基于DSP控制的25Hz逆變電源抗負(fù)荷沖擊策略

摘要：提出了一種數(shù)字控制25Hz逆變器抗沖擊負(fù)荷的保護(hù)策略，通過計算等效輸出阻抗的方法，對逆變器起到了有效的保護(hù)作用。通過實驗進(jìn)行了驗證，并給出了實驗波形。

關(guān)鍵詞：逆變器；沖擊負(fù)荷；數(shù)字信號處理器

0 引言

25Hz逆變電源是鐵路區(qū)段信號中的供電設(shè)備，分別向軌道回路和局部回路供電。由于它是整個鐵路區(qū)段中的關(guān)鍵設(shè)備，因而在電壓穩(wěn)定度、波形畸變以及可靠性上有非常嚴(yán)格的要求。特別是在可靠性上，它要求在負(fù)載過載、變壓器接入、負(fù)載短路這樣的沖擊情況下都不應(yīng)造成設(shè)備的損壞，并要求能夠承受長期短路這樣的極端故障。但是，由于功率半導(dǎo)體器件的過載能力差，當(dāng)負(fù)載短路或者接入變壓器這樣的沖擊性負(fù)荷的時候，必將導(dǎo)致器件的損壞。因而，對接入沖擊性負(fù)荷時進(jìn)行保護(hù)是必不可少的。

基于傳統(tǒng)模擬保護(hù)方法的不足，本文提出了一種通過計算等效輸出阻抗來對沖擊負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)的策略，依靠DSP控制的靈活性，能夠?qū)Χ搪?、變壓器接入以及過載等進(jìn)行不同程度的保護(hù)，并能承受長期短路這樣的故障，實驗證明它是一種有效的保護(hù)策略。

1 傳統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊策略

單相逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制電路根據(jù)輸出電壓和電感電流，來控制功率器件的開通與關(guān)斷，輸出電壓經(jīng)過一級LC濾波以后，就得到了高質(zhì)量的正弦波。

圖1 單相SPWM逆變器主電路原理圖

傳統(tǒng)的保護(hù)策略有如下幾種。

1.1 降低輸出電壓

降壓方法是在檢測到輸出過載電流以后，立即將電壓的參考值拉低，這樣，便軟化了沖擊電流。由于電路檢測的是電流的瞬時值，因而電路響應(yīng)快，能對惡劣的電流沖擊進(jìn)行有效的保護(hù)。當(dāng)沖擊消失時，電路又能自行恢復(fù)正常的輸出電壓。

但是，由于降壓電路是事先設(shè)計好降壓值的，為了適應(yīng)大的沖擊，必須將設(shè)定值定得很低，對輕度過載情況而言，這種保護(hù)是過度的。而對于像短路這樣的沖擊，這種方法又起不到有效的保護(hù)作用。

1.2 加入滯環(huán)的瞬時值限流電路

這種方法是當(dāng)檢測到輸出電流超出設(shè)定值I1時，就封鎖開關(guān)管的門極信號，迫使電流下降，當(dāng)電流下降到另一設(shè)定值I2時，便把封鎖信號撤掉，讓電路繼續(xù)正常工作，當(dāng)電流再次超過設(shè)定值I1時，便再次加入封鎖信號，如此重復(fù)進(jìn)行。實際上這就是將輸出電流通過滯環(huán)比較器來控制封鎖信號。相對降壓電路來講，它能夠根據(jù)不同的沖擊使電壓下降到適宜的程度，而且，它可以對短路等大沖擊起到有效的保護(hù)作用。

由于滯環(huán)比較器的開通和封鎖工作在高頻狀態(tài)，因此，這種方法將有可能導(dǎo)致開關(guān)管的超高頻工作，這對于開關(guān)器件來說是相當(dāng)危險的，當(dāng)出現(xiàn)長期短路這樣的故障時，這種方法就不能對設(shè)備起到有效的保護(hù)作用。

2 DSP控制的短路保護(hù)策略

隨著高速數(shù)字處理器DSP的問世，傳統(tǒng)的模擬控制逐漸被數(shù)字控制所替代。由于DSP的易調(diào)試性和靈活的控制能力，可以使限流、短路保護(hù)做得更加可靠，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2.1 系統(tǒng)對短路保護(hù)的要求和分析

為保證25Hz逆變電源的可靠性，合理的保護(hù)控制需要符合以下幾點要求：

——過載時不能使輸出電壓變?yōu)榱?，只能適當(dāng)?shù)叵拗疲?/p>

——輸出短路時能及時切斷輸出電壓，并能承受長期短路故障；

——當(dāng)輸出接入變壓器時，不應(yīng)該對輸出電壓造成過大的影響；

——當(dāng)過載或短路故障解除時，設(shè)備應(yīng)能自動恢復(fù)工作。

在實際電路中，短路情況可以相當(dāng)于接入了一個非常重的負(fù)載，若對于純阻性負(fù)載而言，即負(fù)載電阻R非常小，因而，對于過載和短路便可根據(jù)R的大小來區(qū)分，在DSP程序中就可以通過計算等效輸出阻抗來正確判斷。這樣，對于上述要求，便是要輸出電壓符合圖2的曲線便可。圖2中，Vnom為正常輸出電壓，Rnom為額定負(fù)載。當(dāng)過載時，電壓適當(dāng)下降，而負(fù)載短路時，則將電壓限到一個極低值，以保證設(shè)備的安全。

圖2 不同負(fù)載時輸出電壓變化曲線