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三电平开源驱动器系统
    发布时间: 2020-05-12 13:35    

一、概述

三电平开源驱动产品本公司为了满足高校用户需求与行业市场,以助力高校用户快速研究出成果为出发点,自主研发精心打造的第驱动器产品高性能高品质高功率密度设计以及在易用性、可靠性稳定性、兼容性、可维护性环保性和设计标准等方面显著提升进一步优化用户使用体验,只为激发开源驱动系统与应用环境的完美结合,专为高校和科研院所打造的科研设备与一体化解决方案。

三电平开源驱动产品可以支持多种电机控制:交流异步/同步电机、永磁同步电机、交流伺服电机、直流无刷/有刷电机、交流/直流直线电机、定制电机等等;广泛应用于新能源汽车,电机对托系统、伺服工控等等领域;

三电平开源驱动产品支持并网控制:实现单相并网逆变功能,三相并网逆变功能;广泛应用风电,光伏,储能系统,UPS系统有源滤波,谐波治理,无功补偿,三相不平衡等等领域。


0  三电平开源驱动器系列

二、三电平开源驱动器系统原理(针对电机应用场合)

     开源驱动器采用DSPACE实时仿真控制器或数字信号处理器DSP作为控制核心,下发指令送到DS1202信号转接系统或DS1007信号转接系统进行放大隔离与信号调理,再将指令送到开源驱动器进行处理:

1、将采集的电流电压、编码器等信号进行调理,及时处理故障保护及故障复位,间接控制数字输入输出信号等功能;

2、将弱电的数字信号转变成模拟信号,并进行调理放大传递给被控对象;将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象,从而实现电源的电力变换功能,进一步实现调压调频调流调速等功能;从而可以实现比较复杂的控制算法(CLARKEPARKPID滑模、神经网络、自适应、预测控制等复杂算法),实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块IPMPIMIGBT碳化硅SIC为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击;功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电,经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机,功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程;整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路,驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式,主要应用于高精度的定位系统。系统图如下:


1  三电平开源驱动器电机应用场合系统图

三、三电平开源驱动器系统原理(针对并网应用场合)

     开源驱动变器主要用于并网系统中,作为与电网互联的供输电设备,必须满足电网在允许的电压波动,频率偏移范围内正常工作;主要采用三电平IGBT模块作为逆变功率单元,利用dSPACE作为主控器,来实现用户所要达到的目的,通过三相变压器隔离升压并网,实现光电池最大功率跟踪控制和并网电流控制。开源驱动器采用DSPACE实时仿真控制器或数字信号处理器DSP控制器作为控制核心,下发指令送到DS1202信号转接系统或DS1007信号转接系统进行放大隔离与信号调理,再将指令送到开源逆变器进行处理:

1、将直流电能转为与主网电压同频同相的交流电能,并馈送给主网,同时会监测各类故障信息,实时保证正常工作;

2、根据反馈值跟踪直流源(光伏组件或者光伏模拟源)的最大功率输出(MPPT);

3、可将系统工作的所有信息上传至上位机监控;

4基于PWM的储能双向DC/DC直流母线电压控制;

5基于PWM的并离网切换控制;

6自然风模拟实验;

7永磁同步发电机带载实验;

8直驱双馈风力发电仿真平台并网实验;

9 孤岛效应实验;

10光伏控制策略及编程实验;

系统图如下:


2  三电平开源驱动器并网应用场合系统图

四、三电平开源驱动器系统功能 

1、主要功能如下:三电平开源驱动器可实现三相功率变换应用,也可根据需要用于单相功率变换,可用作光伏逆变器、风机变流器、有源电力滤波器、储能逆变器和电动汽车电机驱动器等,用于实现DCAC之间的电能形式转换;三电平拓扑结构能耐受较高电压和较大电流的应用场合,适用范围广; 

1)功率等级可根据客户需要进行选择;

2)根据驱动对象的不同,可选择工作桥臂个数,比如仅使用变流器的两个桥臂在单相场景中应用,可应用于直流电机、单相逆变等单相场景;

3)支持双向变流,可用于三相储能逆变器,支持恒功率控制(P/Q)、恒压恒频(V/F)控制、以及下垂控制(Droop)等控制策略的开发;

4)可用于三相电机控制策略研究,先进的变流器硬件平台及dSPACE控制器平台;

5)系统硬件设计可靠性高,功能完善,适用于严酷的电网环境及工作场合;

6)完善的的检测和保护功能,确保系统安全运行;

7)强大的实时仿真功能,支持dSPACE实时控制与在线监控;

8)完整的开放体系,提供统一的控制接口,方便与dSPACE连接,而且dSPACE不仅能连接此平台,也能连接其他开源变流器平台,具有控制器一机多用的能力;

3  主拓扑结构一

2、优势:三电平开源驱动器提高了驱动器应用的电压等级,拓扑优势可获得更多阶的输出电压,使得输出波形更接近于正弦波,且谐波含量少,电压变化率小,输出容量大;

1)损耗小:三电平输出为正、负、零电平,相比二电平输出的正、负电平来说,三电平拓扑损耗较小;而且三电平拓扑可以降低开关频率,使得开关损耗也进一步减少。

2)低失真因子:由于输出电流的低失真因子,需要高开关频率的应用并不需要诸如昂贵的线路滤波器这样的设备。也可以优化这样的应用,以抑制办公室或工厂工作环境中的逆变器噪音。

3)输出谐波含量低:由于三电平输出电平阶数多,因此输出波形更接近于正弦波,输出的谐波含量少,对电网影响小同时对电机负载的冲击也较小。

4)拓扑耐压高:三电平中主开关承受电压为直流侧电压一半,因此整体拓扑耐压等级提高,适用于高压大容量应用场合。

5)输出电压信号的质量好:与二电平相比,相同开关频率下具有较低失真因子,这在电力能源供应网络中非常重要。简而言之,使线电压产生畸变小,相当于线路中电压质量好。

6)保护功能完善,可有效避免实验风险。

7开放的新型科研教具,向客户开放硬件电路与控制器开发平台。


4  主拓扑结构二


5  主拓扑结构三

3三电平主拓扑结构变为两电平拓扑结构,其功能如下:

二电平开源变流器可实现单、三相功率变换应用,也可根据需要用于单相功率变换,可用作光伏逆变器、风机变流器、有源电力滤波器、储能逆变器和电动汽车电机驱动器等,用于实现DCAC之间的电能形式转换。采用大功率开关器件,可耐受高电压和大电流的应用场合,硬件可靠性高、稳定性强;两电平驱动器功能:

1)功率范围可根据客户需要进行选择;

2)根据驱动对象的不同,可选择工作桥臂个数,比如使用变流器的两个桥臂在单相场景中应用,已成功应用于直流电机、单相逆变等单相场景;

3)支持双向变流,可用于三相储能逆变器,支持恒功率控制(P/Q)、恒压恒频(V/F)控制、以及下垂控制(Droop)等控制策略的开发;

4)具备制动斩波桥臂,可用于三相电机控制策略研究,具备成熟的变流器硬件平台及dSPACE控制器平台,实际应用案例丰富;

5)系统硬件设计可靠性高,功能完善,适用于严酷的电网环境及工作场合;

6完善的的检测和保护功能,确保系统安全运行;

7)强大的实时仿真功能,支持dSPACE实时控制与在线监控;

8)完整的开放体系,提供统一的控制接口,方便与dSPACE连接,而且dSPACE不仅能连接此平台,也能连接其他开源变流器平台,具有控制器一机多用的能力;


6  与两电平主拓扑结构区别

4三电平主拓扑结构变为两电平拓扑结构,其优势如下:

二电平开源变流器原理简单,使用方便,易于上手,便于初次接触电力电子变流器的人士进行学习与研究,也方便高校等科研院所科研人员和学生进行控制算法的快速开发与验证;两电平驱动器优势:

1、科研教学实验专用硬件,设计余量大,可靠性高;

2、控制器采用dSPACE,可以很方便通过Matlab/Simulink开发及修改算法并快速下载至控制器进行功能验证;

3、保护功能完善,可有效避免实验风险;

4、开放的新型科研教具,向客户开放硬件电路与控制器开发平台。


7  与两电平主拓扑结构区别

五、三电平开源驱动器系统组成部件及功能


8 三电平开源驱动器系列

备注:所有产品通过EMC检测,检测标准依据欧标EN61000

1三电平开源驱动器由多个板卡组成:信号转接系统、三电平处理板、三电平驱动板、三电平母线电容板、EMC板等板卡


9 三电平开源驱动器组成部件图

10  DS1202DS1007信号转接系统系列

2、驱动器多个模块组成:弱电信号隔离模块,PWM信号死区模块,采样模块(电压、电流、温度等等),数字输入模块DI,数字输出模块DO,多路电源模块,编码器模块,信号电平转换模块,保护模块(过压、过流、过温等等),故障复位模块,缓冲继电器模块EMC模块整流模块,母线电容滤波模块,母线均压模块制动模块,逆变模块升压驱动模块推挽电路模块

3支持多种电机控制:交流异步/同步电机、永磁同步电机、交流伺服电机、直流无刷/有刷电机、交流/直流直线电机、定制电机等等,同时支持电网并网控制;

4支持多种编码器类型:单端/差分增量式(5V/24V)、绝对式、旋变、霍尔、光栅尺编码器等等;支持编码器数字/模拟信号输出,支持高分辨率/精度的编码器(比如2500线/3600线/5000线等等);5支持多种输入电压等级:交流单相220V/三相220V/三相380V输入,直流0~600V输入

6、支持多种功率等级:额定输出功率(电流):2KW5A),15KW25A),30KW50A),55KW100A),75KW140A); 110KW200A);7支持多种拓扑结构:单相全桥,两电平三相半桥,三电平T型,五电平及MMC等多种拓扑结构

8功率模块(普通IGBT与碳化硅SIC)全部采用全球第一Infineon品牌,最大承受电压1200V电流根据功率等级来选配,普通IGBT开关频率高达20KHZ碳化硅SIC开关频率高达200KHZ

9母线电压支持额定直流电压DC600V,最高720V(过压阈值);

10过载能力目前最大支持3倍过载(过载时间1秒);

11电压采样模块(10):母线电压1路,驱动器输出电压3路,入网电压3路,负载电压3路;精度0.5%,响应时间小于40us,频率200Hz

12电流采样模块(13):母线电流1路,驱动器输出电流4路,入网电流4路,负载电流4路;精度0.5%,响应时间小于1us频率100KHz

13、数字输入模块DI3路高速隔离输入(双向),最大频率50KHZ

14数字输模块DO3路高速隔离输出,最大频率50KHZ,电流3A/AC250V1A/DC30V

15保护功能:母线过压、驱动器输出电流过流、过温保护、制动功能等等;

16所有电路板全部采用6层板设计,具有抗干扰能力强,信号可靠性高、EMC电磁兼容功能强等特点

17功率模块的驱动芯片采用AVAGO品牌,具有高性能驱动电流达到2.5A电源欠压短路保护功能等特点

18DCDC电源模块采用MORNSUN品牌,具有输出电源的纹波小噪声小发热低等特点

19、霍尔电压/电流传感器采用ZX品牌,能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流;

20、保护电路采用TI品牌新推出DQ触发器组成的保护电路具有响应灵敏功耗低等特点



11  三电平30KW开源驱动器俯视图



12  三电30KW开源驱动器内部俯视图

六、三电平开源驱动器系统各个组成部件介绍

 

(一)、EMC电磁兼容板及主要功能



13  EMC电磁兼容板


1EMC电磁兼容板作用:抑制电网噪声和驱动器产生频谐波及开关电源所产生的噪声和高频谐波;主要是为了减少和抑制驱动器所产生的电磁干扰,满足欧标EN61000级标准。

2EMC电磁兼容板拓扑结构使用,可以当作单独L滤波器和一级LC和两级LC滤波器;拓扑结构如下:

14  EMC电磁兼容板拓扑结构

3EMC电磁兼容板技术参数:

1额定输入电压三相AC 0~380V

2额定输出电压:三相AC 0~380V

3)额定输出功率(电流)15KW(25A)

4)器件配置:X安规电容,Y安规电容,压敏电阻,放电管,共模电感;

5)电感L参数:20mH

6工作频率50/60Hz

7)温度范围:-25+85℃;

8)温 升:< 30℃;

9)耐压测试:1分钟;

10)线线之间的浪涌SURGE电压:2KV

11)线之间的浪涌SURGE电压:2KV

12线线之间的群脉冲EFT电压:4KV

13线线之间的群脉冲EFT电压:4KV

14电路板全部采用6层板设计,具有抗干扰能力强,信号可靠性高、EMC电磁兼容功能强等特点;

 

(二)、三电平处理板及主要功能


15  三电平处理板(典型代表)

1处理板功能

将采集的电流电压、编码器等信号进行调理,及时处理故障保护及故障复位,间接控制数字输入输出信号等功能;

2处理板多个模块组成

1、采样信号调理模块(电压、电流、温度等等):

霍尔电压/电流传感器采用ZX品牌,能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流;

电压采样模块(10):母线电压1路,驱动器输出电压3路,入网电压3路,负载电压3路;精度0.5%,响应时间小于40us,频率200Hz

电流采样模块(13):母线电流1路,驱动器输出电流4路,入网电流4路,负载电流4路;精度0.5%,响应时间小于1us频率100KHz

2)、数字输入模块DI3路高速隔离输入(双向),最大频率50KHZ

3)、数字输出模块DO3路高速隔离输出,最大频率50KHZ,电流3A/AC250V1A/DC30V

4)、多路电源模块(3.3V5V+15V-15V24V):

精度及线性稳压度1%采用MORNSUN品牌,具有输出电源的纹波小噪声小发热低等特点

5)、编码器采集模块与信号调理模块:

支持多种编码器类型:单端/差分增量式(5V/24V)、绝对式、旋变、霍尔、光栅尺编码器等等;支持编码器数字/模拟信号输出,支持高分辨率/精度的编码器(比如2500线/3600线/5000线等等);

6)保护模块(过压、过流、过温等等):

保护电路采样LM293比较器与TI品牌新推出DQ触发器组成的保护电路具有响应灵敏功耗低等特点,母线过压、驱动器输出电流过流、过温保护、制动功能等;

7)、故障复位模块:

复位电路采用TI品牌新推出DQ触发器组成的保护电路具有响应灵敏功耗低等特点

8)支持8对互补PWM信号输出。

9)电路板全部采用6层板设计,具有抗干扰能力强,信号可靠性高、EMC电磁兼容功能强等特点;

3、重要模块作用:

1)、电流采样模块

电流采样模块可采样4路交流或直流电流信号,电流采样输出与输入电源隔离。采用电流传感器与信号调理电路分离的设计方案,根据系统容量选择不同量程的电流传感器模块。在采样信号链路关键部分采用高精度低温漂设计,在工作温度范围内,保证输入至输出增益的稳定性。每路采样均配置二阶有源低通滤波器,截止频率可调,大幅降低高频干扰,简化采样系统设计。可设置电流上限,输出过流信号。针对三相无中线系统,每两路电流采样组成三相电流采样系统,可输出三相电流绝对值和,便于判断系统工作状态。


16  电流采样模块

2)、电流传感器模块

该模块可使用不同量程的霍尔电流传感器,额定电流25A100A。电流传感器与电流采样模块分离,增加系统灵活性,方便电源线布线。



17  电流传感器模块

3)、电压采样模块

该模块以霍尔电压传感器为核心,可采样4路交流或直流电压,电压采样输出与输入电源和高压侧隔离。霍尔电压传感器原边电阻可灵活配置,适应不同电压范围(最大DC600VAC400V),采用加强散热设计,提高系统稳定性,降低增益漂移。在霍尔电压传感器副边信号链路关键部位采用低温漂高精度设计,在工作温度范围内降低输入至输出增益漂移,并提高各通道间增益的一致性。在软件校正传感器本身零点漂移后,可获得较高采样精度。输出电压范围为正负10V,可直接与dSPACE模拟采样接口连接,传感器本身形成的一阶低通滤波器与信号链路中低通滤波器相结合,降低采样系统噪声水平。


18  电压采样模块

(三)、三电平母线电容板及主要功能



19  三电平母线电容板

1、母线电容板主要功能

1)、在开源驱动器中,交流电源或直流电源作为输入电源,都需要通过直流母线连接到驱动器的逆变侧,由于逆变桥从母线电容获得有效值或高峰值脉冲电流,会在母线支路上产生高脉冲电压尖峰,这使得逆变桥难以承受高峰值尖峰电压,因此需要选择母线电容板进行平滑滤波后再输出给逆变桥;

2)、在功率管IGBT开关导通时,可以使母线电压平滑,使得驱动器的母线电压保持平稳;

3)、将功率管IGBT的电感参数尽可能降到最小,并削弱母线的峰值电压;

4)、吸收驱动器母线电容上的高脉冲电流;

5)、防止逆变桥过充电电压以及瞬时电压对驱动器的影响;

6)、加入均压电路,防止驱动器故障时因母线电容上下两端的电压不平衡导致驱动器炸机;

7)、设计了母线电压起始充电电路,主要在母线电压稳定建压之前,先在充电回路串联限流电阻,等电压稳定后再将限流电阻去除,防止上电瞬间由于直流母线上的电解电容很大、根据电容的电压电流公式、电容电压不能突变、电容电流可以突变、R=0,充电时间t=0、充电电流很大、相当于短路、烧坏整流桥及电源。

20  母线电容板示意图

21  母线电容板拓扑电路

2、 母线电容板技术参数
1)、额定输入电压:直流DC600V最大720V
2) 额定输入电流:60A
3) 电容参数:单个电容450V1500UF采样串并联方式进行扩容,最多支持四组;
4) 配置安规电容:Y电容(容值4700pF);薄膜电容;
5) 温度范围:-25~85;
6) 温升:小于30;
7) 均压电阻参数:2KV高压电阻,阻值150K采样串并联方式进行扩阻值;
8)、电路板全部采用6层板设计,具有抗干扰能力强,信号可靠性高、EMC电磁兼容功能强等特点;

 

(四)、三电平驱动板板及主要功能


22  三电平母线电容板


 

23  三电平母线电容板



24  共集电极T型三电平驱动板

1、驱动板主要功能

1)、将弱电的数字信号转变成模拟信号,并进行调理放大传递给被控对象;

2、将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象,从而实现电源的电力变换功能,进一步实现调压调频调流调速等功能;

3)、功率器件普遍采用以智能功率模块IPMPIMIGBT碳化硅SIC为核心设计的驱动电路,但IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还设计了软启动电路或缓冲电路,减小启动过程对驱动器的冲击,以防止瞬间电流过大,母线电容形成短路引起炸机;功率驱动单元首先通过三相全桥不控整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器来控制被控对象,功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程;整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路;

4)、驱动板直流侧主电路采用交--交结构AC-DC-AC和直-交结构DC-AC驱动板逆变测采用的是三相半桥;

5)、支持多种输入电压等级:交流单相220V/三相220V/三相380V输入,直流0~600V输入

6)、支持功率等级:额定输出功率(电流):55KW100A);7)、支持多种拓扑结构:两电平三相半桥三桥臂及四桥臂,共集电极T型三电平等多种拓扑结构

8)、功率模块IGBT全部采用全球第一Infineon品牌,最大承受电压1200V电流根据功率等级来选配IGBT开关频率高达20KHZ

9)、母线电压支持额定直流电压DC600V,最高720V(过压阈值);

10)、过载能力目前最大支持3倍过载(过载时间1秒);

11)、电压采样模块(5):支持相电压与线电压采样(可选),母线电压1路,串联电容中点电压1路,驱动板输出电压3路;精度0.5%,响应时间小于40us,频率200Hz

12)、电流采样模块(10):母线电流1路,串联电容中点电流1路,驱动板输出电流4路;驱动板横桥臂电流4路;精度0.5%,响应时间小于1us频率100KHz

13)、保护功能:母线过压、驱动器输出电流过流、过温保护、制动功能等等;

14)、功率模块的驱动芯片采用AVAGO品牌,具有高性能驱动电流达到2.5A电源欠压短路保护功能等特点

15)、DCDC电源模块采用MORNSUN品牌,具有输出电源的纹波小噪声小发热低等特点

16)、霍尔电压/电流传感器采用ZX品牌,能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流;

17)、保护电路采用TI品牌新推出DQ触发器组成的保护电路具有响应灵敏功耗低等特点

18)、支持多种电机控制:交流异步/同步电机、永磁同步电机、交流伺服电机、直流无刷/有刷电机、交流/直流直线电机、定制电机等等;广泛应用于新能源汽车,电机对托系统、伺服工控等等领域;

19)、支持并网控制:实现单相并网逆变功能,三相并网逆变功能;广泛应用风电,光伏,储能系统,UPS系统有源滤波,谐波治理,无功补偿,三相不平衡等等领域。

20)、电路板全部采用6层板设计,具有抗干扰能力强,信号可靠性高、EMC电磁兼容功能强等特点




25  共集电极T型三电平IGBT模块

2、驱动板主要组成模块

1)、信号电平转换模块

2)、弱电信号隔离模块;

3)、缓冲继电器模块

4)、整流模块

5)、母线电容滤波模块;

6)、母线均压模块

7)、采样模块(电压、电流、温度等等);

8)、制动模块

9)、逆变模块

10升压驱动模块

11推挽电路模块

12多路电源模块-9V+15V+17V+24V);

13、电磁兼容EMC模块

14有源米勒钳位模块

15功率模块短路保护模块

 

3、驱动板主要模块作用

1)、通用三相桥模块

该模块电路与通用驱动器主电路相似,直流母线电压600V;直流母线和三相桥交流侧均安装螺栓式熔断器。使用通用三相桥模块可以方便实现三相PWM逆变器或三相PWM整流器,两台通用三相桥模块级联可以实现6PWM逆变器或三相全桥变流器或三相背靠背变流器。



26  通用三相桥模块

2IGBT驱动模块

该模块采用专用IGBT驱动芯片,非传统光耦方案,稳定性和安全性显著提升。该IGBT驱动模块驱动能力较大,保护功能全面,最大可以50KHz频率驱动1200V 200A IGBT。每路IGBT驱动都采用双路推挽扩流,配合优良的散热设计,以较小的温升获得4A的驱动能力。在IGBT保护方面,采用管压降检测和有源电压钳位结合的方法,有效防止IGBT因短路和瞬间过压而损坏。逻辑接口方面,除PWM接口外,还包括短路、过流、电压异常信号输出,实时反馈驱动模块工作状态。



27  IGBT驱动模块

3)、继电器模块

该继电器模块针对电机控制系统中的交流接触器,可直接输出220V交流电,控制交流接触器分合,简化接线。急停按钮输入可在紧急情况下,手动切断交流接触器动作电源,将控制系统与动力电源和电机分离。




28  继电器模块

4)、电流采样模块

电流采样模块可采样4路交流或直流电流信号,电流采样输出与输入电源隔离。采用电流传感器与信号调理电路分离的设计方案,根据系统容量选择不同量程的电流传感器模块。在采样信号链路关键部分采用高精度低温漂设计,在工作温度范围内,保证输入至输出增益的稳定性。每路采样均配置二阶有源低通滤波器,截止频率可调,大幅降低高频干扰,简化采样系统设计。可设置电流上限,输出过流信号。针对三相无中线系统,每两路电流采样组成三相电流采样系统,可输出三相电流绝对值和,便于判断系统工作状态。



29  电流采样模块

5)、电流传感器模块

该模块可使用不同量程的霍尔电流传感器,额定电流25A100A。电流传感器与电流采样模块分离,增加系统灵活性,方便电源线布线。



30  电流传感器模块

6)、电压采样模块

该模块以霍尔电压传感器为核心,可采样4路交流或直流电压,电压采样输出与输入电源和高压侧隔离。霍尔电压传感器原边电阻可灵活配置,适应不同电压范围(最大DC600VAC400V),采用加强散热设计,提高系统稳定性,降低增益漂移。在霍尔电压传感器副边信号链路关键部位采用低温漂高精度设计,在工作温度范围内降低输入至输出增益漂移,并提高各通道间增益的一致性。在软件校正传感器本身零点漂移后,可获得较高采样精度。输出电压范围为正负10V,可直接与dSPACE模拟采样接口连接,传感器本身形成的一阶低通滤波器与信号链路中低通滤波器相结合,降低采样系统噪声水平。



31  电压采样模块


(五)、三电平开源驱动器系统原理

 

1电压电流采样板功能

在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流;并将采集的电流电压等信号进行调理,最终可以使DSPACEDSP控制板可以识别可用的有效模拟信号;

 

2、电压电流采样板多个模块组成

1)、电压电流传感器模块(电压、电流等等):

霍尔电压/电流传感器采用ZX品牌,能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流;

2)、电压采样模块(8):支持相电压与线电压采样(可选);母线电压2路,入网电压3路,负载电压3路;精度0.5%,响应时间小于40us,频率200Hz

3)、电流采样模块(10):母线电流2路,入网电流4路,负载电流4路;精度0.5%,响应时间小于1us频率100KHz

4)、多路电源模块(5V+15V-15V24V):

精度及线性稳压度1%采用MORNSUN品牌,具有输出电源的纹波小噪声小发热低等特点

5)、电路板全部采用6层板设计,具有抗干扰能力强,信号可靠性高、EMC电磁兼容功能强等特点;



32  电压电流采样板



3、重要模块作用:

1)、电流采样模块

电流采样模块可采样4路交流或直流电流信号,电流采样输出与输入电源隔离。采用电流传感器与信号调理电路分离的设计方案,根据系统容量选择不同量程的电流传感器模块。在采样信号链路关键部分采用高精度低温漂设计,在工作温度范围内,保证输入至输出增益的稳定性。每路采样均配置二阶有源低通滤波器,截止频率可调,大幅降低高频干扰,简化采样系统设计。可设置电流上限,输出过流信号。针对三相无中线系统,每两路电流采样组成三相电流采样系统,可输出三相电流绝对值和,便于判断系统工作状态。



33  电流采样模块


2)、电流传感器模块

该模块可使用不同量程的霍尔电流传感器,额定电流25A100A。电流传感器与电流采样模块分离,增加系统灵活性,方便电源线布线。



34  电流传感器模块


3)、电压采样模块

该模块以霍尔电压传感器为核心,可采样4路交流或直流电压,电压采样输出与输入电源和高压侧隔离。霍尔电压传感器原边电阻可灵活配置,适应不同电压范围(最大DC600VAC400V),采用加强散热设计,提高系统稳定性,降低增益漂移。在霍尔电压传感器副边信号链路关键部位采用低温漂高精度设计,在工作温度范围内降低输入至输出增益漂移,并提高各通道间增益的一致性。在软件校正传感器本身零点漂移后,可获得较高采样精度。输出电压范围为正负10V,可直接与dSPACE模拟采样接口连接,传感器本身形成的一阶低通滤波器与信号链路中低通滤波器相结合,降低采样系统噪声水平。



35  电压采样模块

(六)、三电平开源驱动器系统原理

 

1开源驱动器针对电机应用场合主要工作原理:开源驱动器采用DSPACE实时仿真控制器或数字信号处理器DSP作为控制核心,下发指令送到DS1202信号转接系统或DS1007信号转接系统进行放大隔离与信号调理,再将指令送到开源驱动器进行处理:

1)、将采集的电流电压、编码器等信号进行调理,及时处理故障保护及故障复位,间接控制数字输入输出信号等功能;

2)、将弱电的数字信号转变成模拟信号,并进行调理放大传递给被控对象;将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象,从而实现电源的电力变换功能,进一步实现调压调频调流调速等功能;从而可以实现比较复杂的控制算法(CLARKEPARKPID滑模、神经网络、自适应、预测控制等复杂算法),实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块IPMPIMIGBT碳化硅SIC为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击;功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电,经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机,功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程;整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路,驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式,主要应用于高精度的定位系统。电机控制内部磁场系统图:



36  电机控制内部磁场系统图


2开源驱动器针对并网控制应用场合主要工作原理:开源驱动变器主要用于并网系统中,作为与电网互联的供输电设备,必须满足电网在允许的电压波动,频率偏移范围内正常工作;主要采用三电平IGBT模块作为逆变功率单元,利用dSPACE作为主控器,来实现用户所要达到的目的,通过三相变压器隔离升压并网,实现光电池最大功率跟踪控制和并网电流控制。开源驱动器采用DSPACE实时仿真控制器或数字信号处理器DSP控制器作为控制核心,下发指令送到DS1202信号转接系统或DS1007信号转接系统进行放大隔离与信号调理,再将指令送到开源逆变器进行处理:

1)、将直流电能转为与主网电压同频同相的交流电能,并馈送给主网,同时会监测各类故障信息,实时保证正常工作;

2、根据反馈值跟踪直流源(光伏组件或者光伏模拟源)的最大功率输出(MPPT);

3)、可将系统工作的所有信息上传至上位机监控;

4)、基于PWM的储能双向DC/DC直流母线电压控制;

5)、基于PWM的并离网切换控制;

6)、自然风模拟实验;

7)、永磁同步发电机带载实验;

8)、直驱双馈风力发电仿真平台并网实验;

9)、 孤岛效应实验;

10)、光伏控制策略及编程实验;

并网控制系统图如下:



37  三电平开源驱动器并网控制系统图



38  三电平功率模块拓扑图

38  三电平功率模块拓扑图

38  三电平功率模块拓扑图

38  三电平功率模块拓扑图




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