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，通過計算等效輸出阻抗的方法，對逆變器起到了有效的保護(hù)作用。通過實驗進(jìn)行了驗證，并給出了實驗波形。

關(guān)鍵詞：逆變器；沖擊負(fù)荷；數(shù)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(shè)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(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，并要求能夠承受長期短路這樣的極端故障。但是，由于功率半導(dǎo)體器件的過載能力差，當(dāng)負(fù)載短路或者接入變壓器這樣的沖擊性負(fù)荷的時候，必將導(dǎo)致器件的損壞。因而，對接入沖擊性負(fù)荷時進(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計算等效輸出阻抗來對沖擊負(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?、變壓器接入以及過載等進(jìn)行不同程度的保護(hù)，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(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，來控制功率器件的開通與關(guān)斷，輸出電壓經(jīng)過一級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(yīng)快，能對惡劣的電流沖擊進(jìn)行有效的保護(hù)。當(dāng)沖擊消失時，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，對輕度過載情況而言，這種保護(hù)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(hù)作用。

1.2    加入滯環(huán)的瞬時值限流電路

    這種方法是當(dāng)檢測到輸出電流超出設(shè)定值I1時，就封鎖開關(guān)管的門極信號，迫使電流下降，當(dāng)電流下降到另一設(shè)定值I2時，便把封鎖信號撤掉，讓電路繼續(xù)正常工作，當(dāng)電流再次超過設(shè)定值I1時，便再次加入封鎖信號，如此重復(fù)進(jìn)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(jù)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(hù)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(dǎo)致開關(guān)管的超高頻工作，這對于開關(guān)器件來說是相當(dāng)危險的，當(dāng)出現(xiàn)長期短路這樣的故障時，這種方法就不能對設(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要求：

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

    ——輸出短路時能及時切斷輸出電壓，并能承受長期短路故障；

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

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

    在實際電路中，短路情況可以相當(dāng)于接入了一個非常重的負(fù)載，若對于純阻性負(fù)載而言，即負(fù)載電阻R非常小，因而，對于過載和短路便可根據(jù)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(fù)載。當(dāng)過載時，電壓適當(dāng)下降，而負(fù)載短路時，則將電壓限到一個極低值，以保證設(shè)備的安全。

圖2    不同負(fù)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(yīng)該有相應(yīng)的保護(hù)，因而，DSP必須對這3種情況加以區(qū)別，采取不同的保護(hù)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(nèi)的有效值才能確定，并且，短時間的過載也是允許的，不應(yīng)該對輸出有所影響。而負(fù)載短路這樣的情況是要求逆變器能迅速作出反應(yīng)的?；诖?，程序在每一個開關(guān)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(guān)周期中斷時對輸出電流進(jìn)行采樣，當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值Ilim時，便是負(fù)載短路或者負(fù)載端接入了變壓器，程序便通過限制開關(guān)管的門極信號，保證輸出電流小于Ilim。由于此時對于負(fù)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?jīng)_擊時需再次恢復(fù)門極重試，以保證變壓器接入之后輸出沒有大的反應(yīng)。當(dāng)進(jìn)行幾次重試后，若輸出電流還是超過Ilim，便是負(fù)載短路的情況，不再重試。當(dāng)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(chǎn)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(dāng)輸出電流的有效值超過額定值的120％時，便屬于過載情況。當(dāng)判斷到過載的時間超過設(shè)定值（10s），便根據(jù)過載的情況適當(dāng)?shù)亟档洼敵鲭妷海^載越嚴(yán)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(fù)

    當(dāng)故障解除后，系統(tǒng)應(yīng)該在最短的時間內(nèi)恢復(fù)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(fù)載的情況。當(dāng)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(fù)載的等效阻抗，若發(fā)現(xiàn)故障已經(jīng)解除，便恢復(fù)開關(guān)管的門極信號，逆變器便重新恢復(fù)工作，而無須人工恢復(fù)。

3    實驗結(jié)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(shù)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(jìn)行采樣，以提高響應(yīng)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(fù)正常工作的波形。從圖4中可以看出，當(dāng)負(fù)載過載時，輸出電壓只是適當(dāng)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(fù)載短路時電壓和電流波形，當(dāng)DSP檢測到輸出電流超過設(shè)定值時，便立即將輸出電流限到安全值，為了適應(yīng)變壓器接入的情況，進(jìn)行了4次重試，從圖5中可以看出，通過限流保護(hù)，輸出電流已經(jīng)限到了設(shè)備工作的安全值以下，使得設(shè)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(fù)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(fù)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(jié)語

    本文提出的基于DSP的25Hz逆變電源抗沖擊負(fù)荷保護(hù)策略，經(jīng)實驗證明是一種良好的保護(hù)方法，通過計算等效輸出阻抗來對設(shè)備作相應(yīng)的保護(hù)，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(fù)。這一策略可以普遍應(yīng)用到逆變器的抗沖擊保護(hù)中。