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基于FPGA和DSP的高压变频器中性点偏移技术的算法实现

引言:

  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。

 

  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。

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