基于恒流自適應(yīng)功能的大功率變頻器預(yù)充電方案設(shè)計(jì)

王 鵬, 陳奉國

[施耐德電氣(中國)有限公司研發(fā)中心,上海 200120]

0 引 言

變頻器在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中需加入預(yù)充電電路，作為上電時(shí)限制儲(chǔ)能電容的充電電流，防止過大電流沖擊損壞功率模塊[1-2]。目前大功率變頻器(45 kW以上)預(yù)充電電路一般采用微控制單元(MCU)控制晶閘管開通角度的方案來實(shí)現(xiàn)[3-6]。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但芯片控制方式復(fù)雜，調(diào)試不便。為進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)充電電路的實(shí)現(xiàn)方案，本文設(shè)計(jì)了一種具有恒流自適應(yīng)功能的晶閘管控制方法，全部使用硬件實(shí)現(xiàn)，不再需要MCU發(fā)波支持，同時(shí)避免了光耦和開關(guān)電源時(shí)序問題，一定程度上簡(jiǎn)化了調(diào)試難度。

1 傳統(tǒng)大功率變頻器預(yù)充電電路

大功率變頻器一般采用晶閘管加二極管作為半控整流模塊單元。圖1為其原理框圖。當(dāng)三相交流接入時(shí)，同步電路采集輸入電壓并轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，由光耦隔離送入MCU，再通過算法控制晶閘管的開通角度，使得母線電壓逐步抬升，充電完成后，MCU依然要精確控制晶閘管的開通角使其工作于二極管模式。

這種電路主要存在以下問題：(1)因同步電路采樣的信號(hào)需要光耦隔離，在高低溫惡劣環(huán)境中光耦性能需要額外補(bǔ)償；(2)使用MCU軟件控制晶閘管開通角，算法復(fù)雜，調(diào)試不便；(3)必須注意時(shí)序問題。需要額外增加電路以使開關(guān)電源最先工作，保證控制電路優(yōu)先供電。

2 新型大功率變頻器預(yù)充電電路

新型大功率變頻器預(yù)充電電路原理框圖如圖2所示。在工作過程中主要由二極管充電和晶閘管控制單元兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。與傳統(tǒng)電路拓?fù)湎啾?，使用二極管VD4和電阻R1直接給母線充電，母線電壓平穩(wěn)后進(jìn)入晶閘管控制階段，即半控整流模塊在變頻器運(yùn)行中充當(dāng)整流角色。晶閘管控制單元主要是對(duì)變頻器工作過程中三相電壓和母線電壓進(jìn)行采集，通過恒流自適應(yīng)電路實(shí)現(xiàn)3路晶閘管門極導(dǎo)通角的良好控制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變頻器運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。二極管VD4的最大電流由輸入線電壓、R1及母線電容決定，從充電時(shí)間和充電電流兩方面折中考慮，電阻R1一般取30～40 Ω為宜，此時(shí)與傳統(tǒng)預(yù)充電方案相比，充電時(shí)間基本一致。

圖2 新型大功率變頻器預(yù)充電電路框圖

2.1 晶閘管控制單元設(shè)計(jì)

晶閘管控制單元是變頻器預(yù)充電電路中非常重要的環(huán)節(jié)，在具體的工作過程中主要分為以下步驟：(1)接收三相輸入電壓和母線電壓信號(hào)，與預(yù)設(shè)參考電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生各相晶閘管門極驅(qū)動(dòng)MOS的主信號(hào)，以便產(chǎn)生每相晶閘管交錯(cuò)開通約180°的特征；(2)控制晶閘管門極驅(qū)動(dòng)MOS的供電VG。由MOS、二極管、電感、電流采樣電阻構(gòu)成恒流源，以及放大電路和滯回比較器放在一起組成閉環(huán)小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)MOS門極自適應(yīng)通斷，維持閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。在母線電壓平穩(wěn)后，該閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)立即開始工作，其中對(duì)電流的限制既實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)振蕩，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶閘管門極開通時(shí)的電流限制要求。同時(shí)添加了過流保護(hù)和欠壓保護(hù)模塊，也用于控制MOS通斷，使得控制功能更加完善，兼具過流保護(hù)和欠壓保護(hù)功能，從模塊化設(shè)計(jì)角度來看，結(jié)構(gòu)清晰，便于仿真和調(diào)試，大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作量。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 晶閘管控制單元結(jié)構(gòu)

2.2 恒流自適應(yīng)供電

晶閘管是電流驅(qū)動(dòng)型器件，恒流自適應(yīng)電路為3路晶閘管門極驅(qū)動(dòng)提供足夠電流，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。MOS Q1，電感L，二極管VD構(gòu)成類Buck電路，R3為電流采樣電阻，運(yùn)放OP1及電阻R4=R5，R6=R7構(gòu)成放大電路，放大系數(shù)為α:

α=R7/R5

(1)

圖4 恒流自適應(yīng)電路

比較器COMP1和電阻R8、R9、R10構(gòu)成滯回比較電路，輸出只有0 V和VDC1兩種狀態(tài)，其正向閾值電壓為

(2)

負(fù)向閾值電壓為

(3)

因此滯回回差電壓：

(4)

同時(shí)，滯回回差由電感電流紋波的峰谷值來決定，即：

ΔVt=αΔI·R3

(5)

式中：ΔI為電感電流紋波。若同時(shí)設(shè)定Ig1為電流紋波谷值，Ig2為電流紋波峰值，即：ΔI=Ig2-Ig1。

在電流紋波谷值處，Q1開通，滯回比較器正向閾值電壓對(duì)應(yīng)為該谷值采樣后的放大值，即：

Vt+=αIg1·R3

(6)

由式(2)、式(6)得：

(7)

當(dāng)Q1打開時(shí)，電感L充電，電感電流近似斜坡上升，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，即有以下算式：

(8)

式中：Δt1為Q1開通時(shí)間；Rg為晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電阻；RSCR-g為晶閘管門極內(nèi)部等效電阻。

當(dāng)Q1斷開時(shí)，電感L放電，電感電流近似斜坡下降，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，即有以下算式：

(9)

式中：Δt2為Q1關(guān)斷時(shí)間；VD為二極管VD正向?qū)妷骸?/p>

由式(7)、式(5)可以看出，當(dāng)電路電阻值確定時(shí)，電感電流紋波ΔI及谷值Ig1都是確定的，與R3后端的負(fù)載無關(guān)，因此可以看作是帶有紋波的固定電流源。

三相晶閘管依次交替開通約180°，在某一時(shí)刻，只存在一相晶閘管開通或者兩相同時(shí)開通這兩種狀態(tài)。這兩種狀態(tài)相當(dāng)于Rg+RSCR-g的值變更，由式(8)、式(9)可以看出，此時(shí)電路會(huì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)Q1的占空比達(dá)到新的平衡，Δt1，Δt2自動(dòng)更新，但電感電流平均值不變。

2.3 電路仿真

使用PSIM對(duì)電路進(jìn)行仿真，參數(shù)選擇如下：L=220 μH，R3=0.2 Ω，R4=R5=1.5 kΩ，R6=R7=15 kΩ，R8=30.1 kΩ，R9=18.2 kΩ，R10=100 kΩ，VDC1=5 V，VDC2=15 V。理論計(jì)算滯回回差電壓0.51 V，電感電流紋波0.25 A，紋波峰值1.1 A。仿真波形如圖5所示，其中圖5(b)是圖5(a)中t時(shí)刻的放大波形，VL為L兩端電壓，I(L)和I(Rg)分別表示電感L和電阻Rg的電流。仿真結(jié)果顯示電感電流紋波0.253 6 A，紋波峰值1.101 7 A，這與理論計(jì)算結(jié)果一致。R3處的電流可以看成是帶有紋波的固定電流源，形如圖5中的I(L)。

圖5 恒流自適應(yīng)供電仿真波形

3 實(shí)例驗(yàn)證

以上文的新型預(yù)充電拓?fù)錇榛A(chǔ)，搭建60 kW變頻器樣機(jī)平臺(tái)。半控整流模塊使用塞米控的SEMiX365DH16，其門極觸發(fā)電流最小為0.1 A。充電電阻R1選擇36 Ω/55 W。恒流自適應(yīng)電路參數(shù)同仿真參數(shù)。三相380 V交流接入，變頻器運(yùn)行正常。實(shí)測(cè)Q1開通時(shí)間為5.25 μs，[見圖6，其中CH3…I(L)；CH4…VL]，與仿真結(jié)果(圖5)5.1 μs基本一致，實(shí)測(cè)電感電流紋波249.4 mA。調(diào)整滯回回差電壓，即可調(diào)整晶閘管門極電流的大小，調(diào)試方便靈活。

圖6 實(shí)測(cè)自適應(yīng)供電電路波形

圖7為預(yù)充電電路實(shí)測(cè)波形。其中CH1：L1對(duì)母線的電壓；CH2：母線電壓；CH3：VDC2；CH4：晶閘管Th1門極電壓。當(dāng)L1對(duì)母線電壓超過-232 V時(shí)，晶閘管Th1開通。各相晶閘管交替開通約180°，符合預(yù)期控制效果，方案具有可行性。

圖7 實(shí)測(cè)預(yù)充電電路波形

4 結(jié) 語

本文針對(duì)傳統(tǒng)變頻器預(yù)充電電路存在的問題，設(shè)計(jì)了一種具有恒流自適應(yīng)功能的預(yù)充電電路。該電路可以自適應(yīng)維持穩(wěn)定，為晶閘管觸發(fā)提供相對(duì)穩(wěn)定的供電，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)每相晶閘管精確控制，不再依賴軟件參與，同時(shí)避免了光耦和開關(guān)電源時(shí)序問題。通過PSIM仿真和實(shí)物平臺(tái)測(cè)試表明，該電路方案切實(shí)可行，調(diào)試方便，具有一定的參考價(jià)值。