能回饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

逆變電源在電梯電能同饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 中文摘要 逆變電源在電梯電能回饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 中文摘要 常規(guī)電能利用率低下的現(xiàn)象廣泛地存在于人們的日常生活中，有必要將可利用的 電能進(jìn)行收集和回饋。逆變電源作為一種電能變換裝置，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的 作用。它將直流逆變?yōu)榻涣?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能的再生反饋。電梯電能回饋系統(tǒng)就是采用 逆變電源將變頻器直流母線上的泵升電壓進(jìn)行逆變與能量反饋，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保、 穩(wěn)定工作環(huán)境的目的。然而逆變回饋需要在一定的條件下才能進(jìn)行，逆變電源必須具 有輸出高質(zhì)量電壓波形的能力。逆變技術(shù)的日趨成熟和數(shù)字信號(hào)處理器的不斷優(yōu)化， 使脈寬調(diào)制( p w m ) 技術(shù)在逆變電源中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其空間矢量脈寬調(diào)制 ( s v p w m ) 以其低諧波失真、高直流利用率、響應(yīng)速度快和易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等顯著 優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于逆變、整流以及調(diào)速等控制領(lǐng)域。 本文主要介紹了電梯電能回饋系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，其中包括逆變控制與并網(wǎng)控 制兩個(gè)部分。主要以數(shù)字化的s v p w m 脈寬調(diào)制方法以及空間矢量控制原理為基礎(chǔ)， 并結(jié)合德州儀器( t i ) 公司最新的高性能定點(diǎn)d s pt m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 芯片強(qiáng)大的運(yùn)算 能力，設(shè)計(jì)了一種電能有源逆變控制系統(tǒng)。通過(guò)分析空間矢量脈寬調(diào)制( s v p w m ) 與載波調(diào)制( c a r r i e r - b a s e dp w m ) 之間的內(nèi)在聯(lián)系，將s v p w m 控制算法推廣至p w m 逆變電源中，提出了一種統(tǒng)一的基于載波p w m 的s v p w m 等效實(shí)現(xiàn)方法。該方法不 需進(jìn)行大量復(fù)雜運(yùn)算，大大縮短運(yùn)算時(shí)間，更易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)t m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 芯片的基本結(jié)構(gòu)和性能，給出了逆變電源系統(tǒng)的硬件電路設(shè) 計(jì)原理、軟件控制算法及流程。該系統(tǒng)充分利用了t m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 芯片豐富的接口部 件，組成的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該逆變電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 合理，在電梯能量回饋系統(tǒng)中采用s v p w m 技術(shù)，既能提高能量回饋逆變電路對(duì)直流 電壓的利用率，又能減少逆變電能總諧波失真。 關(guān)鍵詞：能量反饋；逆變電源；空間矢量脈寬調(diào)制；載波p w m 調(diào)制 作者：周哲 指導(dǎo)教師：陳小平 t 英文摘要逆變電源在電梯電能田】饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o fi n v e r t e rp o w e rs o u r c ei n e l e v a t o rp o w e rf e e d b a c ks y s t e m a b s t r a c t t h ep h e n o m e n o no fl o wu t i l i z a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a le l e c t r i cp o w e rw i l d l ye x i s t si n p e o p l e sd a i l yl i f e i ti sn e c e s s a r yt h a tt h ee n e r g yw h i c hi sa v a i l a b l ef o rc o l l e c t i o na n d 詫e d b a c ks h o u l db em a d ef u l lu s eo f t h ei n v e r t e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nap o w e r c o n v e r s i o nd e v i c eo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m i ti sa ni n v e r t e rt h a tc o n v e r t sd ct oa ct o a c h i e v et h er e g e n e r a t i o no ft h ee l e c t r i ce n e r g yf e e d b a c k i nt h ee l e v a t o rp o w e rf e e d b a c k s y s t e mt h ei n v e r t e ri s - a d o p t e dt od r i v et h ep u m pv o l t a g eo nt h ed cb u st oi n v e r ta n dm a k e e n e r g yf e e d b a c k ，s oa st oa c h i e v ee n e r g ys a v i n ga n ds t a b l et h ew o r k i n gc o n d i t i o n s h o w e v e r , t h ef e e d b a c ki n v e r t e rn e e d st ob ec a r r i e do u tu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s a n dt h e i n v e r t e rm u s th a v et h ea b i l i t yt oo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mo fh i g hq u a l i t y a st h em a t u r i n g o ft h ei n v e r t e rt e c h n o l o g ya n dt h ec o n s t a n to p t i m i z a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，t h e p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ei n v e r t e rt e c h n o l o g y e s p e c i a l l y , s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i sb e c o m i n gm o r ep o p u l a ri ni n v e r t e r t e c h n o l o g y , r e c t i f i e r , t h eg o v e r n o ra n do t h e rc o n t r o ls y s t e m sb e c a u s eo fi t sl o wh a r m o n i c d i s t o r t i o n ，h i g h c u r r e n t e f f i c i e n c y , f a s tr e s p o n s e ，e a s y - t o - d i g i t a lr e a l i z a t i o na n do t h e r s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fo v e r a l le l e v a t o re n e r g yf e e d b a c ks y s t e m ，i n c l u d i n g t h ei n v e r t e rc o n t r o la n de m dc o n t r 0 1 m a i n l yb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fd i g i t a ls v p w m a n ds p a c ev e c t o rc o n t r o lm e t h o d ，c o m b i n e dw i t ht h ep o w e r f u lc o m p u t i n gc a p a b i l i t i e so f t h el a t e s th i g h - - p e r f o r m a n c ef i x e d - - p o i n td s p c h i pt m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4o ft e x a si n s t r u m e n t s ( t i ) ，ap o w e ri n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d b ya n a l y z i n gt h ei n t r i n s i cl i n kb e t w e e n t h e s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) a n dt h e c a r t i e rm o d u l a t i o n ( c a r r i e r - b a s e dp w m ) ，t h es v p w mc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mc a nb et r a n s p l a n t e dt ot h ep w m n 逆變電源舀! 電梯電能i 口l 饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究英文摘要 i n v e r t e r ，a n dau n i f i e dc a r r i e r - b a s e dp w me q u i v a l e n ti m p l e m e n t a t i o no fs v p w mi s p r o p o s e d t h i sm e t h o dd o e sn o tn e e dal a r g en u m b e ro fc o m p l e xm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o n s ， g r e a t l yr e d u c i n gt h ec o m p u t a t i o nt i m ea n dm a k i n gd i g i t a li m p l e m e n t a t i o ne a s i l y a c c o r d i n gt ot h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h ec h i pt m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 ，t h e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g nm e t h o d o l o g i e so fi n v e r t e rp o w e rs y s t e m ，t h es o f t w a r e ，t h ec o n t r o l a l g o r i t h m sa n dp r o c e s s e sa r eg i v e n t h es y s t e mc o n s i s t i n go fs i m p l ec i r c u i ts t r u c t u r et a k e s f u l la d v a n t a g eo ft h e r i c hp e f i p h e r a lc o m p o n e n t so ft h ec h i pt m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 ，a n dh a s a b i l i t yo fa n t i - i n t e r f e r e n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e dr e a s o n a b l y s v p w mt e c h n i q u ew h i c hi sa d o p t e di nt h ee l e v a t o rw i t he n e r g y f e e d b a c ks y s t e mc a nr a i s et h ee n e r g yu t i l i z a t i o no ft h ed cv o l t a g ef o ri n v e r t e rc i r c u i t f e e d b a c k ，a n dr e d u c i n gt h et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o no ft h ei n v e r t e rp o w e r d s p k e y w o r d s ：f e e d b a c k ；i n v e r t e rp o w e r ；s v p w m ；c a r d e r - b a s e dp w m ； i i i w r i t t e n b y ：z h o uz h e s u p e r v i s e db y ：c h e nx i a o p i n g 逆變電源在電梯電能同饋系統(tǒng)中的j 衄用研究第一章緒論 1 1 本課題的研究背景 第一章緒論弟一早三百?？韶?隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，能源消耗越來(lái)越大，常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力 的增大，促使人類去開(kāi)發(fā)新的技術(shù)去提高能源的利用率。在我們的日常生活中，到處 存在著能源浪費(fèi)與利用率低下的現(xiàn)象，為了能源的可持續(xù)發(fā)展，這些可以回收利用的 大量能源，應(yīng)當(dāng)被充分的重視和加以開(kāi)發(fā)利用。 采用變頻調(diào)速的電梯要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電梯頻繁快速制動(dòng)以及空載上行、 滿載下行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電梯的變頻電機(jī)處于反向發(fā)電狀態(tài)，再生電能由交流變頻電機(jī)反向 傳輸?shù)阶冾l器中間級(jí)的直流濾波電容上，反向電流對(duì)電容充電使直流電壓升高，嚴(yán)重 地威脅系統(tǒng)工作安全性【l j 。由于目前變頻器結(jié)構(gòu)的缺陷，通?？刂齐娙荼蒙妷旱姆?法是在直流母線上并聯(lián)一個(gè)大功率電阻，釋放電流降低電壓。然而，由于電梯在運(yùn)行 過(guò)程中頻繁地制動(dòng)、帶位勢(shì)負(fù)載運(yùn)行，一方面嚴(yán)重浪費(fèi)電能；另一方面功率電阻發(fā)熱 量大，工作環(huán)境溫度升高，影響電梯系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。 電梯電能回饋系統(tǒng)就是一個(gè)接在直流母線與電網(wǎng)之間的反向變流器，它將流入變 頻器直流側(cè)電容中的電流及時(shí)進(jìn)行逆變，反向回饋到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)以達(dá)到降壓、節(jié)能的目 的。直流電逆變?yōu)榻涣麟姷目刂萍夹g(shù)已有許多成熟的方法，而全數(shù)字控制的s v p w m 逆變技術(shù)在電梯電能回饋控制系統(tǒng)中應(yīng)用、并取得較好效果的還不多，本文研究了數(shù) 字s v p w m 控制技術(shù)及其在電梯節(jié)能能量逆變器中的應(yīng)用。 1 2 交一直交變頻器概述 變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電力電子變流器( 簡(jiǎn)稱變頻器) ，除了交交變頻器外，在實(shí)際 中應(yīng)用最廣泛的是交一直一交變頻器【2 1 ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ，簡(jiǎn)稱v v v f 電源) 。交一直一交變頻器是由a c d c 、d c a c 兩類基本的變流電路組合而成，先將交 流電整流為直流電，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡虼诉@類電路又稱間接交流變流電路。 交一直交變頻器與交交變頻器相比，最主要的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不再受輸入電源頻率的 限制。 第一章緒論 逆變電源在電梯電能i 口j 饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合及負(fù)載的要求，當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要頻繁、快速制動(dòng)時(shí)，通常要求變 頻器具有再生反饋電力的能力。圖1 1 所示的是不能再生反饋電力的電壓型間接交流 變流電路。該電路中整流部分采用了不可控的橋式整流電路，它與直流濾波電容器直 接相連，直流母線電壓和直流電流方向同向，只能由交流電源向直流母線輸出功率， 而不能由直流母線向交流電源反向傳輸。由于逆變電路是可控的，電流可以雙向流動(dòng)， 若負(fù)載將電能反饋到中間級(jí)直流母線上，就會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓升高，稱為泵升電壓。 由于反向電流無(wú)法進(jìn)一步反向回饋交流供電電源，而且電容只能適當(dāng)承擔(dān)反饋的直流 電能，因此過(guò)高的直流母線泵升電壓將會(huì)嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)工作安全性。 圖1 1 不能再生反饋電力的電壓型間接交流變流電路 為使上述電路具備再生反饋電力的能力，可采用幾種方法分別如下圖所示。 圖1 2 電路是在圖1 1 電路的基礎(chǔ)上，在中間直流側(cè)電容兩端并聯(lián)一個(gè)由電力晶 體管v 和能耗電阻r 組成的泵升電壓限制電路。在泵升電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，使v 導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在r 上。這種電路可應(yīng)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間有一 定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。 圖1 - 2 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路 當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載頻繁快速加減速時(shí)，上述泵升電壓限制電路中消耗的能量較 多，能耗電阻r 也需要較大的功率。這種情況下，希望在制動(dòng)時(shí)把電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能反 饋回電網(wǎng)，而不是消耗在電阻上。這時(shí)需要增加一套變流電路，如圖1 3 所示，使其 工作于有源逆變狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)。當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)回饋能量時(shí)，中間級(jí) 2 逆變電源4 1 電梯電能同饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究第一章緒論 直流母線電壓上升，使可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，而不可控整流電路停止工作， 中間級(jí)直流電壓極性不變，而電流反向，通過(guò)可控變流器將電能反饋回電網(wǎng)。 圖1 - 3 利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路 圖1 4 是變頻器整流部分與逆變部分均采用p w m 進(jìn)行控制的交直交變流電路， 簡(jiǎn)稱雙p w m 電路。整流和逆變部分可以采用完全相同的結(jié)構(gòu)，交流電源與前級(jí)可控 整流電路之間通過(guò)交流電抗器相連。通過(guò)可控整流電路的p w m 控制，可使輸入正弦 波電流與電網(wǎng)電壓頻率相同、相位一致，輸入功率因素為l ，并且中間級(jí)直流母線電 壓可以調(diào)節(jié)。電動(dòng)機(jī)可以工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，也可以工作在再生制動(dòng)狀態(tài)。此外， 改變輸出交流電壓的相序即可使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。該電路輸入輸出電流均為j 下弦 波，輸入功率因素高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，是一種性能較理想的變頻電路。 但由于整流、逆變部分均為p w m 控制且需要采用全控型器件，控制復(fù)雜，成本較高。 圖1 4 整流和逆變均為p w m 控制的電壓型間接交流變流電路 1 3 逆變電源的數(shù)字控制方式 經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，傳統(tǒng)模擬控制方式的逆變電源已經(jīng)趨于成熟。但是，模擬控制方 式本身存在很大的不足【3 1 。第一，電路由分立電路板和元器件組成，模擬器件數(shù)量眾 3 第一章緒論逆變電源在電梯電能同饋系統(tǒng)中的j 避用研究 多，制作成本高；第二，連接大量模擬元器件工藝十分復(fù)雜，不便于系統(tǒng)故障檢測(cè)與 維修。模擬器件存在老化問(wèn)題和溫度漂移特性，且易受到工作環(huán)境( 如溫度、電磁干 擾等) 因素等影響，控制系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作1 4 】。因此專門(mén)的集成模擬控制芯片 孕育而生，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，電路開(kāi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方便，但是控制系統(tǒng)閉環(huán) 反饋電路仍然由電感電容等模擬器件構(gòu)成。由于模擬控制方式存在缺陷，專用芯片控 制靈活性差，因而難以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)而復(fù)雜的控制算法。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信 號(hào)處理器以其運(yùn)算速度快，集成度高，功能強(qiáng)，成本進(jìn)一步降低等優(yōu)勢(shì)，使數(shù)字控制 方式逐漸成為當(dāng)今電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。 1 4 數(shù)字控制電路的優(yōu)點(diǎn) 與模擬控制電路相比，數(shù)字控制電路有下列優(yōu)點(diǎn)： 1 數(shù)字控制電路簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，解決了模擬器件老化、溫漂等問(wèn)題， 并且抗干擾能力強(qiáng)。 2 方便地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)復(fù)雜的控制算法，改善控制效果。 3 通用性強(qiáng)，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。在不改變硬件電路的前提下，只需修改系統(tǒng) 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制算法，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件升級(jí)，提高系統(tǒng)性能。 4 人性化與交互性好。高速的數(shù)字信號(hào)處理器，配備了許多外設(shè)與通信接口， 可以外接單片機(jī)、f p g a 等進(jìn)行人機(jī)交互，使得控制系統(tǒng)更加人性化，用戶操作更加 方便，還能保存歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷與分析。通過(guò)片上各種通訊端口，可將控制系 統(tǒng)與p c 機(jī)相連實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 數(shù)字控制電路必須注意下列問(wèn)題【5 叫：a d 采樣頻率與載波頻率的選取、a d 轉(zhuǎn) 換速度與精度、運(yùn)算精確度、控制算法產(chǎn)生的延時(shí)。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，為了抗混疊， 對(duì)模擬信號(hào)的采樣頻率至少為信號(hào)頻帶寬度的兩倍，因此a d 采樣頻率越高，系統(tǒng) 的實(shí)時(shí)性越好，但這通常受到a d 轉(zhuǎn)換速率、處理器速度的限制。a d 轉(zhuǎn)換存在量 化誤差是不可避免的，而量化誤差對(duì)系統(tǒng)有著不利的影響，為了提高控制精度便要選 擇高精度a d 轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)成本相應(yīng)增加。功率器件的開(kāi)關(guān)性能、開(kāi)關(guān)損耗、處理 器的運(yùn)算能力與p w m 載波頻率密切相關(guān)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，合理地選取采用的p w m 頻 率可以降低功率主電路的開(kāi)關(guān)損耗，為微處理器提供充足的運(yùn)算時(shí)間。 4 逆變電源在電梯電能同饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究第一章緒論 在數(shù)字控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制精度主要取決于a j d 轉(zhuǎn)換的精度與運(yùn)算精度。 首先，系統(tǒng)運(yùn)算的原始數(shù)據(jù)來(lái)源于a j d 轉(zhuǎn)換器，a d 采樣的分辨率即轉(zhuǎn)換器位數(shù)直 接影響著后續(xù)處理的最大精度。其次，數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理過(guò)程中，對(duì)運(yùn)算數(shù)據(jù)的截尾處 理，也會(huì)影響控制精度。第三，數(shù)字信號(hào)處理器處理位數(shù)的有限性、字長(zhǎng)效應(yīng)、運(yùn)算 精度成為系統(tǒng)控制精度的重要影響因素。 數(shù)字運(yùn)算和a i d 采樣產(chǎn)生的延時(shí)在數(shù)字控制電路中無(wú)法避免，延時(shí)使系統(tǒng)的實(shí) 時(shí)性和控制精度下降，對(duì)控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定。而且，由運(yùn) 算處理和a d 采樣引起的數(shù)字延時(shí)，還會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢、帶寬變窄 7 】。 因此提出了一些帶觀測(cè)器的反饋控制方法來(lái)解決數(shù)字延時(shí)問(wèn)題，雖然在一定程度上緩 解了延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，但是運(yùn)算量比較大，而且觀測(cè)器要求在比較精確的被控對(duì)象 模型下才能建立，因此在運(yùn)算速度、實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合下無(wú)法實(shí)現(xiàn)。另外，由于( 負(fù) 載變化等) 被控對(duì)象模型存在不確定性，這些帶觀測(cè)器控制方法在負(fù)載適應(yīng)性與系統(tǒng) 穩(wěn)定性方面存在一系列問(wèn)題。 常見(jiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)組成框圖，如圖1 5 所示。為了使數(shù)字控制系統(tǒng)達(dá)到最高性 價(jià)比，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)選擇合適a d 轉(zhuǎn)換器、微處理器及外圍電路。 接口電路 卜 d a 或1 0 口 卜、 y 外圍電路 入 微處 p w m墻 j 功率 外設(shè)理器 j 口外 1 圍電 電路 ( m c u ) 路 以 a d 刀 采樣刀 n r- -電路 圖1 5數(shù)字控制系統(tǒng)組成框圖 1 5 數(shù)字信號(hào)處理器( d s pt m s 3 2 0 f 2 8 x ) ( x ) 的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部資源 隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā) 展。過(guò)去，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信、航空航天、雷達(dá)、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)及家用電器 5 第一章緒論 逆變電源在電梯電能【口1 饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 等各個(gè)領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理是以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、 濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，因其具有可程控、可預(yù)見(jiàn)性、精度高、穩(wěn)定 性好、可靠性和可重復(fù)性好、易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法、大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于 許多領(lǐng)域的新興學(xué)科，應(yīng)用于實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)之中。 d s p 芯片結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)【8 9 1 ： 1 程序和數(shù)據(jù)空間彼此獨(dú)立，允許同時(shí)取指令和取操作數(shù)。采用改進(jìn)的哈佛總 線結(jié)構(gòu)，還允許程序空間和數(shù)據(jù)空間之間相互傳送數(shù)據(jù)。 2 多總線結(jié)構(gòu)，可以保證一個(gè)周期內(nèi)多次訪問(wèn)程序空問(wèn)和數(shù)據(jù)空間，大大提高 了d s p 的運(yùn)行速度。 3 支持流水操作，取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 4 并行執(zhí)行多個(gè)操作，片內(nèi)含有硬件乘法器、高性能的運(yùn)算器及累加器，一個(gè) 指令周期內(nèi)可以完成多個(gè)操作，一般能夠完成一次加法和一次乘法。 5 片內(nèi)集成了r a m 、快速雙口r a m 、r o m 及f l a s h 等存儲(chǔ)器，通?？赏ㄟ^(guò) 獨(dú)立的總線數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)訪問(wèn)，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度大大提高，而且不存在速度匹配與總 線競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。 6 新型d s p 芯片不僅數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)一步提高，而且集成了增強(qiáng)型外圍設(shè)備， 如a d 轉(zhuǎn)換器、捕獲器、模擬比較器、脈寬調(diào)制、各種通訊端口及看門(mén)狗等，為d s p 在電力電子技術(shù)、電力控制系統(tǒng)、電機(jī)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了豐富的資源。 新型的t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 x 系列浮點(diǎn)d s p 數(shù)字信號(hào)處理芯片與t i 前代領(lǐng)先數(shù)字信號(hào) 控制器f 2 4 x 、f 2 8 0 x 、f 2 8 1 x 系列相比： 1 處理器性能平均提高5 0 。處理器能夠以15 0 m h z 頻率進(jìn)行每秒3 億次浮點(diǎn) 運(yùn)算( m f l o p s ) 。快速富里葉變換( f f t ) 等復(fù)雜計(jì)算算法，采用浮點(diǎn)技術(shù)后與采用 作用相當(dāng)?shù)? 2 位定點(diǎn)技術(shù)相比，性能提升可達(dá)2 0 0 ，降低了定點(diǎn)處理器的成本。 2 中央處理器單元( c p u ) 負(fù)擔(dān)減輕。片上采用了6 通道直接存儲(chǔ)器存取( d m a ) 控制器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)，并且模數(shù)轉(zhuǎn)換器( a d c ) 不再占用c p u 。 3 超快片上a d c 。片上1 2 位1 6 通道a d c 每秒采樣1 , 2 5 0 萬(wàn)次，是目前業(yè)界 數(shù)字信號(hào)控制器中最快的。 4 提供多達(dá)1 8 個(gè)脈沖寬度調(diào)制( p w m ) 通道，其中6 個(gè)采用t i 獨(dú)特的高解析 6 逆變電源在電梯電能網(wǎng)饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究第章緒論 度p w m ( h i u w m ) 技術(shù)( 達(dá)到1 5 0 皮秒解析度) 。 5 提供了用戶可配置的1 6 位或3 2 位外部存儲(chǔ)器接口與高速串行端口，包括了 c a n 、1 2 c 、u a r t 、s p i 以及t i 的多通道緩沖串行端口( m c b s p ) 等通訊端口，提 高了整體系統(tǒng)帶寬。 從數(shù)字輸入到高解析度控制輸出，所有f 2 8 3 3 x 控制器都為單芯片控制應(yīng)用提供 了出色的系統(tǒng)集成功能。本課題所采用的是t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 x 2 8 2 3 x 系列中的f 2 8 2 3 4 ， 其主要特點(diǎn)如下【1 0 川】： 采用高性能靜態(tài)c m o s 技術(shù)，內(nèi)核和i o 供電電壓分別為1 9 v 1 8 v 和3 3 v ，高 達(dá)15 0 m h z 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到6 6 7 n s ； 基于t m s 3 2 0 c 2 8 xd s p 的3 2 位高性能c p u 內(nèi)核，支持1 6 1 6 位和3 2 3 2 位或 者雙1 6 x1 6 位的乘加期( m u l t i p l i c a t i o na d d e rc y c l e ) 操作，哈佛總線結(jié)構(gòu)、快 速中斷響應(yīng)與處理、統(tǒng)一的存儲(chǔ)器編程模式、高效率的執(zhí)行代碼； 用于a d c 、m c b s p 、e p w m 、x i n t f 和s a r a m 的6 通道的d m a 控制器； 片內(nèi)高達(dá)1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 程序存儲(chǔ)器、高達(dá)3 4 k 1 6 位的s a r a m 、1 k x 1 6 位的o t pr o m 、還有8 k 1 6 位的b o o tr o m 空間； 片外高達(dá)2 m 1 6 位的可擴(kuò)展的1 6 位或3 2 位外部存儲(chǔ)器接口； 用于f l a s l i 0 p t 】m u v i 的1 2 8 位密碼保護(hù)； 具有可編程的p l l 鎖相環(huán)、片內(nèi)晶振及看門(mén)狗定時(shí)器( w d t ) 的時(shí)鐘與系統(tǒng)控 制； g p l 0 0 - g p l 0 6 3 可用于產(chǎn)生8 個(gè)外部中斷中的1 個(gè)： 支持所有5 8 個(gè)外設(shè)中斷的外設(shè)中斷使能控制模塊； 增強(qiáng)的控制外設(shè)，包括多達(dá)1 8 個(gè)脈寬調(diào)制( e p w m ) 通道、其中6 個(gè)高分辨率脈 寬調(diào)制( h r p w m ) 通道( 它的時(shí)間步長(zhǎng)精度達(dá)到1 5 0 p s ) 、6 個(gè)事件捕獲( e c a p ) 通道、2 個(gè)正交編碼器( e q e p ) 接口、多達(dá)8 個(gè)3 2 位或者9 個(gè)1 6 位的定時(shí)計(jì)數(shù) 器； 3 個(gè)3 2 位的c p u 系統(tǒng)計(jì)數(shù)器； 串行外設(shè)接口，包括2 個(gè)e c a n 總線控制器、3 個(gè)的串行通信( s c i 、u a r t ) 接 口模塊、2 個(gè)可配置為s p i 的多通道緩沖串行端口( m c b s p ) 、1 個(gè)1 6 位串行外 7 第一章緒論逆變電源在i 乜梯i 乜能同饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 設(shè)( s p i ) 接口模塊、1 個(gè)1 2 c 接口： 1 2 位a d c 轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為8 0 n s ，2 x8 個(gè)多路復(fù)用的輸入通道，2 個(gè)采 樣保持電路和1 個(gè)轉(zhuǎn)換電路，采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間分開(kāi)，提高了采樣率和輸入阻 抗，并且支持序列采樣和同時(shí)采樣，配有內(nèi)部或外部基準(zhǔn)電壓。 多達(dá)8 8 個(gè)可獨(dú)立編程或者復(fù)用的帶輸入濾波的通用輸入輸出引腳( g p i o ) 。 1 6d s p 在電力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 。 隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，d s p 處理器廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音圖像處理、通信、高清電 視、雷達(dá)及聲納等領(lǐng)域，然而它在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用卻比較晚。工業(yè)控制領(lǐng)域中，電 力系統(tǒng)設(shè)備通常使用微處理器等控制型器件。隨著控制理論的發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng) 實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、運(yùn)算能力等要求不斷提高，傳統(tǒng)的微處理器、微控制器在計(jì)算 能力方面不能很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，因此d s p 處理器被逐漸應(yīng)用到電力控制 系統(tǒng)中來(lái)。 針對(duì)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，電力裝置的輸入一般僅限于電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)的測(cè) 量，而輸出一般通過(guò)p w m 或者i 0 口去控制功率管的導(dǎo)通與斷開(kāi)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處 理也只限于求解基波、諧波向量、有效值、有功功率、無(wú)功功率、以及求解正序、負(fù) 序和零序分量等，因此適用于電力系統(tǒng)特點(diǎn)的算法實(shí)現(xiàn)并不多。 近年來(lái)，隨著國(guó)際光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，世界上各個(gè)國(guó)家對(duì)光伏的政策扶持 力度不斷加強(qiáng)，我國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也得到了迅猛發(fā)展。太陽(yáng)能光伏發(fā)電亟待解決的 最大問(wèn)題，就是如何提高太陽(yáng)能逆變器對(duì)太陽(yáng)能電池板的電能轉(zhuǎn)換效率，必須對(duì)太陽(yáng) 能電池板的輸出進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤( m p p t ) ，以及根據(jù)不同負(fù)載情況( 如陰天、光 照不強(qiáng)等) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)算法調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)峰值效率最大化。 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 北8 2 3 x 系列是美國(guó)德州儀器( t i ) 公司推出的業(yè)界首款浮點(diǎn)數(shù)字 信號(hào)處理器( d s c ) 。f 2 8 3 3 x 控制器的強(qiáng)大性能可充分發(fā)揮最大功率點(diǎn)跟蹤算法與動(dòng) 態(tài)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，能夠提高太陽(yáng)能逆變器對(duì)太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率，并在回饋電網(wǎng)( u t i l i t y g r i d ) 上集成數(shù)據(jù)記錄、電力線通信( p l c ) 與逆變器同步等更多系統(tǒng)特性【1 2 j 。目前， 全球領(lǐng)先的太陽(yáng)能逆變器制造商大都采用t i 的d s c 。 f 2 8 3 3 x 控制器與所有前代t m s 3 2 0 c 2 8 x 控制器實(shí)現(xiàn)了全面的軟件兼容。f 2 8 3 3 x 8 逆變電源枉電梯電能州饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究第一章緒論 芯片具有處理性能更好、存儲(chǔ)空間更大、a d 轉(zhuǎn)換速度更快和精度更高、外設(shè)集成度 更高等特點(diǎn)，是電力控制系統(tǒng)數(shù)字化的升級(jí)產(chǎn)品。許多先進(jìn)外設(shè)被集成到該系列芯片 內(nèi)，以形成真正的單芯片控制器。f 2 8 3 3 x 控制器還得到了t it m s 3 2 0 c 2 0 0 0 丌數(shù)字 馬達(dá)控制與數(shù)字電源軟件庫(kù)的支持，可幫助開(kāi)發(fā)人員采用c 2 0 0 0 控制器快速進(jìn)行馬 達(dá)控制或數(shù)字電源系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)工作，幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，增加系統(tǒng)性能， 提高工作效率。f 2 8 3 3 x 控制器不僅在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中取得了優(yōu)越的性能，而且在 其他電力控制應(yīng)用中也表現(xiàn)出卓越的優(yōu)勢(shì)，如改善交流( a c ) 變速驅(qū)動(dòng)的功率與性 能、增強(qiáng)汽車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用的性能等。 1 7 本課題的意義及研究主要內(nèi)容 由于傳統(tǒng)的交直交變頻器前級(jí)整流部分均采用不可控整流電路，因此前級(jí)無(wú)法 實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，從交流負(fù)載端回饋到中間直流環(huán)節(jié)的電流會(huì)給電容充電，為了 使泵升電壓限制在一定的范圍內(nèi)，一般采用如圖1 2 所示的方法。圖1 4 所示的方法 雖然可以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)電路之間電能的雙向流動(dòng)，但是控制復(fù)雜度增加，成本也較高，需 要對(duì)變頻器重新設(shè)計(jì)。采用如圖1 3 所示的方法，在交流輸入端與中間直流之間反接 可控變流器，既節(jié)約成本、降低控制的復(fù)雜度，又不必重新設(shè)計(jì)變頻器，從而實(shí)現(xiàn)直 流電能再生回饋與并網(wǎng)。既節(jié)能環(huán)保、改善了變頻器的工作環(huán)境，又在一定程度上降 低了技術(shù)難度與開(kāi)發(fā)成本。該逆變電路以終端電網(wǎng)為負(fù)載，輸出交流電能回饋當(dāng)?shù)仉?網(wǎng)，這種逆變器稱為有源逆變器。目前逆變器并網(wǎng)控制多采用相控方式，并利用負(fù)載 電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)換流。 論文主要研究了基于t m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 的直交逆變s v p w m 控制方法與系統(tǒng)并網(wǎng) 控制的條件與方法，設(shè)計(jì)制作了具體電路并結(jié)合統(tǒng)一s v p w m 快速算法進(jìn)行了軟件 設(shè)計(jì)。全文共分五章，主要研究工作及章節(jié)安排如下： 第一章緒論簡(jiǎn)要說(shuō)明了逆變電源在電梯電能回饋系統(tǒng)中應(yīng)用的背景意義，介 紹了交直交變頻器基本工作原理，概括并總結(jié)了逆變器數(shù)字控制的特點(diǎn)、數(shù)字信號(hào) 處理器t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 x f 2 8 2 3 x 系列的主要特點(diǎn)和d s p 技術(shù)在電力控制系統(tǒng)中的應(yīng) 用。 第二章p w m 控制技術(shù)與有源逆變首先介紹了傳統(tǒng)的逆變電路的基本原理與 9 第一章緒論逆變電源在電梯電能【口1 饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 各種p w m 控制方法，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了傳統(tǒng)s v p w m 方法與載波p w m 方法的 內(nèi)在聯(lián)系與統(tǒng)一性，為第四章的軟件編程提供了理論基礎(chǔ)；其次對(duì)有源逆變與可控整 流進(jìn)行了研究與分析，得出了系統(tǒng)工作于有源逆變狀態(tài)的充分條件。 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)用框圖的形式描述了電梯電能回饋系統(tǒng)的總體組成，并 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置。介紹了系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)和智能型功率模塊， 簡(jiǎn)單描述了逆變功率主電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、直流檢測(cè)電路和交流檢測(cè)回路。 第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)首先簡(jiǎn)要說(shuō)明了系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)所使用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 c c s 3 3 ，給出了系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)主程序流程圖、中斷處理流程圖，并對(duì)系 統(tǒng)底層與硬件相關(guān)的軟件初始化流程進(jìn)行了說(shuō)明，包括e p w m 初始化流程、e c a p 初 始化流程及a d 轉(zhuǎn)換流程；其次給出了實(shí)時(shí)s v p w m 算法的具體流程，并結(jié)合有源 逆變與并網(wǎng)控制條件，對(duì)系統(tǒng)上層閉環(huán)反饋控制進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。 第五章實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析給出了m a t l a b 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際實(shí)驗(yàn)波形結(jié) 果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。 第六章總結(jié)與展望對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)下一步工作進(jìn)行了展望。 l o 逆變電源在電梯電能回饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 第二章p w m 控制技術(shù)與有源逆變 第二章p w m 控制技術(shù)與有源逆變 與整流電路相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電的電路稱為逆變電路。當(dāng)交流側(cè)接在電 網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變電路；當(dāng)交流側(cè)直接與負(fù)載相接時(shí)，稱為 無(wú)源逆變電路。在不加說(shuō)明時(shí)，逆變電路一般多指無(wú)源逆變電路。本章首先主要討論 了無(wú)源逆變電路的p w m 控制方法，其次通過(guò)對(duì)換流電路的整流及有源逆變兩種工作 狀態(tài)進(jìn)行分析，得出換流電路工作于有源逆變狀態(tài)的充分條件，從而實(shí)現(xiàn)有源逆變電 路的并網(wǎng)控制。 2 1 方波逆變電路 電壓源單相半橋式逆變電路與單相全橋式逆變電路分別如圖2 1 和圖2 2 所示。 方波逆變電路主要采用非移相和移相控制方式，方波逆變電路的結(jié)構(gòu)與控制方式簡(jiǎn) 單，直流電壓利用率高。但是由于輸出電壓不可調(diào)、輸出電壓諧波含量高等缺點(diǎn)，已 逐步被s p w m 逆變電路所取代。 圖2 1單相半橋式逆變電路圖2 2單相全橋式逆變電路 2 2s p w m 逆變電路 脈寬調(diào)制是一種重要的逆變方法，脈寬調(diào)制是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷 將直流電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)后變成脈沖序列，并通過(guò)控制脈沖寬度、周期以達(dá)到調(diào)節(jié)電流、 電壓、頻率及控制諧波的目的。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)是由一系列周期固定的等幅不等寬 的脈沖序列組成的，這個(gè)固定的脈沖周期稱為p w m ( 載波) 周期，其倒數(shù)稱為p w m 頻率。p w m 脈沖序列的寬度則由另一組期望值序列來(lái)確定或調(diào)制，該期望值序列就 第二章p w m 控制技術(shù)與有源逆變 逆變電源在電梯, e f l 同饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 是調(diào)制信號(hào)。 逆變用p w m 技術(shù)是一種調(diào)制信號(hào)周期化的p w m 技術(shù)，將調(diào)制信號(hào)變成幅值和 頻率均可變化的周期信號(hào)時(shí)，主電路輸出電壓便成為頻率和幅值均可調(diào)的交流電壓從 而實(shí)現(xiàn)d c a c 的變換。技術(shù)發(fā)展證明，調(diào)制信號(hào)正弦化的p w m 技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)， 是目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用p w m 技術(shù)，即正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)( 簡(jiǎn)稱s p w m ) 。 2 2 1 等效面積方法 把一個(gè)正弦半波分成n 等份，每一等分的正弦曲線與橫軸包圍的面積都用一個(gè) 與此面積相同的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合， 這樣，由n 份等幅不等寬的矩形脈沖所構(gòu)成的波形就與正弦波等效，等效面積方法 如下圖2 3 所示。這一系列脈沖波形的寬度和開(kāi)關(guān)時(shí)刻可以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法計(jì)算得 到【1 3 - 15 1 。 圖2 - 3 等效面積法產(chǎn)生s p w m 在區(qū)間 f ，缸 ，正弦波面積為s ，則有如公式( 2 1 ) 所示： s = m u si a t s i n c o t d t = m c o u s i c o s c o t - c o s c o ( t + a t ) i ( 2 - 1 ) 式中m 為調(diào)制深度，u s 為直流電源電壓。s 2 對(duì)應(yīng)區(qū)間e t ，a t 的脈沖面積。 s 2 = 萬(wàn)u s 2 1 2 ( 2 2 ) 逆變電源在電梯電能【口l 饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究第二章p w m 控制技術(shù)與自源逆變 將正弦信號(hào)的正半周用高度為u s 2 的脈沖等效，負(fù)半周脈沖高度為一蟣2 。如上圖 所示正半周n 等份，則每份為萬(wàn)弧度。設(shè)第k 份脈沖寬度為甌，由第k 份j 下弦 波面積與對(duì)應(yīng)的第k 個(gè)s p w m 脈沖面積相等，解得脈沖寬度如公式( 2 3 ) 所示： 甌= 警 c 。s ( 與尹力- - c o s ( - - 壽 力】 ( 2 - 3 ) 2 2 2 自然采樣方法 自然采樣法( n a t u r a ls a m p l i n g ) 移植了模擬控制的方法，以正弦波為調(diào)制波、等 腰三角形為載波進(jìn)行比較，計(jì)算正弦波與三角波的交點(diǎn)，從而求出相應(yīng)的脈寬和脈沖 間歇時(shí)間，生成s p w m 波形，原理如下圖2 4 所示。此脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程， 計(jì)算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制。 2 2 3 規(guī)則采樣方法 圖2 4 自然采樣法 規(guī)則采樣方法( r e g u l a rs a m p l i n g ) 原理，當(dāng)載波頻率z 遠(yuǎn)高于輸出頻率廠時(shí)， 輸出頻率隨時(shí)間變化的正弦調(diào)制信號(hào)u 。在一個(gè)載波周期c 中可視為恒定，其實(shí)質(zhì)是 用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻來(lái)控制開(kāi)關(guān) 器件的通斷。規(guī)則采樣方法的計(jì)算顯然比自然采樣法簡(jiǎn)單，圖2 5 所示為對(duì)稱規(guī)則采 樣方法原理圖及單載波周期放大圖，三角載波只在其頂點(diǎn)( 或谷點(diǎn)) 位置對(duì)正弦波進(jìn) 行采樣，由階梯波與三角波的交點(diǎn)確定脈沖寬度，這種方法在一個(gè)載波周期內(nèi)是對(duì)稱 的，因此稱為對(duì)稱規(guī)則采樣方法【1 6 以7 1 。但由于采樣水平線與三角載波的交點(diǎn)都處于正 弦波的同一側(cè)，所得脈沖寬度明顯地偏小，從而造成控制誤差。圖2 6 所示為非對(duì)稱 規(guī)則采樣方法原理圖及單載波周期放大圖，三角載波在正弦波的頂點(diǎn)和谷點(diǎn)均進(jìn)行采 13 第二章p w m 控制技術(shù)與有源逆變 逆變電源在電梯電能同饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 樣，一個(gè)載波周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣，階梯波與三角波在一個(gè)載波周期內(nèi)有兩個(gè)交點(diǎn)， 這種方法所確定的脈沖寬度在前半周期與后半周期為非對(duì)稱的，因此稱為非對(duì)稱規(guī)則 采樣方法，顯然這種方法比對(duì)稱規(guī)則采樣方法更精確。只要選擇的載波比= z 廠 足夠大，兩種方法產(chǎn)生的階梯波都很逼近正弦波，所造成的誤差就可以忽略不計(jì)了。 圖2 5 對(duì)稱規(guī)則采樣方法原理圖、單載波周期放大圖 圖2 - 6 非對(duì)稱規(guī)則采樣方法原理圖，單載波周期放大圖 然而，s p w m 逆變控制的目標(biāo)函數(shù)被定為在輸出電壓的正弦化：希望直流電壓 利用率盡量高，諧波含量盡量低，在這個(gè)目標(biāo)下產(chǎn)生了電壓型逆變電路。這種電路就 其輸出電流而言是開(kāi)環(huán)的，它可能遠(yuǎn)非正弦波，因?yàn)樵陔妷涸茨孀冸娐分?，輸出電?的波形會(huì)受到負(fù)載參數(shù)的影響。電流的諧波分量不僅使電路損耗增加、效率下降，還 會(huì)影響電路的工作性能。據(jù)此才有電流型控制方式的出現(xiàn)，它直接追求輸出電流的正 弦化，這比只著眼于輸出電壓更進(jìn)了一步。 2 3s v p w m 原理 空間矢量的概念最初應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的分析，空間電壓矢量脈寬調(diào)制 控制技術(shù)，是根據(jù)空間電壓( 磁通) 矢量的定義，以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流 1 4 逆變電源在電梯電能同饋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 第二章p w m 控制技術(shù)與有源逆變 電機(jī)的理想磁通為基準(zhǔn)，把逆變器和交流電機(jī)視為整體，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式對(duì) 應(yīng)的空間電壓矢量，作用不同的時(shí)間并相加，使所產(chǎn)生的實(shí)際磁通逼近基準(zhǔn)圓磁通， 形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)【1 8 1 9 】。而在有源逆變控制系統(tǒng)中，則將逆變器與負(fù)載電網(wǎng)視為整 體，逆變器開(kāi)關(guān)產(chǎn)生各種的基本空間電壓矢量。根據(jù)伏秒平衡原理，由基本空間電壓 矢量來(lái)合成所需的基準(zhǔn)電壓矢量。 實(shí)踐和理論證明，空間矢量p w m 技術(shù)與正弦脈寬調(diào)制( s p w m ) 相比，具有較 高的直流電壓利用率，空間矢量p w m 比s p w m 對(duì)直流電壓的利用率約高1 5 ，提 高了對(duì)電壓源逆變器直流供電電源的利用效率1 9 】。s v p w m 在輸出電壓或電機(jī)線圈中 的電流中都將產(chǎn)生更小的諧波，能將輸出電流的諧波分量降到最低限度。 2 3 1c l a r k e 變換和p a