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基于TMS320F2803x的能量回馈系统的设计与实现

信息来源:管理员 发布时间:2014/10/25 8:09:58

 摘要:本文主要介绍了基于TMS320F2803x实现的能量回馈系统的设计。该设计可以帮助电机将其发电过程中所产生的再生能量回馈到电网,同时协助系统实现快速制动功能,具有良好的动态性能并可实现再生电能的合理利用,最终给出实验波形,验证了系统的可行性。
        关键词:TMS320F2803x;能量回馈;再生能量。
 

        1  引   言

        能源问题是决定新世纪社会发展的突出问题,如何提高能源的利用率已引起全世界人民的关注。能量回馈系统作为用电设备与供电电网的接入口,可以实现直流电和交流电形式的转换,有着广阔的应用前景。与传统的电阻制动方式相比,能量回馈系统大大的提高了电能利用率,功率因数大幅提高,增加了各种大惯量、拖动性的变频调速系统应用的稳定性,同时协助系统实现快速制动功能,最终达到理想的节能效果。该系统的实施,对于一些快速制动的应用场合,如电梯、起重、油田抽油机、风力并网发电等具有重要的现实意义。
        2   原理与设计
        能量回馈系统作为有源逆变单元,从变频器中分离出来,回馈单元的直流侧并接与变频器的直流母线,交流侧并接于电网,将电机制动或者再生能量回馈到电网中。如图1所示。

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 图1 能量回馈系统主回路框图

        无论系统工作在电动状态还是发电状态,能量回馈系统都能使得后级的负载正常运行。能量回馈系统的工作过程是:当负载工作在电动状态时,能量回馈系统中的开关器件全部被封锁,能量从直流侧电容上吸收能量。当负载工作在发电状态时,能量累积在变频器直流母线侧,产生泵升电压,当直流母线电压超过启动有源逆变电路的工作电压并且满足条件时,能量回馈系统开始工作,将直流母线上的能量转化为符合并网要求的交流电能回馈电网,达到节能的效果。随着这部分能量的释放,直流母线电压下降,回落到设定值,回馈系统停止工作。
本文设计的能量回馈系统主要由硬件电路和控制软件实现。
        2.1  硬件设计
        主要分为三个部分:模拟信号采集电路、DSP逻辑控制保护电路和PWM驱动电路。如图2所示,以DSP为核心,采集电压、电流信号,通过矢量控制算法,实时跟踪电网相位频率,产生PWM控制脉冲,进而通过驱动电路控制IGBT的通断,将直流电转变为幅值可调且满足并网要求的交流电。
 

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图2 能量回馈系统硬件电路框图


        2.2  软件设计
        DSP芯片采用TMS320F2803x芯片,采样电网三相电压,将电网等效为一个电机,利用CLARKE变换和PARK变换得到一个旋转的磁场,DSP控制IGBT发出一个产生相同磁场的电压,通过调节两个电压的相角差得到一个电流值,采用电压环内套电流环闭环控制电流的大小来调节母线电压。其矢量控制系统如下:


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图3 矢量控制系统示意图


        如图3所示,控制系统由直流电压外环和有功、无功电流内环组成。通过检测输出电流的三相电流值,经过CLARKE变换和PARK变换得到旋转坐标系下的直流分量i_d和i_q。同时,通过检测得到的直流电压值和设定电压值进行比较,通过PI调节器可实现直流电压的无静差控制。由于直流电压的控制可通过i_d的控制来实现,因此直流电压外环PI调节器的输出量即为有功电流内环的电流参考值i_d^*,从而对VSR输出的有功功率进行调节。无功电流内环的电流参考值i_q^*则是根据需向电网输送的无功功率参考值q^*(由q^*=e_d i_q^*运算)而得,当令i_q^*=0时,VSR运行于单位功率因数状态,即仅向电网输送有功功率。通过电流内环PI调节器的输出信号经过反PARK变换后,即可通过空间矢量脉冲调制得到VSR相应的开关驱动信号s_a 、s_b 、s_c,从而实现VSR的并网控制。
        3   实验
        1.5KW、1500rpm电机在0.1s减速下,通过实验,得到如图4所示波形。该能量回馈系统克服了传统能量回馈系统控制精度低、电流质量差的缺陷,实现了单位功率因数的正弦波电流回馈,成功地解决了网侧电压畸变问题,并且使回馈电流具有较好的正弦性。
 

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图4波形图

        4   结   论
        本文主要针对基于TMS320F2803x的能量回馈系统应用于变频调速中,是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径,本设计最终实现了能量的再生利用,验证了本项目方案的正确性和合理性,同时做到了经济、环保、节能,具有良好的经济效益和社会效益。


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