基于DSP控制的25Hz逆變電源抗負荷沖擊策略

摘要：提出了一種數字控制25Hz逆變器抗沖擊負荷的保護策略，通過計算等效輸出阻抗的方法，對逆變器起到了有效的保護作用。通過實驗進行了驗證，并給出了實驗波形。

關鍵詞：逆變器；沖擊負荷；數字信號處理器

0 引言

25Hz逆變電源是鐵路區段信號中的供電設備，分別向軌道回路和局部回路供電。由于它是整個鐵路區段中的關鍵設備，因而在電壓穩定度、波形畸變以及可靠性上有非常嚴格的要求。特別是在可靠性上，它要求在負載過載、變壓器接入、負載短路這樣的沖擊情況下都不應造成設備的損壞，并要求能夠承受長期短路這樣的極端故障。但是，由于功率半導體器件的過載能力差，當負載短路或者接入變壓器這樣的沖擊性負荷的時候，必將導致器件的損壞。因而，對接入沖擊性負荷時進行保護是必不可少的。

基于傳統模擬保護方法的不足，本文提出了一種通過計算等效輸出阻抗來對沖擊負荷進行相應保護的策略，依靠DSP控制的靈活性，能夠對短路、變壓器接入以及過載等進行不同程度的保護，并能承受長期短路這樣的故障，實驗證明它是一種有效的保護策略。

1 傳統抗負荷沖擊策略

單相逆變器主電路結構如圖1所示，控制電路根據輸出電壓和電感電流，來控制功率器件的開通與關斷，輸出電壓經過一級LC濾波以后，就得到了高質量的正弦波。

圖1 單相SPWM逆變器主電路原理圖

傳統的保護策略有如下幾種。

1.1 降低輸出電壓

降壓方法是在檢測到輸出過載電流以后，立即將電壓的參考值拉低，這樣，便軟化了沖擊電流。由于電路檢測的是電流的瞬時值，因而電路響應快，能對惡劣的電流沖擊進行有效的保護。當沖擊消失時，電路又能自行恢復正常的輸出電壓。

但是，由于降壓電路是事先設計好降壓值的，為了適應大的沖擊，必須將設定值定得很低，對輕度過載情況而言，這種保護是過度的。而對于像短路這樣的沖擊，這種方法又起不到有效的保護作用。

1.2 加入滯環的瞬時值限流電路

這種方法是當檢測到輸出電流超出設定值I1時，就封鎖開關管的門極信號，迫使電流下降，當電流下降到另一設定值I2時，便把封鎖信號撤掉，讓電路繼續正常工作，當電流再次超過設定值I1時，便再次加入封鎖信號，如此重復進行。實際上這就是將輸出電流通過滯環比較器來控制封鎖信號。相對降壓電路來講，它能夠根據不同的沖擊使電壓下降到適宜的程度，而且，它可以對短路等大沖擊起到有效的保護作用。

由于滯環比較器的開通和封鎖工作在高頻狀態，因此，這種方法將有可能導致開關管的超高頻工作，這對于開關器件來說是相當危險的，當出現長期短路這樣的故障時，這種方法就不能對設備起到有效的保護作用。

2 DSP控制的短路保護策略

隨著高速數字處理器DSP的問世，傳統的模擬控制逐漸被數字控制所替代。由于DSP的易調試性和靈活的控制能力，可以使限流、短路保護做得更加可靠，使系統更加穩定。

2.1 系統對短路保護的要求和分析

為保證25Hz逆變電源的可靠性，合理的保護控制需要符合以下幾點要求：

——過載時不能使輸出電壓變為零，只能適當地限制；

——輸出短路時能及時切斷輸出電壓，并能承受長期短路故障；

——當輸出接入變壓器時，不應該對輸出電壓造成過大的影響；

——當過載或短路故障解除時，設備應能自動恢復工作。

在實際電路中，短路情況可以相當于接入了一個非常重的負載，若對于純阻性負載而言，即負載電阻R非常小，因而，對于過載和短路便可根據R的大小來區分，在DSP程序中就可以通過計算等效輸出阻抗來正確判斷。這樣，對于上述要求，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為額定負載。當過載時，電壓適當下降，而負載短路時，則將電壓限到一個極低值，以保證設備的安全。

圖2 不同負載時輸出電壓變化曲線