一种馈能型电机供电电源设计

2021-09-23吴洪德陈庆武邵立伟黄德皇

通信电源技术 2021年9期

苏潮，吴洪德，陈庆武，邵立伟，黄德皇

（1.中山早稻田科技有限公司，广东中山 528400；2.中山市北京理工大学研究院，广东中山 528400）

0 引言

在电机驱动器行业内，尤其是变频器和伺服驱动器，针对刹车过程直流母线过压问题，一般的应对方案通常有两个。一个是通过加泄放电阻消耗掉电能，从而将直流电压拉下来。此方案明显的缺点是耗能较大，不利于电能的高效利用。另一个是加大直流母线支撑电容容量，此方案的缺点是电容体积非常大，导致产品整体体积大且成本高。针对此问题，本文介绍了一种馈能型电机供电电源设计方案，此电源的特点是除了能充当普通的直流供电电源外，还能把电机发出来的电能回馈到电网端。设计方案包含主回路拓扑、控制电路以及软件控制算法[1-6]。

1 电源电路拓扑及工作原理

1.1 电源总拓扑结构

电源总拓扑如图1所示，系统的一端是单相220 V公共电网，另一端是直流电机，此直流电机可以是直流伺服电机。电源可以实现电能的双向流动，中间进行电气隔离。系统由主要由单相并网型AC/DC双向变换电路和DC/DC双向变换电路组成。单相并网型 AC/DC 双向变换电路由 L1、Q1、D1、Q2、D2、Q3、D3、Q4、D4以及C1组成，DC/DC双向变换电路由Q5、D5、Q6、D6、Q7、D7、Q8、D8、C2、T1、Q9、D9、Q10、D10、L2以及C3组成。电源各个关键节点的电压和电流都由同一个DSP控制器检测和控制。

图1 电源总拓扑结构

1.2 单相并网型AC/DC电路拓扑结构及工作原理

单相并网型AC/DC电路主要是PWM单相全桥整流器，此整流器在电源中起着非常重要的作用，除了要把交流电变成直流电，还需要把直流电变成交流电，尤其是变成并网型的交流电。控制系统的设计如图2所示，控制对象是直流电压，给定值Vdc_ref和Vdc_mea对比之后生成偏差Vdc_error信号，偏差信号经过PI运算之后作为给定电流Iref的幅值。给定电流的频率和相位跟随输入电压，输入电压经过锁相环PLL得到电网端的频率和相位。

图2 单相并网型AC/DC电路拓扑结构

PWM整流器的相量方程为：

式中，Us是网侧电压，Uab是PWM整流器输入电压，jwLsIs是电感L1两端电压。当网侧电压Us保持不变时，交流输入电流Is的相位和幅值由输入电压Uab幅值及其与ULs的相位共同决定。因此，可通过控制交流输入电流Is与网侧电压Us反相、同相、滞后以及超前的方式实现整流或者逆变工作。

1.3 DC/DC电路拓扑结构及工作原理

如图3所示，在馈能工作模式即电机处于发电状态下，整个控制过程是控制器从检测到C3的电压升高的时刻T0算起，Q9和Q10同时导通，L2的电流缓慢上升，电感处于储能状态。T1时刻Q10截止Q9继续导通，左侧电路Q5和Q8导通，C1缓慢充电，L2电流缓慢减小。T2时刻Q9和Q10同时导通，L2的电流缓慢上升，电感处于储能状态。T3时刻Q9截止Q10继续导通，左侧电路Q6和Q7导通，C1缓慢充电，L2电流缓慢减小。在供电工作模式即电机处于耗电状态下，整个控制过程是控制器从检测到C3的电压下降的时刻T0算起，左侧电路Q5和Q8同时导通，C1的电压加到了变压器的原边两端，原边电流缓慢增加，副边感应出电流，D9导通，电流流过L2给C3充电，此时为减少D9的损耗可导通Q9，实现同步整流。到T1时刻，Q5和Q8同时截止，原边电流经过D6进行续流。到T2时刻，Q6和Q7同时导通，C1的电压反向加到了变压器的原边两端。同理，副边的D10和Q10导通，给C3进行充电，如此便实现了给电机恒压供电的功能。

图3 DC/DC电路拓扑结构

2 电源控制方法

2.1 单相电流控制器

在三相变流器中，UVW三相静止坐标系变换成α-β两相静止坐标系，再变换成d-q旋转坐标系。然而此变换不能直接用于单相系统中，因为单相系统只有一个电流变量，解决方法是虚构出另一个电流变量，先构建α-β两相静止坐标系，再变换成d-q旋转坐标系。把实际测量到的Is定义为Iα，Iβ作为虚构电流变量，滞后于Iα的相位90°。

坐标变换公式为：