電力電子功率硬件模組

一、YXPHM系列簡(jiǎn)介

YXPHM系列采用基于模型設(shè)計(jì)的理念，脫胎于研旭成熟產(chǎn)品光伏并網(wǎng)逆變器與風(fēng)機(jī)變流器等成熟產(chǎn)品，又結(jié)合了研旭多年的模塊化組件與開放式平臺(tái)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電路、傳感器電路、信號(hào)處理電路進(jìn)一步集成，同時(shí)提供實(shí)際控制器接口、快速原型控制器結(jié)構(gòu)與實(shí)際控制器模塊，為用戶提供性價(jià)比更好的模塊化產(chǎn)品。
YXPHM系列產(chǎn)品主要型號(hào)參考如圖1所示：

圖1 YXPHM-TP型號(hào)說明

相對(duì)于傳統(tǒng)的三相電機(jī),多相電機(jī)具有可實(shí)現(xiàn)低壓大功率,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn),在供電電壓受限但又要求高功率等級(jí)和可靠性的場(chǎng)合,如船舶推進(jìn)系統(tǒng),電動(dòng)車牽引系統(tǒng),核電站水循環(huán)系統(tǒng)等。多相電機(jī)由于其性能而得到了高度的重視，在電力推進(jìn)系統(tǒng)中多相永磁同步電機(jī)較直流電機(jī)和異步電機(jī)有體積小,效率高,可靠性高,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,可冗余控制等優(yōu)點(diǎn);因此多相永磁同步電機(jī)在電力推進(jìn)系統(tǒng)中正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

二、YXPHM-SPM350a-I電力電子功率硬件模組

圖2為YXPHM-SPM350a-I的主電路拓?fù)涫疽鈭D：

圖2 YXPHM-SPM350a-I主電路拓?fù)涫疽?/p>

上圖顯示主電路拓?fù)錇榱嗳娖綐蚴郊軜?gòu)，功率開關(guān)器件采用三電平半橋模塊。下表為其主要參數(shù)。

主控CPU采用目前流行的DSP，型號(hào)為TI公司的TMS320F28377，其32位浮點(diǎn)處理能力，非常適用于變流器控制場(chǎng)合。通過傳感器分別采集六相交流電流、六相交流電壓、直流側(cè)電壓、電流以及溫度等信息送給DSP，然后DSP經(jīng)過特定的算法，輸出PWM調(diào)制波控制開關(guān)器件，從而可以實(shí)現(xiàn)輸出交流電壓。除此之外，信號(hào)處理電路還預(yù)留的外部控制器接口，方便對(duì)接RCP控制器，如DSPACE、RT-LAB、SPEEDGOAT、PLEX、YXSPACE等。
圖3為實(shí)物圖片，采用4U機(jī)箱封裝，尺寸為：450*440*177mm（長(zhǎng)寬高）。功率模塊硬件板卡方面主要由主控單元、采集調(diào)理單元、功率單元（包含功率模塊、散熱、繼電器等）、接口單元和人機(jī)界面等組成。

圖3  YXPHM-SPM350a-I實(shí)物圖

三、YXPHM-SPM350a-I電力電子功率硬件模組組成

3.1 主控單元
DSP：TI公司TMS320F28377，32位浮點(diǎn)型，200MHz主頻。
AD采集：20通道，支持電壓、電流和溫度采樣；
PWM：24通道；
RS485：2通道，支持MODBUS通信協(xié)議；
過流保護(hù)電路：6組；
過壓保護(hù)電路：6組；
接觸器：1個(gè)，用于直流母線電容預(yù)充電；
外擴(kuò)模擬接口：1個(gè)，用于與RCP控制器連接；
外擴(kuò)數(shù)字接口：1個(gè)，用于與RCP控制器連接；
LCD：1個(gè)7寸工業(yè)觸摸屏，用于查看運(yùn)行信息；
3.2 采集調(diào)理單元
電流采集：9通道，用電流霍爾傳感器，其輸出為電流型，經(jīng)過調(diào)理電路增大或者跟隨進(jìn)入ADC單元；
電壓采集：8通道，采用差分電路形式采集，交流、直流電壓均可進(jìn)行調(diào)理采集；
溫度采集：使用IGBT模塊內(nèi)部封裝的NTC-5K電阻，時(shí)刻監(jiān)測(cè)功率模塊內(nèi)部的工作溫度。
3.3 功率單元
IGBT模塊：英飛凌公司F3L100R12W2H3_B11，電流等級(jí)分別為100A，電壓等級(jí)為1200V；
母線電容：采用串并式組合，默認(rèn)單個(gè)電容為680uF/450V，總等效電容為3400uF/900V；
散熱器：采用高導(dǎo)熱鋁材料；

3.4 接口單元

圖4 模塊接口單元示意圖

YXPHM-SPM350a-I共有4類接口，分別為輔助220V供電端子、RS485通信接口、外擴(kuò)RCP接口以及功率接線端子。
輔助220V端子用于為模塊內(nèi)部板卡、控制器、組態(tài)屏等供電；
RS485通訊接口：方便工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過MODBUS-RTU遠(yuǎn)程調(diào)控；
外擴(kuò)RCP接口：將控制算法所需要的ADC接口和PWM接口引出，便于使用RCP對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開發(fā)研究；
功率端子：包括直流端子以及交流端子，直流端子包含DC+、DC-；交流端子包含U1、V1、W1、U2、V2和W2。
3.5 人機(jī)界面

圖5 YXPHM-SPM350a-I人機(jī)界面示意圖

YXPHM-SPM350a-I模塊具備7寸觸控液晶屏，人機(jī)界面與變流模塊通訊交互，可觀測(cè)變流器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

四、PRCP系統(tǒng)—PHM模塊+RCP控制器

當(dāng)前，YXSPACE系列快速原型控制器備受大家關(guān)注，由于其支持模型下載功能，非?？旖?、方便的驗(yàn)證控制算法。因此為了提高功率模塊的使用場(chǎng)合，特將功率模塊的模擬采集部分以及數(shù)字控制部分通過DB25接口外擴(kuò)出來，直接與RCP控制器對(duì)接，便于RCP直接控制。

圖6 桌面型與SP2000控制器實(shí)物圖（連接示意）

圖7 桌面型與SP6000仿真機(jī)實(shí)物圖（連接示意）

五、常見控制策略

（1）電流矢量控制
（2）空間矢量SVPWM控制
（3）直接轉(zhuǎn)矩控制