基于DSP和CPLD的三相电流源型变流器

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第24卷第4期2005年10月

电工电能新技术

Advanced T echnology of E lectrical Engineering and Energy

V ol.24,N o.4Oct.2005

收稿日期:2005204229

基金项目:国家“九五”重大科学工程HT 7U 超导托卡马克核聚变实验装置资助项目(计投资(1998)1303号)作者简介:王付胜(19762),男,安徽籍,助研,博士,研究方向为大功率变流技术及其应用;

刘小宁(19622),男,安徽籍,研究员,博导,研究领域为大功率变流技术和超导电工。

基于DSP 和CPLD 的三相电流源型变流器

王付胜,刘小宁,潘胜明

(中国科学院等离子体物理研究所电源室,安徽合肥230031)

摘要:本文介绍了一种基于DSP 和CP LD 的三相电流源型变流器。并介绍了一种单位功率因数控制算法,该控制算法应用三值逻辑PW M 开关信号和一个简单的反馈控制策略,既可以保证整流桥直流侧电流很好地跟踪给定值和低纹波,又能够实现整流桥网侧的单位功率因数和低谐波污染。文中对主回路、控制算法及基于DSP 和CP LD 的控制系统做了详细的介绍。在此基础上本文还设计了一个110K W 的实验样机对控制算法进行实验验证,实验结果与理论分析能够很好地吻合。关键词:电流源型变流器;三值逻辑PW M ;控制算法;功率因数;谐波;DSP ;CP LD ;实验样机

中图分类号:T M46 文献标识码:A

文章编号:100323076(2005)0420026204

1 前言

国家九五大科学工程E AST (聚变实验装置)的

纵场电源[1](TFPS )是一个为纵场超导磁体储能[2]

的三相电流源型变流器(CSR ),其纵场超导线圈最大工作电流为1413kA ,储能约为300M J ,E AST 等离子体中心可以产生稳定的最大场强为315T 的约束等离子体的环向磁场。其主回路是由两组带平衡电抗器的双反星型可控硅整流桥电路并联组成的,长期运行于功率因数很低(约为012)的状态且对电网造成较大的谐波污染。随着电力电子技术的发展,该电路可以用自关断器件为主器件的电压源型或者电流源型变流器来取代,采用适当的控制策略时就既可以保证超导线圈上的直流电流按照设定值上升、下降或者稳定,也可以保证网侧电流的单位功率因

数和低谐波[3]

。从技术发展趋势看,电流源型变流器正在被电压源型变换器所取代,但在超导储能领域电流源型变流器依然占有主导地位,因此研究它的控制策略仍有实用价值。为此本文介绍了一种基于DSP 和CP LD 的电流源型变流器及其控制算法并给出了实验结果。

2 主回路及控制算法

改造后的TFPS 主回路结构即通用的电流源型

变流器的拓扑结构如图1所示。和电压源型PW M 整流器的控制常采用二值逻辑PW M 技术不同的是,电流源型变流器要实现其交流侧电流的PW M 控制必须采用三值逻辑开关函数。文献[4,5]对电流源型三值逻辑开关函数的产生方法和工作原理做了详细的介绍,在此不做重复。当采用三值PW M 控制技术时变流器的交流侧可以看作是一个三相对称的电流源,其交流侧每相等效电路如图2所示,其中R 、L 为变压器折算到副边的每相漏阻抗。为简化分

析,忽略三相整流桥交流侧电流i jt (j =a ,b ,c )的谐波分量而只考虑i jt 的基波分量。

等效电路的电路方程如式(1),当采用三值PW M 开关函数控制时由文献[3]可以得到方程(2)

v j =e j -i j (j ωL +R )

i jc =j

ωCv j i i =i jc +i jt (1)

i j tq =3

22

I d M sin φi j td =

3

22

I d M cos φ(2)

由于在额定电流下的变压器漏阻抗可以忽略不

计,故v j ≈e j 。要实现变流器交流侧单位功率因数运行即i j 与e j 同相则需满足条件I j tq =-I j c =

图1 改造后的TFPS 原理图

Fig.1 Diagram of new TFPS for E

AST

图2 三相CSR 每相等效电路

Fig.2 S ingle phase equivalent circuit of current 2s ource

-ωCE 。而I j td 的大小取决于变流器需从电网吸收(释放)的有功功率,可以由直流侧电流闭环控制环

节给定。综合上面的分析可以得出电流源型三相变流器单位功率因数的控制算法如图3所示。图中的φj (j =a ,b ,c )为三相电网电动势的初始相位角,φ为调制波与电网相电动势的相位差即变流器交流侧电流与电网电动势的相位差

图3 三相CSR 单位功率因数控制框图

Fig.3 C ontrol diagram of unit 2power 2factor for CSR

3 控制系统介绍

控制系统主要包括两部分内容:一是根据直流

侧电流反馈值按照上面的算法在线计算出SPW M 控制所需要的三相调制波S m j (j =a ,b ,c );二是把调制波和三角波比较后的二值逻辑开关函数按照文献[5]的方法转换为三值逻辑开关函数后再作为功率开关管的触发脉冲。前一个任务我们选用16位定

点DSP [6]

(T MS320LF2407)和一个四通道并行DA 芯片(DAC7625)来完成,后一个任务因为含有包括零状态判别的复杂逻辑运算过程,如果采用硬件电路来完成则需要较多的分立器件,故障率相应增大,所以我们选用复杂可编程逻辑器件芯片CP LD (EPM7128SP LC84)来完成。这样整个控制系统除了需要2个四通道比较器(LM339)来把DSP 和DA 输出的模拟量转换为二值逻辑开关函数和零状态区间开关函数外,其他部分都是可编程器件来实现,大大简化了控制系统的复杂程度并且降低了故障率。控制系统结构如图4所示

图4 三相CSR 控制系统结构图

Fig.4 C ontrol con figuration of 32phase CSR

图中V sa 为变压器原边A 相电压,经过过零比较电路后取得电网同步信号送到DSP 的外部中断

(XI NT 1),指令电流I dref 可以通过上位机PC 的串口发送到DSP 的SCI 模块,而直流侧电流反馈值I d 则发送到DSP 的AD 模块。DSP 运算后的三相调制波及三角波经过DA 转换后送到比较器电路。比较器输出的X i (i =1,2,3)是三相调制信号S m j (j =

a ,

b ,

c )分别与三角波信号S tr i 比较后的二值逻辑开

关函数,而X j (j =ab ,bc ,ca )则是调制波信号S m j (j =a ,b ,c )两两比较后的零状态区间开关函数。所

有开关函数均送到CP LD 中完成三值逻辑开关函数转换和零状态判别的任务,最后产生三相变流器6个功率管所需要的触发脉冲。

4 实验结果及其分析

为了验证主回路及控制算法和控制系统的可行

性、可靠性,我们设计了一个1K VA 的实验室样机模型。该样机的参数如表1所示,实验结果由示波器T DS3014测量所得。

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