基于TMS320F28335的有源电力滤波器实现.pdf

务l 訇 出 基于T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 的有源电力滤波器实现 The i m pl em ent a t i on of act i ve power f i I t er bas ed on TM S320F 28335 时伟 ，黄传金 ，曹文思 ，刘宏超 S HI We - 1 1 HU A NG C h u a n - j i n 。 。 C A O We n s i ， L I U Ho n g c h a o ( 1 中州大学 工程技术学院，郑州 4 5 0 0 4 4 ；2 华北水利水电学院。郑州 4 5 0 0 1 1 ； 3 湖南省电力勘测设计院，长沙 4 1 0 0 0 7 ) 摘要 ：为减少目前电力系统中的谐波与无功功率污染问题， 提高电能的有效利用率， 本文设计了一种 解决中小容量谐波治理与无功补偿的并联型智能化数字有源电力滤波器 ， 分析了经济性三相 四开关并联型有源电力滤波器的主电路拓扑结构，详细探讨了控制系统的工作原理和硬件电 路设计。现场工程应用案例证明了该系统的可行性和有效性。 关键词：有源电力滤波器；无功补偿；三相四开关 中图分类号 ：U 4 6 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 - 0 1 3 4 ( 2 0 1 2 ) 3 ( 下) -0 0 9 6 - 0 3 D o i ： 1 0 3 9 6 c I J i s s n 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 3 ( 下 ) 3 1 0 引言 有源电力滤波器 ( A c t i v e P o we r F i l t e r ， AP F ) 是 一 种用于动态抑制谐波补偿无功的新 型电力 电子 装置 ，针对 A P F的研 究主要 以三相六开关拓扑结 构为基 础进行 1 - 3 1 o经过 对低压 电力 系统 中的 中 小容量谐波治理与无功补偿的细分市场需求分析 ， 采用成本更低的三相四开关 AP F相对于三相六开 关 系统则更加具有针对性 与适应性。本文介 绍了 基于 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5的有源电力滤波器的硬件设 计 和实现 方 法 。 1 三相四开关AP F 的拓扑结构 三相四开关 A P F系统构成如 图 1 所示。 由图 1 可知 ，三 相四开关 A P F有两相桥臂需 要开关器件和续流二极管，第三相桥臂 由直流侧 电容组成。由于所需要的开关器件和续流二极 管 数 目可以减少 ，同时功率模块散热单元的设计也 非线性负载 针对四开关 电路有了相应简化 ，整机功耗相对于 六开关系统有 了明显下降。三相 四开关 AP F的整 体制造成本与运行成本 相对于传统的三相六开关 并联型 A P F有了显著地降低 ，具有较好的经济性 ， 因此较适合在低压系统中应用。其基本工作原理 是通过指令电流运算电路计算 出负载电流 i 中的 谐波分量 i ，得到有源电力滤波器应输出的指令电 流 i ；然后 电流跟踪控制电路则通过控制逆变器 的开关动作使有源滤波器 的输 出电流 i 基本 与 i 相同，于是 电源电流 即等于负载电流 f 的基波 分量 ，形成正弦波。 2 D S P 控制系统硬件结构及电路设计 控制 系统结构如 图 2所示，由 T I 公司的高速 浮点 DS P芯 片 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5和 X I L I N X公 司的 C P L D芯片 C 9 5 7 2 X L 6 4以及相关 的外 围电路芯片 组成。整个 DS P控制系统包括 ：模拟信号调理单 = = 1 S1 _ U o c l I C1 图1 三相四开关并联型AP F 的拓扑结构 I GBT 驱 动电路 元、 A D采样单元、输入输 出控制单元、 DS P中央处理器单元 、P WM 信号驱动 单元 、液晶显示单元和通讯单元等。 其基本 控制原理 为 ：电流 互感器 采样得 到负载 电压 和电流信 息，经过 信号 调理 电路 后进 入 A D采 样环 节 ， A D采 样 结果 输 出给 DS P主 控芯 片 ， 在 DS P内部采用文献 【 4 】 提出的指令电 流分析检测和文献 5 提 出的控制信号 输 出算法 ，得到 P WM 控制开关信号 ， 该 P WM 控 制信 号经过 光纤 通道 进入 收稿日期：2 0 1 2 - 0 2 - 0 6 基金项目：河南省教育厅自然科学基金项 目 ( 2 0 1 1 A 4 7 0 0 0 5 ) 作者简介：时伟 ( 1 9 8 1 一)男，助教，硕士，主要从事电力电子和信号处理方面的研究。 0 6 1 第3 4 卷第3 期2 0 1 2 - 3 ( 下) 蒜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 甸 似 冀篁 露 一 一 I采 l f 电压传感器 PLL 样 “ l 譬 ： I GB T驱动单元 ，变换 为可 以驱动大功率 I G B T的 开关信号 ，最终控制逆变器的运行方式 ，实现指 令 电流 的输 出。以上环节按照系统的采样频率循 环进行 ，最终达到对负载谐波、无功和负序等电 流的动态连续跟踪控制。 2 1采样电路设计 采 样 电路 的设 计包括 信 号转换 、信 号放大 、 信号滤波、信号偏置和 A D采样环节 ，具体 电路 如图 3所示。 图 3 ( a ) 中以 A相负载 电流采样为例 ，一级 C T ( 电流互感器)的输入电流信号经过图 3 ( a ) 中的二 级C T的采样电阻后 ，将信号转换为交流电压信号 ， 其中稳压管对信号进行 了最大输入限制 ，以免损毁 后级电路及 A D芯 片，电压信号继续经过二阶低 通滤波电路以滤除高频信号 。由于本文采用的 Aft ) 芯片输入信号要求为 0 5 V限制 ，故采用图 3 ( b ) 所 示的 + 2 5 V电压偏置 电路，对前级信号进行偏置处 理 ，保证 A D输入通道的信号在 O 一 5 V的范围内。 A D采样 电路采用 AD转换芯片 AD7 9 3 8 6对 输入模拟量进行模数转换 ，该芯片为 8通道 1 2位 高速 AD采样芯片 ，具有最大 6 2 5 k s P s的转化率 ， 输入 电压在 2 7 V至 5 2 5 V之 间均能正常工作 ，实 际最大 功耗小于 1 0 mW ，能采 8路 模拟参量 ，1 2 位并行 输 出接 口可 以保 证采样数 据 的高 速传递 ， 完全满足系统精度要求 。 2 2 驱动电路设计 驱 动 电路设 计 如 图 4所 示 ，采 用 CO N C E P T 公 司 的 S C AL E智能 集成驱动模 块，模 块型号 为 2 S D3 1 5 A。S C A L E器件提供的驱动电流可达 1 5 A； 输 出驱动信号的导通 电平为 + 1 5 V，电平为 一 1 5 V； 开关频率从 0 1 0 0 k H z ；提供电气隔离 5 0 0 V - 1 0 k V； 占空比 ： 0 1 0 0 ；内部带短路和过流保护电路 、 隔离的状态识别电路、电源检测电路和 D C DC开 关电源 。 V00 Vc c 上桥臀 系统直流母 丰4 v C I G N D 4 - M0D V L set R血 1 I， IGD I G 1 、，一 信 号 输 入 皇 墨 E 1 I n p u t A 使 能 端 I n p u t B V CC L DI 电抗器 广：h l 0 下 桥 臂 J _L I N 4 Q 0 7 C 2 一 s o c 2 R吐I 2 25KQ l 2 IG D ，、 G 2 气 d L R C l 隔离 E 2 一 f I t C2 GND 图4 驱动电路 从 C P L D 控制 器输 出 的 S P WM 波通过 光纤 驱动单元 ，经光纤传送到 2 S D3 1 5 A驱动模块作为 驱动器的输入 ，S P WM 波经驱动 电路后直接驱动 AP F主电路功率开关器件 I G B T的上下桥臂 ，实现 对 I GB T的控制。 为 了保证不会 出现上下桥臂直通的情况，在 信号进入 2 S D 3 l 5 A模块前 ，还要设计逻辑互锁电 路，保 证 当指令信号 的上下桥 臂均为高 电平 时 ， 输入 2 S D3 1 5 A 模块 的控 制信号 自动互锁 为低 电 平，避免 I GB T直通现象的发生。 2 3 故障锁存电路 设计 中要对各种故障信号进 行及 时准确的判 ( a ) 信号调理放大 与滤波 图3 负载 电流信号输入采样 电路 = +15 ( b ) 输入信 号偏置 第3 4 卷第3 期2 0 1 2 - 3 ( 下) 1 9 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、I 造 訇 ,t lu 断、可靠的锁存和正确的处理。下面以 I G B T驱动 模块单元中 I GB T短路过流故障的锁存为例进行电 路设计 ，过流故障锁存电路如图 5所示。 图5 故障锁存 电路 采用基于 2 S D3 1 5 A模块 的驱动 电路对 I G B T 进行驱动并 进行过流保护。当短路过流故障发生 时 ，2 S D3 1 5 A模 块 会 关 闭上 下 桥 臂 的 I G B T以 实现过流保护，同时产生过流故障信号，故障经 C D4 0 4 4 B锁存后点亮发光二极管，指示故障信号 ， 同时产生三极管基极 驱动 电流 ，从而驱动光纤接 口单元 ，使故障信号通过光纤传送至 D S P主控板， 以便对故障进行分析处理 。 2 4 同步 电路 同步电路的主要功能是产生与电网电压频率、 相位相同的同步脉冲信号 。调理 电路输 出的电网 信号经过零相移带通 滤波器滤除谐波信号后，通 过过零 比较器得到与电网电压频率 、相位 相同的 + 5 V方波信号，即为 同步脉冲信号 ，该信号经 电 平转换后输入至处理 器模块 ，处理器根据同步信 号计算 电网瞬时频率，并通知 内部事件管理器 和 外围电路进行同步操作调整。 2 5 通信模块 通 信 模 块 包 括 6 4 K位 非 易 失 性 存 储 芯 片 2 5 C L 6 4和 RS 2 3 2通信接 口，通信接 口电路 由 图6同步电路 MA X3 2 3 2实现 。通信模块主要将系统记录的故障 信息、控制参数 、负载和 A P F运行状态信息进行 存储 ，并与 P C机进行通信 ，并实现数据上传和参 数设置。 3 工程应用案例分析 据某矿业公司户反映，1 0 k V侧的无功电容投 切开关周期性烧毁，继 电保护设备误动作。该矿 业公 司对应整流变容量为 2 0 0 k V A，为六脉波整流 器 ，主要谐波成分 为 5 、7 、l 1 、1 3 ，已有无功 补 偿措施 ，因此不考虑无功 的补偿 ，总谐波电流含 有率 2 0 3 5 ，谐波电流最大可达 1 0 0 A。 采用容量 1 2 0 A的并联型有源电力滤波器并入 整流变低压侧 ，对该工业现场进行谐波治理 ，补 偿后的电网电压电流波形与谐波如图 7所示。 对三相四开关并联型 AP F实验产品投运后现 场 电压 电流数据的分析可以发现 ，现场 电压畸变 率降低到 5 O ，电流畸变率降低到 6 O ，结果证 明本三相四开关并联型 AP F产品进行谐 波抑制的 效果良好，性能可靠 ，达到了预期的设计 目标。 4 结论 给出了经济性三相 四开关并联型有源 电力滤 波器的主电路拓扑结构 ，提 出了以 DS P和 C P L D 为核心 的数字化控制 系统方案 ，并对控制 系统工 作原理 和硬件 电路设计进行 了介绍。实 际工程运 行结果表 明投入 AP F后，谐波抑制和无功补偿效 ( a ) 电网电压波形( b ) 电网电压T H D ( c ) 电网电流波形 ( d ) 电网电流T HD 图7 A P F ： b 偿后的试验结果 0 8 1 第3 4 卷第3 期2 0 1 2 - 3 ( 下) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 似 果 明显 ，且 系统成本较低 ，具有 良好的工程推广 应用前景。 参考文献： 【 1 陈东华， 谢少军， 周波 用于有源电力滤波器谐波和无功 电流检测的一种改进 同步参考 坐标法 J 中国 电机工程 学报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 0 ) ： 6 2 6 7 【 2 王兆安， 杨君， 刘进军 谐波抑制与无功功率补偿【 M】 北 京： 机械工业出版社， 1 9 9 8 【 3 周卫平， 吴正国， 夏立， 等 三相三线有源电力滤波器电 流跟踪性能最优化控制【 J 】 _ 中国电机工程学报， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 1 1 ) ： 8 5 9 0 4 刘宏超， 彭建香 三相四开关并联型有源电力滤波器的 指令电流确定方法 J 】 中国电机工程学报， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 1 6 ) ： 1 0 8 1 1 3 【 5 刘宏超， 吕胜民， 张春晖 三相四开关并联型有源电力滤 波器的S V P WM调制算法 J 电工技术学报， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 4 ) ： 】 2 8 】 3 4 出 蠡 | 矗 童 盎 矗 矗出，重 重 重 盘 j矗 出 岛 蠡 重 鑫 出-|重 j矗 蠡I 矗 出 【 上接第3 9 页】 从 而控制步进电机 以预想的方式动作。设计 采用 两 相 混 合 式步 进 电 机 5 7 B YGH 7 8及其 驱 动 器 为 2 M5 4 2 。电机步距角为 1 8 。 ，而 电机步距角精度为 5 ，且采用步进驱动器对步距 角进行细分 ，可 进一 步提 高电机运 转精度。虽然 实际运行 中传 动 模块还 会受到机 器振动、烫色纸变形 和外界干 扰 等诸 多因素的影 响，但经 多次 测试发现，将 电机 转轴周长定为 l 0 c m，步进 电机仍可将烫色纸移动 裕量可控制在 l mm 以内。 步进 电机控制 电路如图 7所 示，P L C通过控 制发送到 P L S口的脉冲的频率和速度来调节步进 电机转动轴 的转动速度 与转过角 度，控制发送到 DI R口的方 向控制信 号来 控制 电机 的转动方 向， 控制发送到 E NA端口的电机释放信号来释放或启 动电机。在系统处于 自动运行状 态时，如果遇到 突发性故障 ，控制器根据故障的不 同会控制电机 完成指定工作后再将其停止 ，从而 当故障排除后 ， 输入信号光耦隔离 正端 步进脉冲信号 输入信号光耦隔离正端 方 向控制信号 输入信号光耦隔离正端 电机释放信号 DC 3 6 V 图7 步进电机控制电路 烫色纸传动模块无需调试 即可开始工作 ，这是传 统烫色纸传动模块难 以做到的。 2 3其他控制模块 本设计还对其 它控制模块进行了优化和改造 ， 以提高 吊粒的烫色质量。由于 吊粒烫色质量主要 取决于烫色时间控制模块和温度控制模块 ，以往 这两个模 块都 采用相应 的控制器 进行单独控 制， 在本 设计 中 P L C通 过 电磁 阀和温 度控 制扩展 板 XP 3 - 2 T C P B D 分 别对烫 色时 间和温度进行直 接 地 监测与控制。一方 面减小 了参数 控制误差 ，如 时间误差从 0 5秒左右提高到 0 1秒，温度误差从 1 2 提高到 0 - 3 ，另一方面提高系统的稳定性 ， 并且加强了系统故障实时检测与 自动处理的能力。 3 结论 目前，该新型 吊粒 烫色控制 系统已作为全 自 动 烫色机 的烫色模 块投入到 实际生产 运用 当中。 将其运 行情 况与旧式 烫色模块进行 比对发现 ，该 烫色模块运 行稳 定性 更高，故障发生率更低 ，吊 粒 的烫色质量有明显提高 ，且 由于采用 P L C控 制 步进 电机对烫色纸传动模块进行精确带动 ，使得 烫色纸 利用率提 高了 1 3倍 ，从 而有效地降低 了 系统 的运行成本 。 参考文献： 【 1 信捷科技电子有限公司 信捷XP XMP 一 1 8 系列一体机用 户手册 M】 信捷科技电子有限公司， 2 0 1 0 2 王培良， 许力 发电机自动检测的P L C 控制系统 J 电气 自动化， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 1 ) ： 6 0 - 6 1 + 3 4 【 3 】王立红， 赵越岭， 杨忠文， 等 基于P L C的步进电机转 速控制 方法 研究 J 辽 宁工 业大 学学报( 自然 科学版 ) ， 2 0 1 0， 3 O ( 4 ) ： 2 1 5 2 1 7 第3 4 卷第3 期2 0 1 2 - 3 ( 下) 9 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m