单相逆变系统创新实验平台的构建

赵建勇， 潘再平， 卢慧芬， 任 璐， 张滨淳

(浙江大学 电气工程学院， 杭州 310027)

单相逆变系统创新实验平台的构建

赵建勇， 潘再平， 卢慧芬， 任 璐， 张滨淳

(浙江大学 电气工程学院， 杭州 310027)

根据电力电子技术探究性实验教学的要求，构建了一套基于数字信号处理器(DSP)的单相全桥逆变创新实验平台，介绍了平台的硬件结构和软件实现流程，并对实验平台的单极性和双极性SPWM调制、单相SVPWM及其对应的闭环控制等多项实验教学功能进行了实验验证。结果表明，该实验平台丰富了电力电子课程探究性实验教学内容，能够改善和提升电力电子课程的实验教学质量。

实验教学； 逆变系统； 控制算法； 探究性实验

0 引 言

《电力电子技术》是高等院校电气工程及其自动化等相关专业一门重要的专业课程，课程具有很强的应用性和实践性，实验课程在教学体系中有着至关重要的位置，而逆变技术的相关实验更是电力电子实验课程中的核心内容之一。目前，该类实验课程大多是在设定条件下开设的传统验证性实验项目，配置处购的通用实验设备，该类设备一般为定型产品，学生几乎不能自己随意更改，只能是根据教师或实验教材的指导完成设定的接线、读取数据。学生分析问题，解决问题的能力未能得到相应的锻炼，主观能动性创新能力未能得到发挥[1-15]。

随着各种高性能电力电子器件及数字信号处理器(DSP)处理芯片的出现， PWM逆变系统的数字化控制成为电力电子技术的热门研究领域。现代电力电子的实验教学应该紧随学科的发展方向，引入新型的实验装置，使学生在学会专业基础知识的同时能够把握电力电子技术的发展方向，真正做到学以致用。

根据逆变技术的最新发展方向，我校电气学院搭建了基于DSP控制的单相全桥逆变系统实验平台。通过该平台，学生可进行单相逆变的各种相关实验，包括逆变器相关调制技术实验，如单极性、双极性、单极性倍频SPWM和单相SVPWM等内容。平台还可进行单相PWM整流实验、功率因数校正以及其他相关探究性实验。实验内容紧密结合学生所学理论知识，有助于加强学生对所学知识点的直观理解，并且提高创新意识和动手能力[2-4]。实验平台中强电部分均有保护措施，安全性较高，适合学生操作。

1 实验平台硬件设计

为提高实验平台的灵活性，结合探究性实验教学的特点，单相全桥逆变实验平台采用模块化设计，主要由上位机(PC)、功率主电路、控制电路和辅助电源、采样电路、保护模块等部分构成，各个模块设计时摒弃传统的挂箱封装模式，电路器件均为外露设计，学生可以直观地看见整个电路的结构以及具体的电力电子器件，其中强电模块部分可以增加透明有机玻璃进行保护，既能保证学生在实验过程中的安全又可看清模块的具体组成部分。其典型结构及模块实物图如图1、图2所示。

图1 实验平台系统结构图

图2 实验平台模块实物图

在实验平台中，功率主电路主要有三相不控整流及滤波、全桥逆变电路、输出LC滤波及负载构成，控制系统主要包括DSP核心板、二极管整流及保护电路、电压电流检测电路、驱动电路等。上位机(PC)可以实现系统的连接、启动和停止，设置调制方式、调制频率、调制比参数等，以及闭环控制参数的整定，实时观察系统输出的波形。

1.1 功率主电路

单相全桥逆变器主电路结构如图3所示。图中，S1～S4为功率开关器件IGBT模块，组成逆变桥单元。逆变桥后级是输出滤波单元，经LC滤波器滤除输出电压中的高次谐波分量，电路中滤波电感和电容的等效串联阻值可暂不考虑。主电路输出端滤波器主要作用是滤除逆变桥输出SPWM波中的高次谐波，输出基波分量，降低电压畸变率THD值。其设计主要依据转折频率和阻尼比，在综合考虑逆变器稳定性、电流应力等因素确定电感L和电容C的值[5-7][13]，该部分电路参数可由学生在实验前查询资料，根据相关计算方法测得参考值，实验过程中再根据实验结果进行校正。

图3 单相全桥逆变主电路

1.2 控制电路

控制电路主要包括DSP核心板、采样调理电路以及驱动保护电路等，其结构如图4所示。

图4 控制电路结构图

控制电路通过DSP完成AD转换、控制算法实现、PWM信号生成等功能。结合电气专业《DSP原理与应用》课程的内容，核心板DSP芯片选用TMS320F2812，借助DSP相关课程和实验的学习基础，学生可以较容易对款款芯片操作编程。而且DSP2812具有高速运算能力和强大的中断响应能力，16通道ADC模块以及专门的事件管理器等极大地简化了系统的硬件结构，为实现高性能数字控制技术提供了便利[10，14]。

采样调理电路包括交流输出电压信号、电感电流信号。其中电流采样经过电流传感器ACS712，将电流信号转换为相应的电压信号，再经调理电路送入DSP的AD端口。电压采样经VSM025A型霍尔电压传感器、信号调理电路得到相应的信号送入DSP的AD端口进行处理，学生实验时可以方便地测试并调节各路通道的增益参数。

驱动电路采用集成式驱动芯片IR2110，它兼有光耦隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点，而且电路简单明了，易于学生学习和使用。

2 实验平台软件设计

根据探究性实验课程的学时数及内容深度，实验软件部分可有两种方式实现。

一是基于TI公司提供的编程工具Code Composer Studio(CCS)，它包含一整套用于嵌入式开发和调试的工具，编程语言采用C/C++语言，该方式可让学生从最底层算法做起，适合学时数多的实验项目；二是配置Matlab与CCS的联合开发环境，直接在Simlink中进行算法设计，通过仿真模型生成影响的控制代码，该方式适合学时数较少的实验项目。两种方法均注重模块化设计，具有较好的可读性和通用性，方便学生进行相关实验。

电气工程专业的学生均学习过C或C++、DSP及Simulink仿真方面的课程，因此能够较快的熟悉和使用该开发环境。实验平台配置了基于LabVIEW实现的上位机，设计了可视化控制界面，通过USB线与控制板连接，可以观察系统输出的电压、电流波形。调节输出电压的幅值和频率，以及控制参数的调整等。

3 实验平台应用案例

3.1 实验内容设计

以典型的单相PWM逆变系统为探究性实验教学案例。

(1) 搭建主电路。可根据课程内容提供相应模块的参考原理图，由学生辅助或独立完成主电路及控制电路设计，使学生对电力电子器件及控制系统有感性的认识。

(2) 不同调制方式实验。学生可进行单极性、单极性倍频、双极性及单相SVPWM调制等相关实验。单极性倍频与普通单极性调制相比，4个功率开关管均以较高的开关频率工作，输出正弦电压波形更加理想，但开关损耗也相应的增加。双极性是指任何时候每桥臂的上、下元件之间均做互补通、断[11]。任一半周期内调制波、载波及输出SPWM波均有正、负交替出现，可有效提高直流电压利用率。学生均可在实验过程中结合理论学习进行相关验证。根据文献[12]，将SVPWM技术应用于单相逆变电源，给出了实现方法，学生可进行相关探究性实验实际验证。

(3) 不同控制策略验证。该实验平台具有很大的灵活性，通过平台的开发环境，可以实现不同的控制策略：电压单环及电压、电流双闭环等。在此基础上亦可实现重复控制、无差拍控制、滑膜变结构控制等控制算法先进的探究性实验内容。

(4) 观察滤波参数对输出正弦波形的影响及输出电压变化率。可改变LC滤波参数，用示波器观察输出波形的变化。

(5) 观察电路中工作波形。可通过测量不同输出频率、电压幅值情况下，IGBT驱动信号、全桥输出端及滤波输出端正弦电压的波形。也可以直接在上位机进行观察。

3.2 实验数据及分析

根据上述系统设计方案，搭建了一套单相逆变实验平台，表1所示为除本实验平台外所用其他主要实验设备的参数。

表1 实验设备参数

图5，6分别为逆变系统在单极性倍频、双极性调制下的全桥电路输出波形，系统采用电压、电流双环控制，输出电压有效值90 V，频率50 Hz。该实验结果验证了平台的基本实验教学功能。

图5 单极性倍频逆变输出电压波形

图6 双极性输出电压波形

图7所示为经LC滤波之后，经过采样及A/D转换，在上位机LabVIEW软件平台观察到的负载电压、电流波形，其中左侧为电压波形，右下方为电流波形。加入该上位机界面可以使学生更加灵活的进行各种实验操作，增强了实验的直观性和可视化程度。

图7 单极性输出时上位机观测波形

4 结 语

结合电力电子技术探究性实验教学的特点和目标，设计并搭建了一套基于DSP2812的单相逆变系统创新实验平台，利用该平台能够实现单极性和双极性逆变系统等多项逆变技术相关创新实验。通过LabVIEW设计的上位机能够方便地修改实验系统的输出和相关控制参数，适合实验教学的应用。最后以单相逆变系统实验为例，利用实验平台采用电压、电流双闭环控制，分别测试了平台在单极性倍频和双极性调制方式下的逆变输出，验证了平台功能的正确性和完整性。另外，还可利用设计的实验平台进行单相及三相PWM整流、功率因数校正、能量回馈等各种电力电子相关的探究性实验，并可在增加编码器等装置的基础上应用到电机控制相关实验课程。

该探究性实验平台的引入，丰富了电力电子技术相关课程的实验教学内容，为电类专业以能力导向为基础的探究性实验改革提供了良好的平台，具有积极的促进作用。

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Construction of Innovative Experimental Platform for Single Inverter

ZHAOJianyong，PANZaiping，LUHuifen，RENLu，ZHANGBinchun

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University， Hangzhou 310027， China)

In accordance with the requirements of exploring experimental teaching of power electronic technology, the paper builds an innovative experimental platform for single-phase inverter that is based on DSP, and presents its hardware structure and implementation process of the software, studies the single-polar, bipolar modulation and single phase SVPWM of the inverter, following their dual loop control respectively. The experiment results prove that the proposed platform is a meaningful complement to the teaching of power electronics’ exploring experimental teaching, can enhance the experiment teaching quality of power electronics.

experimental teaching; inverter system; control algorithm; exploring experiment

2016-04-25

国网公司科技项目(高比例清洁能源接入下未来电网形态、演化机理研究)

赵建勇(1987-)，男，山东潍坊人，硕士，工程师，研究方向：电机控制技术及相关实验教学。

Tel.：13735578162；E-mail：jyzhao@zju.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0196-04