会员注册
发布信息

基于FPGA的高压变频器中性点偏移技术的算法实现
    

 0 引言

  在高压变频器正常运行过程中,如果功率单元出现故障,一般的实现方法是将此故障功率单元旁通,同时让其它两相相应的功率单元也同时旁通,这样使变频器A、B、C 三相输出相电压相等,从而保证线电压相等,使电机的三相电流平衡。但是在旁通过程中,由于同时旁通掉3个功率单元,所以电流冲击较大,可能造成系统过流停机。并且在旁通后高压变频器的输出功率降低较多,因此使电机输出功率减小。

1 中性点偏移技术原理分析

  目前国内生产的高压变频器大多采用功率单元串联叠加多电平,VVVF控制方式。其拓扑结构如图1 所示。A、B、C三相各6 个功率单元,每个功率单元输出电压为577 V,相电压UAO=UBO=UCO=3 462 V,线电压UAB=UBC=UCA=6 000 V。如果出现任意1 个功率单元故障旁通时,势必造成系统不平衡,从而导致系统停机。经过公司研发人员的理论推导及技术分析,提出了“中性点偏移”的方法。

  如图2(此图按照等比例1颐5.77所绘)所示,如果A 相有一个功率单元故障旁通掉,中性点由O偏移到O忆(虚拟中性点),经过运算,线电压由原来的1 039.23 V(1 039.23伊5.77=5 996 V)变为978.5 V(978.5伊5.77=5 646),相角度由120毅变为125.4毅和109.2毅。虽然相电压不相等,但是输出的线电压保持相等。这样就保证了电机的三相电流平衡。同理如果出现2 个或3 个单元旁通时,经过复杂运算,也可实现中性点偏移,从而保证输出的线电压相等。

2 FPGA 中各种功能模块的算法实现

  中性点偏移的算法实现,主要是通过现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)来实现的。DSP 主要采集功率单元的故障信息并进行处理后,发出旁通信号、地址和数据信号给FPGA。

  FPGA收到这些数据后,做相应处理。中性点偏移的算法实现原理框图如图3所示。其中,DSP采用TI 公司的TMS320F206,FPGA 采用Altera 公司的EP1C6Q240C8。

  2.1 芯片简介

  TMS320F206 是TI 公司推出的一种DSP 芯片,它是基于TMS320C5x 之上的高速定点数字处理芯片,具有改进的哈佛结构(程序总线和数据总线分离)、高性能CPU及高效的指令集等特点。其主要特性有:CPU具有32 位CALU、32 位累加器、16伊16 位并行乘法器、3 个移位寄存器、8 个16 位辅助寄存器。存储器具有224 kB 可寻址存储空间、544 B片内DRAM、4 kB 片内SRAM 或32 kB片内快闪存储器。指令速度可达25 ns单指令周期。外围电路有软件可编程定时器、软件可编程等待状态发生器、片内锁相环时钟发生器、同步和异步系列串口等。

  EP1C6Q240C8是Altera 公司推出的主流低成本FPGA-Cyclone系列。Cyclone器件采用0.13 滋m的工艺制造,其内部有2 个锁相环(PLL)、20 个M4K RAM块、具有5 980个LE 的逻辑容量、最大用户I/O 为185、支持高速LVDS 接口,性能可达到311 Mb/s。

  2.2 DSP数据处理

  当故障信号(包括IGBT过流,直流过压,无PWM信号等)上传到DSP 中时,DSP对故障位进行判断,封锁相应故障功率单元的PWM 信号,然后执行旁通程序,对每个功率单元按顺序进行扫描,对有故障的功率单元进行记忆,然后发出旁通命令及对应的旁通地址和相应数据。

  2.3 地址信号编码和总线数据处理

  地址信号分为旁通地址、同步地址、偏移地址,均通过ab[7..0]实现。旁通时A、B、C 三相分别对应一个地址。通过此地址DSP 向FPGA 发送旁通命令、同步数据及偏移数据。地址信号编码如图4 所示。

  总线数据包括旁通命令位、同步数据量、偏移数据量,通过数据总线gcm_data[15..0]来接收,A、B、C 三相分别对应一个地址。在相应地址选通后,DSP 向FPGA 写数据,由FPGA 来保存这些数据,在数据用完后进行清零。如图4 所示,旁通输出数据为gcm_a_pt_ [15..0]、gcm_b_pt_[15..0]、gcm_c_pt_[15..0],同步和偏移输出数据信号为a_q[15..0]、b_q[15..0]、c_q[15..0]。

  在FPGA 中用于查表的地址数据主要用于正弦波查表,改变此地址可生成不同频率的正弦波形。如图4 所示的ab[7..0]有效时,改变gcm_data[15..0] 的值可以产生不同的地址信号a_q[15..0]、b_q[15..0]、c_q[15..0],此三个地址信号用于正弦波查表的地址输入值。

2.4 频率合成器及乘法器的实现

  在FPGA 中利用Altera 的quartusII 软件的图形化解决方案,应用Verilog HDL 语言编写子程序,如图5 所示,gcm_lpm_rom 为频率合成器程序图形。频率合成器包括一个11 位最高有效位(MSB)的地址表address [10..0],连接一个SINROM的查阅表(LUT)上,从而产生所需要的输出数据q[7..0]。利用ModelSim软件进行仿真,当地址有效后,输出相应的波形数据,波形如图6 所示。

  如图5 所示幅值信号b[10..0]是由DSP 计算后,通过数据总线发送到FPGA 中,当地址选通后FPGA保存此数据,然后分别给A、B、C 三相,用于和频率值相乘。gcm_lpm_mult 为乘法器程序图形,乘法器输入信号包括一个8 位最高有效位(MSB)的乘数a[7..0]和一个11 位最高有效位(MSB)的被乘数b[10..0]及时钟信号,输出一个19 位最高有效位(MSB)的数据out[18..0]。利用ModelSim软件进行仿真,波形如图7 所示,当a 乘以b 后,输出相应的数据。例如乘数a=01,被乘数b=7ff,输出结果out=007ff。


      2.5 三角波发生器及PWM 信号生成

  高压变频器的变频变压(VVVF)控制方式主要是为了保证磁通不变,如果磁通增加,将导致铁心饱和,进而引起励磁电流的畸变,使电动机不能正常工作。VVVF控制主要采用正弦波脉宽调制(SPWM)方法实现,如图8 所示为单极性SPWM调制方式。

  图8 中(a)为调制波和载波,(b)为单极性SPWM波形。(a)中的正弦调制波的周期决定于所需要的调频比,等腰三角波的载波的周期决定于载波频率,振幅不变。如图9所示,利用Altera 的quartusII 软件的图形化解决方案,应用VerilogHDL 语言编写子程序,gcm_sjpkzx 为三角波发生器,在ena 使能的状态下,输出数据先增加后减小,通过计数器计数实现数字量三角波的生成,利用ModelSim 软件进行仿真的波形如图10 所示。

  gcm_lpm_compare为比较器,由三角波发生器输出的数据接到输入数据dataa[10..0],此为三角波数据。由乘法器输出的数据接到datab[10..0],取out[18..0]的高11 位,此为正弦波数据。当三角载波小于基波的时候输出为高电平。如图11 所示,输出信号aleb为PWM信号。

3 中性点偏移技术的实现

  由FPGA生成的PWM信号,进行编码之后,通过光纤传送到功率单元。编码信号中包括了各种控制信号,如果功率单元产生故障,这其中就会包含旁通信号,需要偏移的数据量,同步信号等。

  系统充分利用了FPGA(EP1C6Q240C8)的资源,使系统电路获得极大的简化,1 片EP1C6Q240C8 芯片可以完成6 个功率单元的时序控制和逻辑控制功能。FPGA 接收DSP 发送过来的数据,实现了旁通控制及偏移角度的执行,每个周波进行一次同步信号的处理,实现了故障功率单元在200 ms 内完成无扰动旁通。如图12 所示为A 相1 个功率单元旁通时的输出电压波形,输出电流如图13 所示。从图中可以看出,在旁路过程中没有产生扰动,保证了异步电动机能够正常运行,不影响生产。

4 结语

  以FPGA为核心的控制系统具有灵活的重复可编程能力,强大的逻辑运算能力及时序控制能力,它无疑具有广阔的市场应用前景。
 


 

 

 



相关阅读:  
  • 基于fpga和dsp的高压变频器中性点偏移技术的算法实现
  • 基于FPGA的高压变频器脉冲信号编码技术的算法实现
  • 基于IGCT的高压三电平变频器若干关键技术问题思考
  • 基于IGCT的高压三电平变频器若干关键技术题目思考
  • 基于IGCT器件的两电平高压变频器研究与应用-电子芯片
  • 基于FPGA的DES加密算法的高性能实现
  • 基于FPGA的DES加密算法的高性能实现
  • 几种常用高压变频器技术的对比分析
  • 几种常用高压变频器技术的对比分析
  • 基于FPGA的高速定点FFT算法的实现
  • 基于FPGA的高速定点FFT算法的实现
  • 基于IGCT器件的两电平高压变频器研究与应用
  • 基于IGCT器件的两电平高压变频器研究与应用
  • 基于IGCT的高压三电平变频器若干关键工艺问题思考
  • 苍南引供水公司基于高压变频器的节能改造设计
  • 基于Cyclone系列FPGA的1024点FFT算法的实现
  • 目前高压变频器的特性论述
  • 目前高压变频器的特性论述
  • 基于除尘风机高压变频器的应用
  • 基于状态机和流水线技术的3DES加密算法及其FPGA设计
  •  
     
     

    时间:2011年07月08日 09:33:52 来源:西部工控网 作者: 上一篇:选用温度变送器与压力变送器方法之比较 下一篇:变频器的维护与故障诊断  (电脑版  手机版)
    Copyright by www.chinabaike.com;All rights reserved.