基于TMS320F28335的变频器能量回馈系统

毛康宇，宁国云

（武汉大禹电气有限公司，湖北 武汉430205）

变频器广泛应用于工业领域，在很多情况下，其负载会回馈能量.大多数变频器属于两象限变频器，不具有把负载的再生能量回馈到电网的功能，只能通过配备制动单元，将电机的再生能量通过制动电阻发热消耗掉.在变频器内部设计一个能量回馈器，可以实现将再生能量回馈到电网，避免使用制动电阻耗能.本文设计了一种基于TMS320F28335的变频器能量回馈器，并进行了试验.

1 变频调速系统能量回馈原理

具有能量回馈功能的电压型变频器基本拓扑结构如图1所示［1］.

图1 具有能量回馈功能的变频器结构

变频器的硬件电路由主回路和控制回路两部分组成.主回路由变流器1、变流器2、直流支撑电容组成，2个变流器均可工作于整流和逆变状态；控制回路由模拟采样电路、驱动电路、人机界面电路等构成.主回路通过整流、储能、逆变等方式，实现电机与电网的能量交换；控制电路完成对变流器的驱动控制、电压控制、电流控制以及各种保护功能.

当电机处于电动状态时，在变流器1的控制下，对电网三相交流电进行PWM整流或者不控整流，再经直流支撑电容滤波，然后在变流器2的控制下进行逆变，输出三相交流电.在此过程中，能量从电网流入变流器，送到电机，转换成机械能输出.

当电机处于发电状态时，电机的机械能会有一部分转变成电能，通过变流器2进行整流，输入到直流支撑电容上，使电容端电压持续上升.当电容电压上升到设定阈值后，变流器1在控制电路的作用下转换到有源逆变状态，把电容上的能量回馈到电网.在此过程中，能量从电机流入变流器，然后回馈到电网中［2］.

从上述分析可以得知，若要变流器工作于能量回馈状态，必须满足以下条件：

1）网侧变流器必须能够在整流和逆变两种状态下工作，因此变流器必须可控，变流器通常为由IGBT组成的三相半桥；

2）直流母线电压要高于回馈阈值，回馈阈值的设定取决于电网电动势值和变流器的器件耐压值；

3）变流器回馈时的频率必须和电网电压频率同步，变流器必须能够实时采样电网频率［3］.

2 直接电流控制回馈算法

2.1 三相电压型变流器模型

三相电压型变流器的电路拓扑结构如图2所示.

图2 三相电压型变流器的电路拓扑结构图

图2中：eL为直流电动势；L为网侧滤波电感；ea（t），eb（t），ec（t）为 电 网 三 相 电 动 势；va（t），vb（t），vc（t）为三相半桥输出电压；C 为直流侧滤波电容；RL为直流侧负载电阻，Rs为功率管以及线路上的等效损耗电阻.

忽略电阻Rs，在三相静止坐标系中，由三相交流侧易得网侧电感端电压分别为

经过坐标变换后，在同步旋转d－q坐标系中，有以下公式

式中：u为直流母线电压，ud和uq为三相变流器交流侧输出电压的d－q分量.

2.2 电能回馈控制策略

系统采用SVPWM技术来控制变流器的开关，实现回馈控制.控制框图如图3所示［4］.

智慧珠的设计本身富含数学的结构（见图1），学生通过静心观察、深度思考就可以了解智慧珠整体的情况。独立思考后小组交流。此实验不需要教师指导，全由学生自行完成。

从图3可以看到，系统采用双闭环控制策略实现回馈电流和直流母线电压控制.电压环为外环，电流环为内环.

图3 能量回馈控制框图

2.2.1 电流内环工作原理 变流器回馈到电网的电能可以分解成有功分量和无功分量，进行回馈的时候，要求回馈的有功能量比例越大越好，因此要求回馈时，具有较高的功率因数，并且能够实时检测并调节有功分量.

在d－q坐标系下，网侧电流的d轴分量Id为有功分量，q轴分量Iq为无功分量.变流器需要采用两个电流控制器，以便分别调节Id和Iq的值，以减少无功分量的输出.

在图2中，回馈时，变流器网侧三相电流Ia、Ib、Ic经过采样检测处理后，进行Clark变换，实现静止三相坐标系到静止两相坐标系的变换，得到Id和Iq；同时变流器的电网频率检测和同步模块（PLL）计算出此时的电网相位值θ，经过Park旋转变换后，得到同步旋转坐标系下等效直流量ID和IQ，作为电流环的反馈量.

ID和IQ分别经过Clark和Park变换后，再送入各自的PI调节器，分别对ID和IQ进行控制.在进行能量回馈的时候，要求变流器工作在高功率因数下，因此，IQ的给定值一般设为0，ID的给定值来自于电压环输出值.

ID和IQ经过各自PI运算后，得到各自的控制量，然后根据相位值θ经过反Park变换以及SVPWM运算后，得到变流器三相半桥各个开关管的驱动脉冲宽度，经过驱动电路送到开关管上，开关管把直流母线上的能量回馈到电网.

3 变频器能量回馈器硬件设计

3.1 主回路设计

主回路分为4个部分：网侧电感、网侧变流器、直流支撑环节、负载侧变流器.

网侧变流器1为1个三相半桥，由T11～T16IGBT构成，每个IGBT内部具有一个反并联二极管D11～D16，直流支撑环节为大容量电解电容；负载侧变流器2同样为1个三相半桥，分别由T21～T26IGBT及其反并联二极管D21～D26组成（图4）.

主回路可以在电动状态和回馈状态两种状态工作.

3.1.1 电动状态 在电动状态下，网侧变流器1工作于整流状态，如果对网侧变流器1进行控制，此时，网侧变流器的IGBT成为boost升压斩波器，网侧电感L成为boost升压电感，对直流电容进行充电；如果不对网侧变流器1的IGBT进行控制，那么IGBT反并联二极管将工作在不控整流状态，网侧电感L可以看成输入电抗器.

图4 主回路结构

直流回路充电后，在控制回路的控制下，负载侧变流器工作在逆变状态，拖动电机正转或者反转.3.1.2 能量回馈状态 电机工作在回馈状态时，电能通过负载侧变流器2送入直流支撑环节.随着电机能量不断输入，直流支撑电容持续充电，使直流母线电压持续上升.当母线电压超过设定的阈值后，控制电路根据回馈算法，控制网侧变流器1工作在有源逆变状态，把直流环节电容存储的能量回馈到电网.

3.2 控制回路设计

图5 控制回路原理框图

变频器能量回馈器控制回路部分原理框图如图5所示［5］.其硬件系统由DSP处理器、IGBT驱动电路、模拟／数字信号采样检测电路、键盘和液晶屏界面、上位机通信电路、辅助开关电源电路组成.

3.2.1 处理器 TMS320F28335是美国德州仪器公司生产的一款高性能、32位浮点电机控制用数字信号处理器.本系统采用此处理器来进行系统控制，

系统内核时钟工作在150MHz，进行各路模拟／数字量采集和坐标变换处理、实时SVPWM算法处理、IGBT驱动、外部通信、键盘扫描和液晶屏控制.

3.2.2 关键电路 本系统关键信号为网侧电流信号、直流母线电压和交流电网过零信号.网侧电流信号由霍尔电流传感器采样，直流母线电压由霍尔电压传感器采样，送入控制板上的采样电路进行调理运算后，转换成0～3V的电压信号，然后送入到DSP的AD端口.交流电网过零信号由3个变压器组成的电路进行滤波和采样，变压器原边电压为滤波后的电网电压信号，接法为Y接法，副边为Δ接法，经过数字逻辑电路处理后，电网三相电压信号每次过零，会输出一个高电平，送至DSP的捕获口.

4 软件结构设计

系统软件主要分为模拟／数字采样模块、PLL模块、电压环PI模块、有功电流PI模块、无功电流PI模块、坐标变换模块、SVPWM计算模块、PWM发生模块、通信模块、系统时序控制模块、系统保护模块.

模拟／数字采样模块用于采集系统的电压、电流信号以及外部开关量信号；PLL模块用于采集电网频率，用于回馈器与电网同步；电压环PI模块用于计算和调节变频器直流母线电压；有功电流PI模块和无功电流PI模块用于完成电流控制；坐标变换模块用于将三相电流进行坐标变换，然后送入电流环运算；电流环的运算结果送到SVPWM模块，生产三相SVPWM脉冲宽度，送入PWM发生模块；PWM发生模块产生三相半桥6桥臂的驱动；通信模块实现系统与上位机的串行通信；系统时序控制模块，用于控制系统的上下电、初始化、整流和有源逆变切换等功能；系统保护模块进行故障保护，能够进行过欠压、过流、过温、开关管故障等保护.

5 测试结果

5.1 测试条件

1）电网电压三相380V，50Hz；

2）网侧电感0.2mH；

3）回馈电流7A.

5.2 测试波形

稳态工作时，实际测试波形如图6所示.

图6 能量回馈器网侧电流电压波形

在图6中，电流波形为泰克A621实测波形，电压波形经过降压后送至示波器中.

5.3 结果分析

从波形图上分析，实际测试电流波形非常接近正弦波，在回馈电流7A的情况下，电流相位和电网相位基本相同，用三相电能质量分析仪，测出三相功率因数均达到0.9.

［1］胡崇岳.现代交流调速技术［M］.北京，机械工业出版社，1998.

［2］陈伯时，陈敏逊.交流调速系统［M］.北京：机械工业出版社出版社，1998.

［3］减英杰，吴守篇.交流电机的变频调速［M］.北京：中国铁道出版社，1984.

［4］张崇巍，张 兴.PWM整流器及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［5］李永东.交流电机数字控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2002.