基于DSP控制的25Hz逆變電源抗負(fù)荷沖擊策略

摘要：提出了一種數(shù)字控制25Hz逆變器抗沖擊負(fù)荷的保護(hù)策略，通過(guò)計(jì)算等效輸出阻抗的方法，對(duì)逆變器起到了有效的保護(hù)作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并給出了實(shí)驗(yàn)波形。

關(guān)鍵詞：逆變器；沖擊負(fù)荷；數(shù)字信號(hào)處理器

0 引言

25Hz逆變電源是鐵路區(qū)段信號(hào)中的供電設(shè)備，分別向軌道回路和局部回路供電。由于它是整個(gè)鐵路區(qū)段中的關(guān)鍵設(shè)備，因而在電壓穩(wěn)定度、波形畸變以及可靠性上有非常嚴(yán)格的要求。特別是在可靠性上，它要求在負(fù)載過(guò)載、變壓器接入、負(fù)載短路這樣的沖擊情況下都不應(yīng)造成設(shè)備的損壞，并要求能夠承受長(zhǎng)期短路這樣的極端故障。但是，由于功率半導(dǎo)體器件的過(guò)載能力差，當(dāng)負(fù)載短路或者接入變壓器這樣的沖擊性負(fù)荷的時(shí)候，必將導(dǎo)致器件的損壞。因而，對(duì)接入沖擊性負(fù)荷時(shí)進(jìn)行保護(hù)是必不可少的。

基于傳統(tǒng)模擬保護(hù)方法的不足，本文提出了一種通過(guò)計(jì)算等效輸出阻抗來(lái)對(duì)沖擊負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)的策略，依靠DSP控制的靈活性，能夠?qū)Χ搪贰⒆儔浩鹘尤胍约斑^(guò)載等進(jìn)行不同程度的保護(hù)，并能承受長(zhǎng)期短路這樣的故障，實(shí)驗(yàn)證明它是一種有效的保護(hù)策略。

1 傳統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊策略

單相逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制電路根據(jù)輸出電壓和電感電流，來(lái)控制功率器件的開(kāi)通與關(guān)斷，輸出電壓經(jīng)過(guò)一級(jí)LC濾波以后，就得到了高質(zhì)量的正弦波。

圖1 單相SPWM逆變器主電路原理圖

傳統(tǒng)的保護(hù)策略有如下幾種。

1.1 降低輸出電壓

降壓方法是在檢測(cè)到輸出過(guò)載電流以后，立即將電壓的參考值拉低，這樣，便軟化了沖擊電流。由于電路檢測(cè)的是電流的瞬時(shí)值，因而電路響應(yīng)快，能對(duì)惡劣的電流沖擊進(jìn)行有效的保護(hù)。當(dāng)沖擊消失時(shí)，電路又能自行恢復(fù)正常的輸出電壓。

但是，由于降壓電路是事先設(shè)計(jì)好降壓值的，為了適應(yīng)大的沖擊，必須將設(shè)定值定得很低，對(duì)輕度過(guò)載情況而言，這種保護(hù)是過(guò)度的。而對(duì)于像短路這樣的沖擊，這種方法又起不到有效的保護(hù)作用。

1.2 加入滯環(huán)的瞬時(shí)值限流電路

這種方法是當(dāng)檢測(cè)到輸出電流超出設(shè)定值I1時(shí)，就封鎖開(kāi)關(guān)管的門極信號(hào)，迫使電流下降，當(dāng)電流下降到另一設(shè)定值I2時(shí)，便把封鎖信號(hào)撤掉，讓電路繼續(xù)正常工作，當(dāng)電流再次超過(guò)設(shè)定值I1時(shí)，便再次加入封鎖信號(hào)，如此重復(fù)進(jìn)行。實(shí)際上這就是將輸出電流通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)控制封鎖信號(hào)。相對(duì)降壓電路來(lái)講，它能夠根據(jù)不同的沖擊使電壓下降到適宜的程度，而且，它可以對(duì)短路等大沖擊起到有效的保護(hù)作用。

由于滯環(huán)比較器的開(kāi)通和封鎖工作在高頻狀態(tài)，因此，這種方法將有可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的超高頻工作，這對(duì)于開(kāi)關(guān)器件來(lái)說(shuō)是相當(dāng)危險(xiǎn)的，當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)期短路這樣的故障時(shí)，這種方法就不能對(duì)設(shè)備起到有效的保護(hù)作用。

2 DSP控制的短路保護(hù)策略

隨著高速數(shù)字處理器DSP的問(wèn)世，傳統(tǒng)的模擬控制逐漸被數(shù)字控制所替代。由于DSP的易調(diào)試性和靈活的控制能力，可以使限流、短路保護(hù)做得更加可靠，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2.1 系統(tǒng)對(duì)短路保護(hù)的要求和分析

為保證25Hz逆變電源的可靠性，合理的保護(hù)控制需要符合以下幾點(diǎn)要求：

——過(guò)載時(shí)不能使輸出電壓變?yōu)榱?，只能適當(dāng)?shù)叵拗疲?/p>

——輸出短路時(shí)能及時(shí)切斷輸出電壓，并能承受長(zhǎng)期短路故障；

——當(dāng)輸出接入變壓器時(shí)，不應(yīng)該對(duì)輸出電壓造成過(guò)大的影響；

——當(dāng)過(guò)載或短路故障解除時(shí)，設(shè)備應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。

在實(shí)際電路中，短路情況可以相當(dāng)于接入了一個(gè)非常重的負(fù)載，若對(duì)于純阻性負(fù)載而言，即負(fù)載電阻R非常小，因而，對(duì)于過(guò)載和短路便可根據(jù)R的大小來(lái)區(qū)分，在DSP程序中就可以通過(guò)計(jì)算等效輸出阻抗來(lái)正確判斷。這樣，對(duì)于上述要求，便是要輸出電壓符合圖2的曲線便可。圖2中，Vnom為正常輸出電壓，Rnom為額定負(fù)載。當(dāng)過(guò)載時(shí)，電壓適當(dāng)下降，而負(fù)載短路時(shí)，則將電壓限到一個(gè)極低值，以保證設(shè)備的安全。

圖2 不同負(fù)載時(shí)輸出電壓變化曲線