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(qū)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(qū)段中的關鍵設備，因而在電壓穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(xù)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(huán)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(huán)比較器的開通和封鎖工作在高頻狀態(tài)，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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)更加穩(wěn)定。

2.1    系統(tǒng)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?yōu)榱?，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(qū)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 [!--empirenews.page--]

2.2    控制策略

    基于上述分析，系統(tǒng)在過流、短路、變壓器接入時電路應該有相應的保護，因而，DSP必須對這3種情況加以區(qū)別，采取不同的保護措施。對于正弦波輸出電壓而言，過載情況只能通過檢測輸出電流在一個周波內的有效值才能確定，并且，短時間的過載也是允許的，不應該對輸出有所影響。而負載短路這樣的情況是要求逆變器能迅速作出反應的?；诖?，程序在每一個開關周期檢測輸出電流值，判斷是否短路，而在每個工頻周期計算輸出電流的有效值，判斷輸出是否過載。

    DSP在每個開關周期中斷時對輸出電流進行采樣，當輸出電流大于設定值Ilim時，便是負載短路或者負載端接入了變壓器，程序便通過限制開關管的門極信號，保證輸出電流小于Ilim。由于此時對于負載是短路還是變壓器接入這兩種情況無法區(qū)分，因而，在前幾次檢測到沖擊時需再次恢復門極重試，以保證變壓器接入之后輸出沒有大的反應。當進行幾次重試后，若輸出電流還是超過Ilim，便是負載短路的情況，不再重試。當接入的是變壓器時，只是在接入瞬間才有電流過沖，幾次重試后逆變器便重新正常工作了，不會對輸出電壓產生非常大的影響。

    在每一個工頻周期中，程序計算輸出電流的有效值，當輸出電流的有效值超過額定值的120％時，便屬于過載情況。當判斷到過載的時間超過設定值（10s），便根據過載的情況適當地降低輸出電壓，過載越嚴重，電壓下降越低。整個控制策略的流程如圖3所示。

圖3    DSP控制流程圖

2.3    故障解除后的自動恢復

    當故障解除后，系統(tǒng)應該在最短的時間內恢復正常。通過檢測輸出電流有效值和輸出電壓有效值可以正確地判斷出負載的情況。當短路故障或過載故障解除后，DSP通過計算輸出電壓有效值與電流有效值之比得出負載的等效阻抗，若發(fā)現(xiàn)故障已經解除，便恢復開關管的門極信號，逆變器便重新恢復工作，而無須人工恢復。

3    實驗結果

    上述策略在一臺25Hz/1kVA逆變電源上得到了驗證。逆變電源的參數如下：輸入市電220V/50Hz，輸出電壓分兩路，一路為軌道電源，輸出220V/25Hz，另一路為局部電源，輸出110V/25Hz，兩路電壓相位相差90°，局部超前軌道。本文以局部電壓為例，其輸出濾波電感為4mH，輸出濾波電容為5μF。DSP控制器采用的是TI公司的TMS320F241。電流使用霍爾器件進行采樣，以提高響應速度。

    圖4（a）為過載10s以后的電壓和電流波形，圖4（b）為過載消失后逆變器恢復正常工作的波形。從圖4中可以看出，當負載過載時，輸出電壓只是適當降低，并沒有完全切斷輸出。

（a）    輸出過載時的電壓電流波形

（b）    過載解除后的電壓電流波形

圖4    過載時的波形 [!--empirenews.page--]

    圖5（a）為負載短路時電壓和電流波形，當DSP檢測到輸出電流超過設定值時，便立即將輸出電流限到安全值，為了適應變壓器接入的情況，進行了4次重試，從圖5中可以看出，通過限流保護，輸出電流已經限到了設備工作的安全值以下，使得設備能夠承受長期短路的情況。圖5（b）為短路切除以后輸出電壓電流恢復的波形。

（a）    輸出短路時的電壓電流波形

（b）    短路解除后的電壓電流波形

圖5    短路時的波形

    圖6是接入變壓器之后輸出電壓波形，從波形上可以看出，輸出電壓只是有了短暫的跳動，能夠迅速恢復正常，并不會對整個輸出造成惡劣的影響。

圖6    變壓器接入時的輸出電壓波形

4    結語

    本文提出的基于DSP的25Hz逆變電源抗沖擊負荷保護策略，經實驗證明是一種良好的保護方法，通過計算等效輸出阻抗來對設備作相應的保護，可以使系統(tǒng)能夠承受惡劣的故障情況，并能在故障解除后自行恢復。這一策略可以普遍應用到逆變器的抗沖擊保護中。