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基于TMS320F2803x的能量回饋系統的設計與實現

信息來源:管理員 發布時間:2014/10/25 8:09:58

 摘要:本文主要介紹了基于TMS320F2803x實現的能量回饋系統的設計。該設計可以幫助電機將其發電過程中所產生的再生能量回饋到電網,同時協助系統實現快速制動功能,具有良好的動態性能并可實現再生電能的合理利用,最終給出實驗波形,驗證了系統的可行性。
        關鍵詞:TMS320F2803x;能量回饋;再生能量。
 

        1  引   言

        能源問題是決定新世紀社會發展的突出問題,如何提高能源的利用率已引起全世界人民的關注。能量回饋系統作為用電設備與供電電網的接入口,可以實現直流電和交流電形式的轉換,有著廣闊的應用前景。與傳統的電阻制動方式相比,能量回饋系統大大的提高了電能利用率,功率因數大幅提高,增加了各種大慣量、拖動性的變頻調速系統應用的穩定性,同時協助系統實現快速制動功能,最終達到理想的節能效果。該系統的實施,對于一些快速制動的應用場合,如電梯、起重、油田抽油機、風力并網發電等具有重要的現實意義。
        2   原理與設計
        能量回饋系統作為有源逆變單元,從變頻器中分離出來,回饋單元的直流側并接與變頻器的直流母線,交流側并接于電網,將電機制動或者再生能量回饋到電網中。如圖1所示。

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 圖1 能量回饋系統主回路框圖

        無論系統工作在電動狀態還是發電狀態,能量回饋系統都能使得后級的負載正常運行。能量回饋系統的工作過程是:當負載工作在電動狀態時,能量回饋系統中的開關器件全部被封鎖,能量從直流側電容上吸收能量。當負載工作在發電狀態時,能量累積在變頻器直流母線側,產生泵升電壓,當直流母線電壓超過啟動有源逆變電路的工作電壓并且滿足條件時,能量回饋系統開始工作,將直流母線上的能量轉化為符合并網要求的交流電能回饋電網,達到節能的效果。隨著這部分能量的釋放,直流母線電壓下降,回落到設定值,回饋系統停止工作。
本文設計的能量回饋系統主要由硬件電路和控制軟件實現。
        2.1  硬件設計
        主要分為三個部分:模擬信號采集電路、DSP邏輯控制保護電路和PWM驅動電路。如圖2所示,以DSP為核心,采集電壓、電流信號,通過矢量控制算法,實時跟蹤電網相位頻率,產生PWM控制脈沖,進而通過驅動電路控制IGBT的通斷,將直流電轉變為幅值可調且滿足并網要求的交流電。
 

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圖2 能量回饋系統硬件電路框圖


        2.2  軟件設計
        DSP芯片采用TMS320F2803x芯片,采樣電網三相電壓,將電網等效為一個電機,利用CLARKE變換和PARK變換得到一個旋轉的磁場,DSP控制IGBT發出一個產生相同磁場的電壓,通過調節兩個電壓的相角差得到一個電流值,采用電壓環內套電流環閉環控制電流的大小來調節母線電壓。其矢量控制系統如下:


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圖3 矢量控制系統示意圖


        如圖3所示,控制系統由直流電壓外環和有功、無功電流內環組成。通過檢測輸出電流的三相電流值,經過CLARKE變換和PARK變換得到旋轉坐標系下的直流分量i_d和i_q。同時,通過檢測得到的直流電壓值和設定電壓值進行比較,通過PI調節器可實現直流電壓的無靜差控制。由于直流電壓的控制可通過i_d的控制來實現,因此直流電壓外環PI調節器的輸出量即為有功電流內環的電流參考值i_d^*,從而對VSR輸出的有功功率進行調節。無功電流內環的電流參考值i_q^*則是根據需向電網輸送的無功功率參考值q^*(由q^*=e_d i_q^*運算)而得,當令i_q^*=0時,VSR運行于單位功率因數狀態,即僅向電網輸送有功功率。通過電流內環PI調節器的輸出信號經過反PARK變換后,即可通過空間矢量脈沖調制得到VSR相應的開關驅動信號s_a 、s_b 、s_c,從而實現VSR的并網控制。
        3   實驗
        1.5KW、1500rpm電機在0.1s減速下,通過實驗,得到如圖4所示波形。該能量回饋系統克服了傳統能量回饋系統控制精度低、電流質量差的缺陷,實現了單位功率因數的正弦波電流回饋,成功地解決了網側電壓畸變問題,并且使回饋電流具有較好的正弦性。
 

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圖4波形圖

        4   結   論
        本文主要針對基于TMS320F2803x的能量回饋系統應用于變頻調速中,是節能降耗、改善控制性能、提高產品產量和質量的重要途徑,本設計最終實現了能量的再生利用,驗證了本項目方案的正確性和合理性,同時做到了經濟、環保、節能,具有良好的經濟效益和社會效益。


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