电机软开关逆变控制系统的设计与实现＊

杨迎化 谢顺依 高洪林 王新华 陈 晔

(海军工程大学兵器工程系1) 武汉 430033) (海军潜艇学院导弹兵器系2) 青岛 266071) (海军航空工程学院青岛分院3) 青岛 266041)

电力电子装置正在向高频化的方向发展,高频化为脉宽调制(pulse width modulation,PWM)变频调速带来了更大的发展空间.然而,常规的PWM逆变器,其功率开关管在硬开关(hard switching)条件下切换,即在电压不为零时导通,或在电流不为零时关断,处于强迫开关过程.硬开关条件下开关管开关频率的提高带来了一系列新问题：开关损耗与器件损坏问题、感性关断问题、容性开通问题、二极管反向恢复问题、电磁干扰(electromagnetic interference,EMI).克服以上缺陷的有效方法就是采用谐振软开关(soft switching,SS)技术.所谓“软开关”,通常是指零电压开关(zero voltage switching,ZVS)和零电流开关(zero current switching,ZCS)或近似零电压开关与零电流开关[1].软开关逆变电路(DC-AC)自1986年提出以来,受到了国际传动界的广泛关注,它与传统的硬开关逆变电路相比,有着许多明显的优势,但目前还远未达到成熟的程度,实际中未能像DC-DC PWM变换器那样得到广泛应用.各国的专家学者们目前在这一研究领域正在作着不懈的努力.人们公认,此种类型的逆变器将是下一代逆变器的发展主流.

本文将一种新型的直流环节并联谐振软开关逆变器(parallel resonant DC link inverter,PRDCLI)应用于基于CAN通信的交流电机调速系统中.它可以使逆变器输入侧的直流电压在任何需要的时刻回落到零,并可以保持一段所需的时间,还可以将软开关谐振技术和SVPWM[2-3]技术协调起来.由于开关频率的提高,软开关逆变器可以向交流电机提供更加平滑的三相正弦电压,从而保证电机平稳可靠地运行.文中对硬开关和软开关条件下电机的运行性能进行了对比,证明软开关技术具有明显的优势.

1 软开关逆变器控制的交流电机调速系统

软开关逆变器控制的交流电机调速系统原理如图1所示.图中,上位机(PC)按照自定义的通信协议通过PCI-5121智能CAN接口卡与下位机(TMS320 LF2407自带有支持CAN2.0B协议的CAN控制器)实现实时CAN总线通信.上位机向下位机发送电机运行/停止、转速设定值以及电机控制参数等数据,下位机将其接收到的数据处理后控制交流电机调速系统.同时下位机采集到交流电机运行过程中的转速、电流以及转矩等数据,经过A/D转换将处理后的电机数据发送给上位机,上位机通过PCI-CAN接口卡接收到电机的数据,对数据进行分析处理,获取有用数据,并在控制系统主控制界面上显示出电机数据,实时反映电机的运行状况.

图1 软开关逆变器控制的交流电机调速系统原理图

2 软开关逆变控制系统原理

2.1 新型直流环节并联谐振软开关逆变器

系统采用一种新型的直流环节并联谐振环节与三相全桥逆变器[4-6]组成软开关逆变器,向感应电机供电,其拓扑结构如图2所示.系统电路直流侧电压源Ui、谐振环节、三相全桥逆变器电路及感应电机组成.谐振环节由开关管 T1和与其反向并联的二极管D1组成、开关管T2、二极管D2、谐振电感Lr1和Lr2,其值均为Lr,以及谐振电容Cr组成.三相全桥逆变器电路主要由开关管S1～S6、与其并联的电容及与其反并联的二极管组成.

图2 新型PRDCLI的拓扑结构

软开关逆变器的工作原理：在三相逆变器的某个开关管切换的时刻之前,LF2407输出驱动信号控制谐振环节的开关管T1和T2按照特定的规律进行动作,以使逆变器输入侧的直流电压回落到零(即UCr=0),并保持一段时间,在UCr=0期间LF2407输出驱动信号控制三相逆变器的某个开关管切换,即实现了逆变器开关管的零电压切换.

2.2 新型PRDCLI的特点

新型PRDCLI电路不仅具有前人已经提出的各种类似电路的特点,同时还克服了这些电路所存在的很多缺点[7-9].新型的PRDCLI的特点可归纳如下.

1)电路中的所有开关管都是在软开关的条件下进行开关的.开关管T1在零电压的条件下开通和关断,开关管T2在零电流的条件下开通并且在零电压的条件下关断.

2)电路中辅助开关管和逆变器主电路的开关管均未负担额外的电压应力和电流应力.

3)新型的PRDCLI电路可以根据逆变器的PWM调制和软开关操作的要求,在任何时刻使直流侧电压过零,并持续所需的时间段.

图3示出了输入逆变器直流侧的电压曲线,即谐振电容Cr两端的电压UCr.系统直流侧电压Ui通过谐振环节的调理后,不再是一个固定值,而是变成如图3所示的具有凹槽的电压曲线.从图中可以看出,直流侧电压在某个时刻从Ui下降到零,并保持零值一段时间,而后又重新上升到Ui.电压的下降和上升通过谐振环节中谐振电感Lr1,Lr2和谐振电容Cr之间的谐振来获得.三相逆变器的开关管S1～S6就是在直流侧电压的凹槽处动作,实现逆变器的软开关切换.

图3 软开关逆变器直流侧电压曲线

3 实验结果

3.1 系统控制软件

系统使用 LabWindow s/CVI 6.0软件开发了上位机控制软件,主界面如图4所示.LabWindow s/CVI是理想的虚拟仪器(virtual instruments,VI)软件开发工具,适用于自动测试、自动控制、测试仪器通信、测试硬件控制和信号分析处理的软件开发.系统控制软件的功能主要是设定电机的运行参数,并将这些参数通过CAN总线通信发送给下位机(TMS320 LF2407);同时接收下位机发送来的电机运行数据,对这些数据进行处理后显示在软件主界面上,实时反映电机的运行性能.

图4 系统控制软件

3.2 硬开关和软开关条件下电机运行性能对比

本文分别在硬开关和软开关的条件下,对一台60 kW的IGBT交流电机逆变控制系统进行了实验.TMS320 LF2407采用SVPWM控制全桥逆变器,主开关器件和辅助开关器件均采用三菱公司的IGBT模块CM600HA.图5为电机分别在硬开关条件下和软开关条件下的电流和转速曲线.

图5 硬开关和软开关条件下电机转速与电流曲线

在图5中,图a)和图b)为硬开关条件下电机转速为800 r/min时的电流和转速曲线;图c)和图d)为软开关条件下电机转速为800 r/min时的电流和转速曲线.在硬开关条件下,由于硬开关存在的缺点,限制了逆变器工作频率的提高,逆变器仅以10 kHz的频率工作,由于逆变器工作频率较低,以及硬开关本身存在的问题,逆变器输出给电机的电流波形不够平滑(见图a)),从而使电机运行不够平稳,电机转速出现比较大的波动(见图b)).在软开关条件下,由于软开关技术比较好地克服了硬开关所存在的问题,同时有助于提高逆变器的工作频率,所以在软开关条件下逆变器以20 kHz的频率工作,由于逆变器工作频率较高,逆变器一个周期内输出脉冲增多,使逆变器输出给电机的电流波形更趋平滑(见图c)),从而使电机运行比较平稳,电机转速只出现比较小的波动(见图d)).

4 结束语

将一种新型的直流环节并联谐振软开关逆变器应用于基于CAN通信的交流电机调速系统中.它可以比较好地克服硬开关所存在的问题,同时有助于提高逆变器的工作频率,使逆变器输出给电机的电流波形更趋平滑,从而使电机运行比较平稳.通过实验,对硬开关和软开关条件下电机的运行性能进行了对比,证明软开关技术具有明显的优势.

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