分析三相AC/AC變頻器控制研究方案

引言

近年來，微處理器的迅猛發展使數字化的交 - 交變頻器在電力拖動中的應用日益廣泛， 本文以TI公司的DSP芯片TMS320F240為核心來研究三相交-交變頻器的各種控制方案 , 并且比較了各自的優缺點。AC/AC 變頻器是指直接將較高固定頻率的電壓變換為頻率較低而輸出電壓幅值可變的變換器。變頻器的英文譯名是VFD(Variable-frequency Drive)，這可能是現代科技由中文反向譯為英文的為數不多實例之一。(但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display,真空熒光管，故這種譯法并不常用)。變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區受日本廠商影響而曾被稱作VVVF(Variable Voltage Variable Frequency Inverter)。

本系統的硬件基礎包括主回路、 晶閘管驅動電路、I/O擴展電路 、數據采集電路。捕獲中斷口 CAPINT1 每隔 60o(10/3ms) 捕捉電源的同步信號， PB3所處的狀態， 就可以確定相應的同步波波頭值以判相定管。I/O 端口 PC0、PC1、PC2 檢測三相電流的過零檢測信號，當過零信號有效時，進入相應的換組子程序 ,進行換組。在觸發脈沖產生的時刻，這時將編碼通過數據總線輸出到I/O擴展電路以觸發相應的晶閘管。以此硬件電路作為基礎介紹了幾種控制方法編寫程序， 并比較了各自的優缺點。

1 逐點比較法

圖1:比較法確定的換相時刻圖。

電網換相AC/AC變頻器的交流輸出電壓是由其各相輸入電壓波形的各個片段組合而成的。只要原先導通相u1比相繼導通相u2更接近要求輸出的理想電壓

， ， 即(uR-u1)《(u2-uR) 得 uR《(u1+u2)/2,則u1應繼續出現在輸出端。當 uR=(u1+u2)/2,則由u1轉換到u2.

以自然換相點作為起點 , 則

則

當觸發角為a時，要求

因此，對于脈波的交-交變頻器，以各晶閘管觸發延遲角a=0為起點的一系列余弦同步電壓與理想輸出電壓的交點為觸發點，即可滿足輸出的電壓波形與正弦電壓相差最小的要求。

逐點比較法就是在DSP內存中制作表格 ,用查表法產生同步波和基準電壓波， 然后不斷地循環比較。只要DSP的采樣間隔取得足夠小 ,通過比較就可以得到精確的交點。

2 直線近似余弦交點法

查表法控制算法簡單，易于實現， 但占用很大的計算資源 , 大量的時間用于比較操作， 而一個輸出電壓周期中真正得到的交點很少 , 并且要達到一定的精度， 需大量表格， 內存占用量較大。

為了避免 DSP不斷循環查表耗費大量時間， 利用其CAPINT1捕獲公共同步信號， 每隔3.3ms 向DS申請中斷。 在中斷服務子程序中完成交點的計算程序得到觸發角對應的定時值 ,并啟動計數器。 在余弦交點法的原理中用直線代替余弦波和電壓基準波， 可以得到下面的圖形 ,如圖2所示 .

圖2:近似直線的同步波形和基準波形。

波形簡化后，以基準電壓正相過零點為坐標原點建立坐標系。 設同步波的幅值為1, 基準電壓波的幅值范圍為 [-1,+1].要輸出的電壓幅值和頻率給定后， 其波形的斜率為4rf, 同步波頻率不變 , 它的斜率是固定的200. 已知O點和觸發點P點的瞬時值分別為x,y, 則解直線方程組：

y=4rf (1)

y=200t+b (2)

可以求得 y=(50xrf)/(50rf)

ta=(1-y)/200

式中 ta 為延遲角 a 對應的時刻。 將 DSP 的 TPINT1 周期設置為 Tmin=20/29ms 用來表示最小的定時單位 ta 轉換成相應的定時量。 在 TPINT1 中斷中 , 給各個定時變量進行減計數操作。 當減計數值到零時， 立即根據波頭值觸發相應的晶閘管。具體實現可見參考文獻。