基于SVPWM技术的三相变频电源的研究

刘 俊 杨 帆

（国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437）



基于SVPWM技术的三相变频电源的研究

刘 俊 杨 帆

（国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437）

传统的SPWM法比较适合模拟电路实现，不适应现代电源的发展趋势。电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术和传统的SPWM法相比，它具有电压利用率高、输出电压畸变小、谐波含量低、控制方法简单、且易于实现数字化等优点，因此本文在基于SVPWM技术的基础上，对三相变频电源的控制系统进行了研究。

SVPWM技术；变频电源；数字信号处理器

随着科技的发展和社会的进步，变频电源在工业生产、交通运输和家电等领域应用更加广泛，人们对变频电源的功能、性能、智能化、低谐波输出等有了更高的要求，因此研究高性能的变频电源具有十分重要的现实意义，而智能功率模块和数字信号处理器（DSP）的出现，为这一实现提供了硬件基础。本文将对三相逆变电源控制部分进行全面分析，并且通过对SVPWM技术的设计来实现三相逆变电源的数字化控制，从而切实提高逆变电源的整体性能。

1　三相变频电源的硬件实现

1.1三相变频电源的硬件实现方案

图1为整个变频电源的硬件框图，其主要由主电路和控制电路两部分构成，下文将详细阐述这两个部分的设计。

1.2主电路的设计

图2为主电路的原理图。本电源将采用不可控整流输出电压作为逆变器的直流输入，最后选取的滤波电感和电容的值如下。

图1　整个变频电源硬件框图

图2　主电路原理图

输出滤波电感：L= 500μH，滤波电容：C=50μF。

在设计滤波器时，滤波电感的设计是一个关键部分。需要选取适合的磁心才能很好的发挥滤波器的性能。本设计中，滤波电感工作于电流连续模式，要求有一定的电感量，需要在有直流偏磁时不宜饱和，且磁心要存储一定的能量。实际高磁导率材料磁心存储很少的能量，送入到磁心能量的一部分为磁滞损耗，最终消耗掉。为了能量的有效存储和传输，并要求体积最小，在磁心不饱和情况下，磁导率不能太高，但又不能太小。在此选用了Magnetics公司的铁硅铝磁心77111-A7（OD:57.2mm，ID：35.6mm，HT：14mm，μ：60，AP：13.69cm4）。滤波电容则选用耐压400V的无极性CBB电容。阻尼电阻则选用无感功率电阻，尽量避免其等效电感的影响。

表1　几种常用电感的磁心材料比较

1.3三相逆变桥的驱动模块设计

为了选取合适的智能功率模块（IPM），除了器件耐压以外，还有两个方面的要加以考虑：①适当的热设计保证结温要永远小于150℃；②要根据IPM的过流值确定峰值电流。

其中，流过IPM电流的最大峰值可根据下式计算：

式中，P为输出功率；QL为系统最大过载因数；R为电流纹波脉动系数；η为系统效率；δ 为功率因数；VAC为三相交流线电压。

令P为1kVA，QL为1.5，R为1.05，η为0.85，δ为0.8，VAC为380V，代入上式可得：I峰值=5（A）。根据计算出来的峰值电流值，同时为了留够足够的设计裕量，选用了三菱公司的IPM模块PM25RLA120，其峰值电流值为 25A，耐压值为1200V，完全符合设计要求。

1.4基于TMS320F2812的控制电路设计

基于TMS320F2812控制系统电路设计如下：它以高性能的数字信号处理芯片 TMS320F2812为核心、附加事件管理器（EV）、I/O端口和A/D转换器等外围设备，运用双闭环数字PI调节的双极性调制瞬时值反馈技术来实现DC/AC变频电源的控制。

2　逆变电源的软件实现

2.1逆变电源的软件构成

在本变频电源系统中，控制板的核心采用TMS320F2812，用C语言开发DSP程序可使其开发周期大大缩短，可读性和可移植性也大大增强。本系统采用以C2000系列DSP优化C语言为主体，配合适当的汇编语言。程序调试采用TI公司的C2000 Code Composer Studio集成开发环境。

整个逆变电源系统的软件由主程序、中断程序及子程序组成。其中，主程序主要是实现系统初始化和变量的初始化以及各个子程序的循环等。主要的子程序有矢量变换、PI调节、SVPWM算法、显示按键程序、数据计算程序、及电压电流采样程序等组成。

2.2主程序设计和PWM中断程序

主程序主要完成的功能如下。

1）系统的初始化。为了保证DSP能正常运行，首先要对DSP的工作模式进行初始化设置，包括系统的状态寄存器（ST0、ST1）、系统配置寄存器（SCSR1、SCSR2）、看门狗控制寄存器（WDCR）等；定义应用程序的所有变量；使能片内外设模块（如事件管理器EVA、模数转换ADC、看门狗等），并对其进行模块初始化。

2）初始化完成后，对电源系统进行故障检测。检测包括电源电压、温度的检测、短路检测等。如果检测到有故障，则置故障标志位，并用指示灯闪烁频率的不同加以区分。

3）如果系统检测无故障，开起总中断，设置中断优先级，开起ADC中断和定时器3，其中ADC转换模块是通过定时器周期中断来启动的，ADC采样完成后进入中断服务子程序读取电流、电压采样值等并进行电流、电压的调节。

4）每隔0.1s进入T4周期中断进行系统保护检测，对电源的电压、电流等进行信息进行监测和软件保护处理。

5）电压和电流的调节都是在PWM中断服务子程序进行的，当中断结束后，系统进入一个死循环，等待下一个中断。

2.3PI调节子程序

模拟PI调节器的表达式如下：

式中，u(t)为调节器的输出；e(t)为调节器的偏差信号。

由于计算机处理的是数字量，必须对上式进行离散化处理。用数字式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项可用求和增量的形式来表示。

式中，∆t为采样周期，必须使T足够小，才能够确保系统的精度；e(i)为第i次系统采样的偏差。

将式（2）带入式（3）即得离散化的PI表达式：

式中，u(k)为第k次采样时调节器的输出。

将式（4）称为位置型PI控制算法，可以看出，要想计算 u(k)的值，要把积分项中的历次偏差信号e(i)进行相加。这样计算繁琐，还需要占用较多的内存，因此做如下改动。根据推理，可以写出（k−1）次采样时PI调节器是输出表达式：

用式（4）减去式（5）整理得

令K0=Kp+KI，则上式可以变为：

式中，Kp为比例系数；KI为积分系数。

由上式（7）可知，要计算第K次输出u(k)，只要知道u(k−1)、e(k−1)、e(k)即可。根据上面讨论的数字PI调节器的算法，其实现流程图如图3所示。

图3　PI调节子程序图

3　结论

首先，本文主要对主功率电路特别是逆变桥电路、输出滤波电路进行了详细的设计；然后，在基于SVPWM算法和DSP的方案实现的基础上，完成了变频电源系统的软件设计，主要有主程序和PWM中断程序，设计了SVPWM在DSP上的具体实现方法，并给出了SVPWM在DSP的程序设计和PI调节子程序。

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Research on the Three-phase Variable Frequency Power Supply based on SVPWM

Liu Jiu Yang Fan
(Electrical Science Research Intitute of Shanghai Municipal Power Company of State Grid, Shanghai 200437)

The traditional SPWM method is suitable for analog circuit rather than the development trend of modern power. Voltage space vector PWM (SVPWM) control technology is an PWM control technique, which not only has a DC high utilization rate, a low output voltage distortion rate and a low harmonic content, but also the control method is simple, and it’s easy to implement digitally compared to the traditional SPWM method. SVPWM technique. The control system of the three-phase variablefrequency power supply is researched based on SVPWM technique.

SVPWM; variable- frequency power supply; DSP

刘 俊（1971-），男，上海人，本科，高级工程师，研究方向为线损、电压专业、设备评价。