三电平逆变器变频调速系统设计

(崇左凭祥供电局，广西 凭祥 532600)

1 前言

本文主要将介绍二极管箝位型三电平的变频调速系统主电路的的设计以及驱动电路的设计，保护电路的设计等等。

2 系统整体结构的硬件设计

在三电平逆变器的变频调速系统中，系统主体电路作为执行环节，它的稳定性和可靠性非常重要，直接关系到整个系统能不能正常运转。

三电平逆变器变频调速系统拓扑图如图1所示，从中可以看出改系统电路主要整流电路、三电平逆变器、电动机负载和采样、控制、驱动、保护电路等等。整流电路主要由6个整流二级管按照桥式结构连接而成，二极管箝位型三电平逆变器主要由二极管、由IGBT控制的功率开关管、电容C1和C2组成。控制电路由驱动电路(IGBT驱动的)、电压电流釆样电路和保护电路等组成。

图1 逆变器变频调速系统主电路如图

3 系统主体电路

本文所采用的系统是电压型交一直一交变频装置结构[1]，整流电路由二极管三相整流桥模块组成，其整流部分是不可控的全桥整流电路设计；三电平逆变器部分则采用由IGBT作为功率开关，其主体电路原理图如图2所示。图中中间直流回路中的电阻R3，其作用是输入限流，用来限制系统起动时的冲击电流，限制充电过程最长时间0.2s，稳态工作时使用接触器J1将该电阻断开，其动作是为了减少变频部分正常工作的时候在中间直流上的消耗的功率。

图2 系统总体电路设计原理图

4 电压电流的采样电路设计

在本文中采用了电压和电流的采样电路。把采样电阻R1上的电压送入到采样电路中去，经过一系列的处理输入到DSP。电流的检测一般主要有三种： 霍尔元件检测、分压电阻法和电流互感器检测法。分压电阻法一般成本比较低和精度相对高，因为得到了广泛的应用，然而霍尔元件检测法因为不能与电路串、并联，此中做法不破坏小的封装和电路的完整性而得到了应用；电流互感器法则主要用于大电流和交流电的场合当中。三种方法各有其优点。

本文主要采用了霍尔元件检测法，压电流的采样电路如图3所示，图中可以从霍尔传感器输入电压和电流。然后这些电压和电流信号通过电阻送到运算放大器中，输出到ADCINl脚。

图3 电压电流采样电路

5 IGBT驱动电路的设计

PWM信号的电流信号较弱，因其驱动能力比较小,所以需要在IGBT的前面加一前端加一驱动电路以此来增大驱动电流。

理想的IGBT应该具有以下几个方向的性能：

(1)在出现短路和过流等非正常的情况下，它能够很快的发出保护信号。

(2)在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷，能向IGBT提供足够的反向栅压[2]。

(3)能把输入输出进行隔离，即能很好的隔离控制电路和主体电路；

(4)IGBT性能优异,不仅如此，其成本也非常小，性价比相当高；

(5)IGBT具驱动性能好，不仅如此，它可以其栅极提供驱动脉冲波；

(6)为了IGBT栅极不被电压所击穿，它应该具备栅压限制其幅值的能力。

二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构是本文采用的拓扑结构,IGBT有12个,那么就需要12个PWM信号来驱动,那么就需要6个2SD315AI模块来驱动IGBT运行,输入PWM信号在INA端,输入PWM2信号在INB端,与此同时,因为连接在一起的输出端S01和S02,那么输出同一故障信号的时候需要两个驱动通道。

6 保护电路的设计

保证变频调速系统可靠性的重要环节是直流母线电压的检测与保护。如果数值超过限度的时候,控制器将会根据所接收到的故障信号进行一些列的操作,这样来是保护系统能够稳定的正常运行。当直流母线电压过高的时候,就很有可能烧坏功率器件,那么就需要采取恰当的保护措施。反之，当直流母线电压过低的时候,此时的系统工作在不是额定状态下,如果长期这样下去，任何一个器件的使用寿命将会缩短很多。

如果直流母线是电压正常的时候,此时过压保护电路将会输出0电平；如果直流母线电压过高的时候,过压保护电路就会输出+3.3V的高电平。保护电路输出的信号将会送入数字信号处理器中,经过数字信号处理器的一系列处理后就将会输出来控制脉冲宽度调制信号是否封锁。

7 速度采样电路的设计

三相异步电动机对转速的检测是必不可少的，调速系统与电机的转速有莫大的关系，因此转速的检测是否准确将会直接影响调速系统的稳定[3]，本文设计的系统中电机转速的测量采用的是测频法,即在一定的时间T内,对脉冲编码器的输出进行计数,设计数值为m,若脉冲编码器转动一周输出的脉冲数为P,从而可以得到测量的转速为:n=60m/pT,其中转速n的单位为r/min,此方法适用于中高转速的测量,因为电机运行速度越高,脉冲编码器在一定时间输出的脉冲数就越多,从而转速检测的准确度也就越高，速度采样电路如图4所示。

图4 系统主程序的流程图

8 系统软件的编写

系统控制的主要部分DSP软件的控制。整个软件过程有三个部分： 变量初始化、硬件初始化、中断服务子程序部分。软件设计主要在于两个模块： 初始化模块和运行模块。DSP软件控制程序主要分为主程序和矢量控制中断服务子程序。用于完成初始化外设和对程序中赋初值给变量，这是主程序的工作,初始化工作完成后等待中断程序。

9 上电缓冲延时程序的设计

上电缓冲程序图按照如图5所示。

图5 上电缓冲电路

10 电流电压采样程序设计

在三电平逆变器的变频调速系统中，电流采样设置的范围为0～15A，电压采样设置的范围为0～600V。输入到DSP的数据是存储在ADC转换结果的缓冲寄存器RESULTx里的，并且是存放在它的高10位，因此需要通过右移才能得到正确的采样结果，那么此时AD口的采样范围为0～3FFH，对应着电流的0～15A，电压的O～600V，经过这些处理后就可以得到模拟量和数字量二者之间的比例关系。采样程序如图6所示。

图6 电压电流采样中断程序图

11 结束语

介绍了二极管箝位型三电平逆变器的变频调速系统的整体框图，并简单的介绍了系统主体电路、电压电流的采样设计、IGBT驱动电路设计、保护电路设设计以及系统软件的编写。