基于DSP控制的25Hz逆變電源抗負荷沖擊策略

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

關(guān)鍵詞：逆變器；沖擊負荷；數字信號處理器

0 引言

25Hz逆變電源是鐵路區段信號中的供電設備，分別向軌道回路和局部回路供電。由于它是整個(gè)鐵路區段中的關(guān)鍵設備，因而在電壓穩定度、波形畸變以及可靠性上有非常嚴格的要求。特別是在可靠性上，它要求在負載過(guò)載、變壓器接入、負載短路這樣的沖擊情況下都不應造成設備的損壞，并要求能夠承受長(cháng)期短路這樣的極端故障。但是，由于功率半導體器件的過(guò)載能力差，當負載短路或者接入變壓器這樣的沖擊性負荷的時(shí)候，必將導致器件的損壞。因而，對接入沖擊性負荷時(shí)進(jìn)行保護是必不可少的。

基于傳統模擬保護方法的不足，本文提出了一種通過(guò)計算等效輸出阻抗來(lái)對沖擊負荷進(jìn)行相應保護的策略，依靠DSP控制的靈活性，能夠對短路、變壓器接入以及過(guò)載等進(jìn)行不同程度的保護，并能承受長(cháng)期短路這樣的故障，實(shí)驗證明它是一種有效的保護策略。

1 傳統抗負荷沖擊策略

單相逆變器主電路結構如圖1所示，控制電路根據輸出電壓和電感電流，來(lái)控制功率器件的開(kāi)通與關(guān)斷，輸出電壓經(jīng)過(guò)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

傳統的保護策略有如下幾種。

1.1 降低輸出電壓

降壓方法是在檢測到輸出過(guò)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(shí)值，因而電路響應快，能對惡劣的電流沖擊進(jìn)行有效的保護。當沖擊消失時(shí)，電路又能自行恢復正常的輸出電壓。

但是，由于降壓電路是事先設計好降壓值的，為了適應大的沖擊，必須將設定值定得很低，對輕度過(guò)載情況而言，這種保護是過(guò)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作用。

1.2 加入滯環(huán)的瞬時(shí)值限流電路

這種方法是當檢測到輸出電流超出設定值I1時(shí)，就封鎖開(kāi)關(guān)管的門(mén)極信號，迫使電流下降，當電流下降到另一設定值I2時(shí)，便把封鎖信號撤掉，讓電路繼續正常工作，當電流再次超過(guò)設定值I1時(shí)，便再次加入封鎖信號，如此重復進(jìn)行。實(shí)際上這就是將輸出電流通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)控制封鎖信號。相對降壓電路來(lái)講，它能夠根據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作用。

由于滯環(huán)比較器的開(kāi)通和封鎖工作在高頻狀態(tài)，因此，這種方法將有可能導致開(kāi)關(guān)管的超高頻工作，這對于開(kāi)關(guān)器件來(lái)說(shuō)是相當危險的，當出現長(cháng)期短路這樣的故障時(shí)，這種方法就不能對設備起到有效的保護作用。

2 DSP控制的短路保護策略

隨著(zhù)高速數字處理器DSP的問(wèn)世，傳統的模擬控制逐漸被數字控制所替代。由于DSP的易調試性和靈活的控制能力，可以使限流、短路保護做得更加可靠，使系統更加穩定。

2.1 系統對短路保護的要求和分析

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

——過(guò)載時(shí)不能使輸出電壓變?yōu)榱?，只能適當地限制；

——輸出短路時(shí)能及時(shí)切斷輸出電壓，并能承受長(cháng)期短路故障；

——當輸出接入變壓器時(shí)，不應該對輸出電壓造成過(guò)大的影響；

——當過(guò)載或短路故障解除時(shí)，設備應能自動(dòng)恢復工作。

在實(shí)際電路中，短路情況可以相當于接入了一個(gè)非常重的負載，若對于純阻性負載而言，即負載電阻R非常小，因而，對于過(guò)載和短路便可根據R的大小來(lái)區分，在DSP程序中就可以通過(guò)計算等效輸出阻抗來(lái)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(xiàn)便可。圖2中，Vnom為正常輸出電壓，Rnom為額定負載。當過(guò)載時(shí)，電壓適當下降，而負載短路時(shí)，則將電壓限到一個(gè)極低值，以保證設備的安全。

圖2 不同負載時(shí)輸出電壓變化曲線(xiàn)