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激光電源

基于DSP的風(fēng)力發(fā)電逆變電源的研究

星之球激光 來(lái)源:電子發(fā)燒友2011-12-10 我要評(píng)論(0 )   

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展,我國(guó)的能源供需缺口不斷擴(kuò)大,能源供應(yīng)緊張。不僅如此,我國(guó)面臨能源和環(huán)境的雙重巨大壓力,保持清潔、經(jīng)濟(jì)、充足、安全的能源供應(yīng)...

 近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展,我國(guó)的能源供需缺口不斷擴(kuò)大,能源供應(yīng)緊張。不僅如此,我國(guó)面臨能源和環(huán)境的雙重巨大壓力,保持清潔、經(jīng)濟(jì)、充足、安全的能源供應(yīng)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展長(zhǎng)期需要面對(duì)的重要問(wèn)題。取之不盡的清潔能源是根本解決我國(guó)能源問(wèn)題的主要途徑之一。目前風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能的部分技術(shù)已逐漸成熟,有望成為解決我國(guó)能源缺口和環(huán)境污染的重要途徑

  鑒予這種情況,對(duì)用于風(fēng)力發(fā)電的逆變電源的研究有很大的現(xiàn)實(shí)意義。逆變電源也是一種產(chǎn)生交流電的裝置,具有以下優(yōu)點(diǎn);變頻,逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶(hù)所需頻率的交流電;變相,逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)換成三相交流電,也能將三相交流電轉(zhuǎn)換成單相交流電;逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換成交流電;逆變電源能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。也正由于這些特點(diǎn)逆變電源將取代旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組。

  1 系統(tǒng)硬件

  用于風(fēng)力發(fā)電的逆變電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示,它由主電路和控制電路兩部分組成。其中,控制電路以DSP為核心,驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)屯路、通信顯示電路以及采樣反饋等電路均為控制電路的外圍電路。

  2 電路的設(shè)計(jì)

  風(fēng)力發(fā)電逆變電源的主電路圖如圖2所示,主要包括整流濾波部分、逆變吸收部分、變壓器及濾波電路等,其中逆變吸收部分是整個(gè)主電路的核心。本文采用的逆變器為單相全橋逆變電路,當(dāng)輸出交流側(cè)接阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率,因此在每個(gè)IGBT的集電極與發(fā)射極間并聯(lián)了快恢復(fù)二極管,以便為無(wú)功功率提供通道,為了防止逆變器因死區(qū)時(shí)間不合適造成上下橋臂直通短路、輸出負(fù)載端短路或者變壓器嚴(yán)重偏磁飽和時(shí)導(dǎo)致的初級(jí)組過(guò)流等現(xiàn)象,需在逆變橋前串一個(gè)熔斷器,以起保護(hù)作用。整流濾波部分主要給逆變橋提供無(wú)波紋的直流輸入電壓。吸收電路主要用于吸收因直流母線(xiàn)分布電感的存在,導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓。變壓器主要用于電氣隔離或變壓。

風(fēng)力發(fā)電逆變電源住電路圖

  主電路的工作原理如下

  (1)假設(shè)Q1,Q4先導(dǎo)通,則吸收電路中C3,C6上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud,方向?yàn)樯险仑?fù);由于Q1,Q4導(dǎo)通時(shí)管壓降近似為零,故二極管 D5,D8上的電壓也為逆變器的輸入端電壓Ud,但方向?yàn)樯县?fù)下正。Q2,Q3上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud,方向?yàn)樯险仑?fù),二極管D6,D7上的電壓為零。

    (2)當(dāng)Q1,Q4關(guān)斷時(shí),由于直流母線(xiàn)分布電感的存在,使得IGBT在關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生很大的尖峰電壓;當(dāng)Q1,Q4上的電壓超過(guò)Ud時(shí),尖峰電壓會(huì)分別通過(guò)C3,R3和C6,R2放電,尖峰電壓全部耗在電阻上,待吸收電路放電結(jié)束后,Q1,Q4完全關(guān)斷。此時(shí),Q2,Q3還沒(méi)開(kāi)通,Q1~Q4上的電壓為 Ud/2。此時(shí)C3,C4,C5,C6上的電壓為Ud,方向?yàn)樯险仑?fù),二極管D5~D8上的電壓為Ud/2,方向?yàn)樯县?fù)下正。

  (3)當(dāng)Q1,Q4關(guān)斷后,若仍未開(kāi)通Q2,Q3,則電流會(huì)經(jīng)Q2和Q3的集電極與發(fā)射極并聯(lián)的二極管續(xù)流,Q1,Q4上的電壓為Ud;Q2,Q3上的電壓為零。C3~C6上的電壓為Ud,方向?yàn)樯险仑?fù);二極管D5,D6上的電壓為零;二極管D6,D7上的電壓為Ud,方向?yàn)樯县?fù)下正。

  (4)二極管續(xù)流直到電流減小為零時(shí),可開(kāi)通Q2,Q3,吸收電路中各處電壓不變。

  3 控制電路的設(shè)計(jì)

  3.1 主控芯片選擇

  該設(shè)計(jì)采用DSP對(duì)逆變電源PWM波部分、死區(qū)部分、電壓有效值外環(huán)及電容電流瞬時(shí)值最內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)及電容電流瞬時(shí)值最內(nèi)環(huán)要求對(duì)逆變電源實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。并且本文所用的開(kāi)關(guān)頻率較高,所以對(duì)DSP的主頻要求也較高,并且要求DSP具有方便快捷的事件管理模塊,于是本文選用TI公司的TMS320LF2407A DSP處理器作為主控芯片。TMS320LF2407A有以下特點(diǎn);改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu);靈活的指令系統(tǒng);高速運(yùn)算能力;大容量存儲(chǔ)能力;有效的性?xún)r(jià)比。主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括:工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變電源、功率轉(zhuǎn)換器和控制器、汽車(chē)系統(tǒng)、儀表和壓縮機(jī)電機(jī)控制、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)械。

  TMS320LF2407A具有2個(gè)事件管理器,32位中央算數(shù)邏輯單元,32位累加器,16位×16位乘法器,3個(gè)比例移位器,間接尋址用的8個(gè)16 b輔助寄存器和輔助算數(shù)單元,4級(jí)流水線(xiàn)操作,8級(jí)硬件操作,6個(gè)可屏蔽中斷,544 word的片內(nèi)DARAM和2 KB的片內(nèi)SARAM,32 KB的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器,64 KB程序存儲(chǔ)空間,35.5 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間;I/O空間64 KB。此外,還有功能強(qiáng)大的外設(shè)、串行通信接口SCI、串行外圍皆空SPI、CAN總線(xiàn)控制器、事件管理器EV和A/D轉(zhuǎn)換器、看門(mén)狗WDT。

 3.2 驅(qū)動(dòng)電路

   對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō),只要驅(qū)動(dòng)電路在柵極和發(fā)射極間提供正偏電壓,IGBT就會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)+VGE增加時(shí),開(kāi)通時(shí)間和通態(tài)壓降減小,這有利于減小通態(tài)損耗和開(kāi)通損耗,但并不意味著+VGE越大越好。

  當(dāng)負(fù)載短路時(shí),短路電流將隨著+VGE的增大而增大,并使IGBT承受短路電流的時(shí)間變短,因此+VGE的取值要適當(dāng),通常推薦使用+15 V。為了保證IGBT承受短路電流的時(shí)間變短,也為了保證IGBT在C,E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)能可靠關(guān)斷,必須在柵極與發(fā)射極關(guān)斷時(shí)施加一個(gè)負(fù)偏壓 -VGE。采用負(fù)偏壓還可以減小關(guān)斷損耗。負(fù)偏壓-VGE一般取-5 V左右為宜。另外,為了使IGBT工作在理想狀態(tài)下,選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路尤為重要。

IR2110驅(qū)動(dòng)電路圖

  3.3 保護(hù)電路的設(shè)

  保護(hù)電路是傈證電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全工作的關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)際需要,設(shè)計(jì)了許多保護(hù)電路,使得本逆變電源能更好地完成任務(wù),并提高電源的安全性和可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)、溫度保護(hù),以及輸出過(guò)壓保護(hù)反饋,一旦出現(xiàn)上述任意異常狀況,首先通過(guò)硬件保護(hù)電路迅速封鎖DSP的PWM輸出信號(hào),同時(shí),引起DSP功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳上的電平跳變,程序執(zhí)行相應(yīng)中斷,并進(jìn)一步在軟件中斷程序中封鎖所有的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)中設(shè)定過(guò)載/過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)為不可自恢復(fù)的保護(hù),即一旦發(fā)生過(guò)載、過(guò)流或者短路現(xiàn)象,系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉,無(wú)輸出,直到人為的重新啟動(dòng)開(kāi)關(guān)為止。系統(tǒng)中設(shè)定的過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)為可自恢復(fù)的保護(hù),即一旦發(fā)生故障,只要恢復(fù)正常的工作條件系統(tǒng)就可以自動(dòng)正常運(yùn)行。

  4 軟件設(shè)計(jì)

  通過(guò)對(duì)DSP編程來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)工作。通過(guò)系統(tǒng)初始化子程序?qū)Ω鱾€(gè)參數(shù)、寄存器等進(jìn)行設(shè)定。對(duì)主電路的控制,逆變輸出50 Hz交流電。編程采用順序結(jié)構(gòu),使調(diào)用子程序方便。在整個(gè)工作過(guò)程中,能隨時(shí)對(duì)電流、電壓進(jìn)行測(cè)量比較,一旦出現(xiàn)欠壓、過(guò)流等故障,將及時(shí)報(bào)警,并通過(guò)子程序顯示在LED屏上。主程序及中斷子程序如圖4、圖5所示。

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  5 結(jié)語(yǔ)

    考慮到該逆變電源的工作要求,本文在設(shè)計(jì)的過(guò)程中加入了卸荷接口及蓄能部分,使其能很好地應(yīng)對(duì)隨時(shí)變化的風(fēng)力。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試表明,該電源能具有較高的穩(wěn)定度,通過(guò)選擇不同的功率,既可以用于輸出大功率的發(fā)電站,也可以用于普通用戶(hù)。

 

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