CN101478248A - 基于三相脉冲整流器的直流稳压电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源及其控制方法，直流稳压电源包括主电路、检测电路和控制电路，所述的控制电路包括TMS320LF2407数字信号处理器DSP及晶振电路、电源电路、AD采样电路、PWM输出隔离电路。直流稳压电源的控制方法包括采样、直流电压控制、交流电流控制和开关逻辑控制。本发明增加了数字信号处理器DSP，使得直流稳压电源可以实现数字化处理。通过对输入的三相380V交流电压进行可控直流，得到稳定的直流600V电压。通过采用预测电流控制方法，从而使输入电流的形状接近正弦波形状并与输入电网电压同相位，从而使得交流输入功率因数接近于1，大大减小对电网的污染。

Description

基于三相脉冲整流器的直流稳压电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源及其控制方法，特别是一种在电力机车制造厂将三相380V交流电整流得到稳定的600V直流电的基于三相脉冲整流器的直流稳压电源及其控制方法。

背景技术

电力机车在制造厂或检修基地移动时，需要利用地面提供的动力电源来进行，这种地面电源被称为动车电源。随着我国铁路电力机车电气化的普及，直流传动电力机车已逐渐被交流传动电力机车所取代，交流传动电力机车的动车电源要求为直流600V，与直流传动电力机车对动车电源电压的要求完全不同。现在很多直流电源还是由单片机进行控制，运算速度和控制精度难以满足现行技术的控制要求，且控制方法较落后，导致输出稳定性差，谐波含量高，既对工业电网造成很大污染，又浪费了电能。

发明内容

为克服现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种稳定、高效的基于三相脉冲整流器的直流稳压电源，并提出了一种直流稳压电源的控制方法，以满足电力机车在制造厂或维修基地对动车电源的需要。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是这样实现的：一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源由主电路、检测电路和控制电路组成，所述的主电路包括平波电抗器电路、功率模块电路、输出滤波电路和散热风机电路，所述的检测电路包括输入三相电压检测电路、输入三相电流检测电路、输出电压电流检测电路，所述的控制电路由数字信号处理器DSP及外围电路组成。

本发明所述的数字信号处理器DSP是TMS320LF2407数字信号处理器。

本发明所述的外围电路包括晶振电路、电源电路、AD采样电路、PWM输出隔离电路。

一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源的控制方法包括以下步骤：

A、采样：由输入三相电压检测电路、输入三相电流检测电路、输出电压电流检测电路分别对直流稳压电源的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流进行采样；

B、直流电压控制：将采样反馈的输出电压与给定参考电压比较，以其差值输入电压PI调节器，输出作为交流电流的幅值给定，如果输出电压大于或者小于给定参考电压，则通过PI调节减小或增大交流电流幅值，通过调节交流电流幅值间接调节输出电压；

C、交流电流控制：由数字信号处理器按以下算法进行实现

$i_{\mathrm{s\α}}^{*}=I_m^{*}\cos \mathrm{\θ},$ $i_{\mathrm{s\β}}^{*}=I_m^{*}\sin \mathrm{\θ}---\left(a\right)$

其中，θ为电网电压的相位

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}=u_{\mathrm{s\α}}-L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{s\α}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{r\β}}=u_{\mathrm{s\β}}-L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{s\β}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(b\right)$

当开关频率足够高时，上式可写为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}=u_{\mathrm{s\α}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\α}}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\α}}\left(t_k\right)]\\ u_{\mathrm{r\β}}=u_{\mathrm{s\β}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\β}}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\β}}\left(t_k\right)]\end{array}\right.---\left(c\right)$

在一个周期内跟踪指令电流，即有

$i_{\mathrm{s\α}}\left(t_{k+1}\right)=i_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t_{k+1}\right),i_{\mathrm{s\β}}\left(t_{k+1}\right)=i_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t_{k+1}\right)---\left(d\right)$

代入(c)式可得交流侧电压控制率为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}^{*}=u_{\mathrm{s\α}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\α}}\left(t_k\right)]\\ u_{\mathrm{r\β}}^{*}=u_{\mathrm{s\β}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\φ}}^{*}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\β}}\left(t_k\right)]\end{array}\right.---\left(e\right)$

D、开关逻辑控制：将公式(e)的计算结果作为实现所需交流电流矢量的指令电压矢量，并采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)来控制整流器的开关器件。

本发明将所述的控制步骤编成计算机程序预先写入数字信号处理器DSP。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明增加了数字信号处理器DSP，使得直流稳压电源可以实现数字化处理。通过对输入的三相380V交流电压进行可控直流，得到稳定的直流600V电压，满足了实际的需要。

2、由于本发明采用简单的PI调节器进行直流电压控制，使脉冲整流器能够提供平稳的、符合逆变器要求的直流电压。

3、由于本发明采用了一种两相静止坐标系下的预测电流控制方法，响应速度快，实际电流能在一个开关周期内跟踪上指令电流，从而使输入电流的形状接近正弦波形状并与输入电网电压同相位，从而使得交流输入功率因数接近于1，大大减小对电网的污染。

4、由于本发明的逻辑控制采用空间矢量脉宽调制SVPWM来控制整流器的开关器件，这种控制策略无须进行坐标变换，简便易行，从而降低了成本和费用，同时也减少了事故隐患。

附图说明

本发明共有附图5幅，其中：

图1是基于三相脉冲整流器的直流稳压电源的电路示意图。

图2是基于三相脉冲整流器的直流稳压电源的控制原理示意图。

图3是基于三相脉冲整流器的直流稳压电源的电压PI调节器原理图。

图4是基于三相脉冲整流器的直流稳压电源控制方法的主程序框图。

图5是基于三相脉冲整流器的直流稳压电源控制方法的T1定时器中断服务程序框图。

图中，1、输入三相电压检测电路，2、平波电抗器电路，3、输入三相电流检测电路，4、功率模块电路，5、输出滤波电路，6、输出电压电流检测电路，7、散热风机电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。如图1-2所示，一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源，由主电路、检测电路和控制电路组成，所述的主电路包括平波电抗器电路2、功率模块电路4、输出滤波电路5和散热风机电路7，所述的检测电路包括输入三相电压检测电路1、输入三相电流检测电路3、输出电压电流检测电路6，所述的控制电路由数字信号处理器DSP及外围电路组成。所述的数字信号处理器DSP是TMS320LF2407数字信号处理器。所述的外围电路包括晶振电路、电源电路、AD采样电路、PWM输出隔离电路。

如图1-5所示，一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源的控制方法包括以下步骤：

A、采样：由输入三相电压检测电路1、输入三相电流检测电路3、输出电压电流检测电路6分别对直流稳压电源的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流进行采样；

B、直流电压控制：将采样反馈的输出电压与给定参考电压比较，以其差值输入电压PI调节器，输出作为交流电流的幅值给定，如果输出电压大于或者小于给定参考电压，则通过PI调节减小或增大交流电流幅值，通过调节交流电流幅值间接调节输出电压；

C、交流电流控制：由数字信号处理器按以下算法进行实现

$i_{\mathrm{s\α}}^{*}=I_m^{*}\cos \mathrm{\θ},$ $i_{\mathrm{s\β}}^{*}=I_m^{*}\sin \mathrm{\θ}---\left(a\right)$

其中，θ为电网电压的相位

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}=u_{\mathrm{s\α}}-L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{s\α}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{r\β}}=u_{\mathrm{s\β}}-L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{s\β}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(b\right)$

当开关频率足够高时，上式可写为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}=u_{\mathrm{s\α}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\α}}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\α}}\left(t_k\right)]\\ u_{\mathrm{r\β}}=u_{\mathrm{s\β}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\β}}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\β}}\left(t_k\right)]\end{array}\right.---\left(c\right)$

在一个周期内跟踪指令电流，即有

$i_{\mathrm{s\α}}\left(t_{k+1}\right)=i_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t_{k+1}\right),i_{\mathrm{s\β}}\left(t_{k+1}\right)=i_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t_{k+1}\right)---\left(d\right)$

代入(c)式可得交流侧电压控制率为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}^{*}=u_{\mathrm{s\α}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\α}}\left(t_k\right)]\\ u_{\mathrm{r\β}}^{*}=u_{\mathrm{s\β}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\φ}}^{*}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\β}}\left(t_k\right)]\end{array}\right.---\left(e\right)$

D、开关逻辑控制：将公式(e)的计算结果作为实现所需交流电流矢量的指令电压矢量，并采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)来控制整流器的开关器件。

本发明将所述的控制步骤编成计算机程序预先写入数字信号处理器DSP。

如图4-5所示，一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源的控制程序主要由两部分组成：主程序和T1定时器中断服务程序。在主程序中，完成了DSP系统寄存器的初始化和用到的DSP外围模块寄存器的配置，并检测T1定时器中断的条件。T1定时器中断服务程序是DSP程序的核心部分，完成控制算法的全部运算并发出PWM脉冲。

主程序初始化流程如下：首先，对DSP关中断，然后对DSP的系统寄存器、看门狗、IO口、CAN通讯模块、SCI模块、事件管理器模块进行配置和初始化，然后对程序中用到的变量进行初始化，检测直流侧电压和电网电压是否过零点，如果直流电压没有达到可以进行控制的电压值，则返回上一步继续检测，直到直流电压达到可以进行控制的电压值，接下来检测电网电压是否过零点，如果不是，继续检测电压是否过零点，如果检测到电网电压过零点，打开DSP的中断，等待DSP的定时器进入中断。

定时器1的中断处理流程如下：首先，关中断，防止DSP处理中断时，较低级的中断进入中断，接着判定是不是PDP(功率驱动保护)中断，如果是，则转入PDP中断处理程序；如果不是，则采样电网电压、电流和直流电压，对输出电压进行PI调节运算得到电流幅值，电流幅值指令乘以相位指令得到指令电流，然后对电流进行预测运算，再通过SVPWM计算出比较寄存器的值，装载比较寄存器，最后关中断，等待下次中断。

由上述可知：如果输出电压偏离给定电压，程序将在每个中断处理程序中通过运算处理调节输出脉冲的占空比，以此改变IGBT的通断来调整输出电压到给定值，保证输出电压的稳定。

使用本发明实现的稳压电源通过输入三相AC380电压，能产生稳定的600V输出，它具有很高的功率因数、较低的谐波干扰，能完全满足铁路机车电源的需要。

Claims (5)

1、一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源，由主电路、检测电路和控制电路组成，所述的主电路包括平波电抗器电路(2)、功率模块电路(4)、输出滤波电路(5)和散热风机电路(7)，所述的检测电路包括输入三相电压检测电路(1)、输入三相电流检测电路(3)、输出电压电流检测电路(6)，其特征在于：所述的控制电路由数字信号处理器DSP及外围电路组成。

2、一种根据权利要求1所述的基于三相脉冲整流器的直流稳压电源，其特征在于：所述的数字信号处理器DSP是TMS320LF2407数字信号处理器。

3、一种根据权利要求1所述的基于三相脉冲整流器的直流稳压电源，其特征在于：所述的外围电路包括晶振电路、电源电路、AD采样电路、PWM输出隔离电路。

4、一种基于三相脉冲整流器的直流稳压电源的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、采样：由输入三相电压检测电路(1)、输入三相电流检测电路(3)、输出电压电流检测电路(6)分别对直流稳压电源的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流进行采样；

B、直流电压控制：将采样反馈的输出电压与给定参考电压比较，以其差值输入电压PI调节器，输出作为交流电流的幅值给定，如果输出电压大于或者小于给定参考电压，则通过PI调节减小或增大交流电流幅值，通过调节交流电流幅值间接调节输出电压；

C、交流电流控制：由数字信号处理器按以下算法实现交流电流控制

$i_{\mathrm{s\α}}^{*}=I_m^{*}\cos \mathrm{\θ},i_{\mathrm{s\β}}^{*}=I_m^{*}\sin \mathrm{\θ}---\left(a\right)$

其中，θ为电网电压的相位

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}=u_{\mathrm{s\α}}-L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{s\α}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{r\β}}=u_{\mathrm{s\β}}-L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{s\β}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(b\right)$

当开关频率足够高时，上式可写为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}=u_{\mathrm{s\α}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\α}}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\α}}\left(t_k\right)]\\ u_{\mathrm{r\β}}=u_{\mathrm{s\β}}-\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\β}}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\β}}\left(t_k\right)]\end{array}\right.---\left(c\right)$

在一个周期内跟踪指令电流，即有

$i_{\mathrm{s\α}}\left(t_{k+1}\right)=i_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t_{k+1}\right),i_{\mathrm{s\β}}\left(t_{k+1}\right)=i_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t_{k+1}\right)---\left(d\right)$

代入(c)式可得交流侧电压控制率为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}^{*}=u_{\mathrm{s\α}}\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\α}}\left(t_k\right)]\\ u_{\mathrm{r\β}}^{*}=u_{\mathrm{s\β}}\frac{L_s}{T_{\mathrm{PWM}}}[i_{\mathrm{s\φ}}^{*}\left(t_{k+1}\right)-i_{\mathrm{s\β}}\left(t_k\right)]\end{array}\right.---\left(e\right)$

D、开关逻辑控制：将公式(e)的计算结果作为实现所需交流电流矢量的指令电压矢量，并采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)来控制整流器的开关器件。

5、一种根据权利要求4所述的基于三相脉冲整流器的直流稳压电源的控制方法，其特征在于：将所述的控制步骤编成计算机程序预先写入数字信号处理器DSP。

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