阻塞斩波三相交交变频电源的FPGA控制实现.pdf

第４２卷第２１期２０１４年１１月１日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｂ１．４２ＮＯ．２１ＮＯＶ．１。２０１４阻塞斩波三相交交变频电源的ＦＰＧＡ控制实现朱虹，潘小波，陈玲，关越，张庆丰（１．马鞍山职业技术学院电气工程系，安徽马鞍山２４３０００；２．河海大学文天学院电气工程系，安徽马鞍山２４３０００）摘要：变频技术是重要的节能技术，所以针对低频或转速不恒定的节能设备，提出了基于ＦＰＧＡ数字控制的三相交交直接变频电源技术。用ＶＨＤＬ语言对主控芯片ＦＰＧＡ编写程序，其输出的高频ＳＰＷＭ信号经驱动电路后作为电源和负载间开关ＭＯＳＦＥＴ的控制信号。ＭＯＳＦＥＴ周期性地部分阻塞电源不能达到负载来改变输出电压的频率，同时在放行的时区斩波来改变输出电压的幅值。基于Ｍａｔ１ａｂ仿真平台，对系统进行了建模和仿真，仿真结果验证了该技术的正确性。最后给出了频率为７．１４Ｈｚ和２．６３Ｈｚ的实验波形，实验结果证明了该技术的可行性。———关键词：交交变频；ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）；斩波；恒压频比；面积等效；占空比；ＶｅｒｙＨｉｇｈＳｐｅｅｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＨａｒｄｗａｒｅＤｅＳＣｒｉＰｔｉｏｎＬａｎｇｕａｇｅ（ＶＨＤＬ）Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＡＣ／ＡＣｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ—ＺＨＵＨｏｎｇ，ＰＡＮＸｉａｏ．ｂｏ，ＣＨＥＮＬｉｎｇ，ＧＵＡＮＹｕｅ，ＺＨＡＮＧＱｉｎｇｆｅｎｇ’’（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭａａｎｓｈａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｍａａｎｓｈａｎ２４３０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ’Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＷｅｎｔｉａｎＣｏｌｌｅｇｅ，Ｍａａｎｓｈａｎ２４３０００，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇ—’ｙ．Ｍｏｓｔｏｆｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｓｐｅｅｄｉｓｎｏｔｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｌｏｗ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｏｖｉｄｅｐｏｗｅｒｆｏｒｔｈｅｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｎｅｗＡＣ／ＡＣｄｉｒｅｃｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｐｏｗｅｒ－ｓｕｐｐｌｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓＦＰＧＡ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌａｎｇｕａｇｅｉｓＶＨＤＬ，ｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｆｒｏｍＦＰＧＡｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ．ＴｈｅｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓｔａｋｅｎａｓｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｏｆＭＯＳＦＥＴｔｈａｔｉｓｂｅｔｗｅｅｎｇｒｉｄａｎｄｌｏａｄ．ＳｏｌｏａｄｇｅｔｓｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂｅｃａｕｓｅｐｏｗｅｒｈａｓｂｅｅｎｐｌｕｇｇｅｄｂｙＭＯＳＦＥＴ’ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｌｏａｄｇｅｔｓｔｈｅｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｓｗｉｔｃｈＳｓｉｇｎａｌｉｓｃｈｏｐｐｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｔｈａｔｐｏｗｅｒｈａｓｎｏｔｂｅｅｎｐｌｕｇｇｅｄ．ＴｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙｉｓｍｏｄｅｌｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｉｎＭＡＴＬＡＢ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｃｏｒｒｅｃｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍａｔ７．１４Ｈｚａｎｄ２．６３Ｈｚｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．’ＴｈｉｓｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＮａｔｕｒｅＳｃｉｅｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｏｆＡｎｈｕｉＰｒｏｖｉｎｃｅＳＨｉｇｈＳｃｈｏｏｌ（Ｎｏ．ＫＪ２０１３Ｂ２８１、．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｙｃｌｏｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；Ｆｉｅｌｄ－ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）；ｃｈｏｐｐｅｒ；ｃｏｎｓｔａｎｔｒａｔｉｏｏｆｖｏｌｔａｇｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ａｒｅａｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ；ｄｕｔ—ｙｃｙｃｌｅ；Ｖ一ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＨａｒｄｗａｒｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎＬａｎｇｕａｇｅ（ＶＨＤＬ）中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４．３４１５（２０１４）２１．０１１６０８０引言目前，风机水泵的调速大部分还是采用挡板或阀门来调节风量和流量方式，该方法控制简单，但人为增加阻力办法达到调节目的的调节方法浪费大量电能，回收这部分电能损耗会收到很大节能效果。而驱动风机水泵大多数采用交流异步电机，大功率负载采用同步电动机，无论是异步电动机还是同步电动机，它们的转速与电源频率成正比，只要改变基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目（ＫＪ２０１３Ｂ２８１）定子供电频率就改变了电动机转速。和风机水泵一样，家用电器和工业设备的节能均是通过在不需要全速运行时调低电机转速来实现的【ＪＪ。而变频技术作为重要的节能技术，发展至今，已经相继出现了两种不同的功率变换模式：一是间接变频技术即ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ，二是直接变频技术即ＡＣ／ＡＣ。但交直交变换需设中间整流滤波环节，其电解电容的价格和寿命指标均不理想；可逆运行时，需设置两套ＰＷＭ逆变装置，成本和控制复杂度相应上升；且在超低速运行段，随工作频率的降低，波形变差。而现有的交交变频器不仅只能工作在二分之一电网朱虹，等阻塞斩波三相交交变频电源的ＦＰＧＡ控制实现．１１７．频率以下，而且由于始终停留于ＳＣＲ工频移相控制的技术水平，导致低压低频段的功率因数偏低『４］。由于传统的变频技术存在上述的缺陷，所以采用先进的波形控制策略、提升功率因素、实ｊ见全数字化控制等是各种高性能变频控制的未来发展方向【５】。基于此，本文提出了一种新的基于ＦＰＧＡ数字——控制基频以下的三相交交直接变频技术一通过控制开关信号来控制输出信号半波内工频波头数Ｎ以改变输出波形的频率，同时对开关的占空比进行设置以改变其幅值的大小，实现变频调压电源可提供基频以下的某些频率输出。这种数字控制的交交变频电源可为某些低频、超低频工作或转速不恒定的设备供电并实现节能Ｉ６｛］。输出电压频率通过人机Ⅳ接口设备来选择值，实现操作人性化，同时该电源具有拓扑结构简单、所需元器件数量少、成本低、控制简单以及输出频率越低波形反而变好，正弦度越高等优点。１系统原理１．１拓扑结构电源拓扑结构如图１所示Ｊ，其中Ｖａ、、厂ｂ、Ｖｃ分别为三相电源的Ａ相、Ｂ相、Ｃ相电源，ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３控制Ａ相、Ｂ相、Ｃ相电能是否到达负载的开关器件ＭＯＳＦＥＴ。拓扑为三相四线系统，控制器ＦＰＧＡ的输出经驱动电路后分别作为ＶＴ１、ＶＴ２和ＶＴ３的Ｇ、Ｓ两端的控制信号，控制功率ＭＯＳＦＥＴ的导通与关断，ＭＯＳＦＥＴ和每一相中的四个二极管组成双向开关。图１系统拓扑结构Ｆｉｇ．１Ｓｙｓｔｅｍｔｏｐｏｌｏｇｙ１．２控制思想家用电器中很多是小型电机，属阻感性负载；工业设备中以大中型电机居多，属阻感性负载。故该电源的输出采用，户恒值控制模式，即满足如图２所示的曲线。３１１１５０・１工５０ｆｄＨｚ图２输出电压峰值．输出频率关系曲线Ｆｉｇ．２Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｅａｋｖａｌｕｅｏｆｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｎｄｏｕｔｐｕｔ￣ｅｑｕｅｎｃｙ由图２中可得二：量ｒ１１—３１ｌ一１５５００．１式中：为输出电压峰值；ｆｏ为输出电压频率。因此，该交交变频电源输出电压峰值为Ｕ：＋１５（２）—ｏｍ＝¨５（２）由图２可以看出，起始电压峰值为１５Ｖ，这样的设置是考虑到负载感抗比较大时的低频补偿电压。若负载的感抗值比较小或是纯阻性负载，可以适当降低起始电压值。由此可见，采用恒压频比控制后，输出电压和输出频率是正比关系，实现变频调压［１０］。Ａ、Ｂ、Ｃ三相电源输出电压波形的频率与幅值都是一致的，只存在相位之间的差异，即三相之间各差１２０。，故只需考虑一相就可以了。以Ａ相为例具体说明，开关器件ＶＴ１的控制信号如图３（ｂ），在ＶＴ１导通时，Ａ相电源可到达Ａ相负载，即截Ⅳ取输入如图３（ａ）中的Ａ相电压，使负载侧得到个ⅣⅣ正半波后，再得到个负半波，然后又得到个正Ⅳ半波，再得到个负半波，如此循环。如图３（ｃ）所示，这些电压波头形成连续的交流电压波形，即可实现通过控制开关信号放行的时区来控制输出频Ⅳ率。图３为波头数：４的情况，其中虚线即为输出电压波形，由图可以看出，输出频率为５０Ｈｚ×１／７＝７．１４Ｈｚ。在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲，加在具有惯性的环节上，其”效果基本相同。由如图４所示的面积等效原理可知：图３ｆｃ）中这些波头的等效面积显然不是正弦波规律。这样的波形谐波含量大，不仅对电网造成污染，而且会使负载寿命大大减少【』引。电力系统保护与控制ａｂｃＸ＾ｘ＾Ｘ＾义义义）（）《）（）（）《）（义义云・ａ）相工频流叫１ｌｌｌ（ｂ）ＶＴ１的控信ｃｏｔ一．０、（ｃ）输出巍形一、，＼品…＼＝７图３非斩波控制信号及其对应输出波形Ｆｉｇ．３Ｎｏｎ－ｃｈｏｐｐｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌａｎｄｉｔｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍ：：：～Ｕｏ／Ｖ＃Ｓｏ咒２：＆、图４面积等效原理图Ｆｉｇ．４Ｄｉａｇｒａｍｏｆｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｒｅａｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ欲使输出波形正弦度高，这些波头峰值需按照Ⅵ正弦规律变化，那么就需要在１导通的时区内设置相应的占空比。如图５所示，在输出电压正半周内满足：第１个波头与第４个波头的占空比相等，第２个波头与第３个波头的占空比相等，并且第１个波头与第４个波头内的占空比比第２个波头与第３个波头的占空比小，未画出的负半周与正半周对称［１３］。：图５斩波控制的面积等效原理图Ｆｉｇ．５ＤｉａｇｒａｍｏｆｃｈｏｐｐｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｒｅａｅｑｕｉｖａｌｅｎｔⅣ这里将波头数为４的情况推广到个情况，从图５中看出，第Ｐ个子单元的面积Ｓｏｐ可以表示为＝”壁Ｕｏｍｓｉｎ（￣ｏ伽（３）……其中：ｐ＝ｌ，２，３，，Ｎ；ｑ＝０，１，２，３，，ｌ。由式（３）可得＝［ｃｏＳ（ｃｏｓ（兀］］㈣而一‘’Ｓｉｐ＝Ｄｐｓｉｎ（￣。）（５）根据面积等效法的定义，有＝Ｓｏ，即一’’Ｄｐ’ｓｉｎ（￣）＝０（６）Ｉｃｏｆ旦兀］一ｃｏｆ兀］ＩⅣＩＮｌ由式（５）ｕ可得：生二：：二＿＝一１’’ＣＯｏＵｉ‘ｓｉｎ（￣）式（７）即为ＶＴ１占空比的理论公式。由式（７）可知，期望输出电压波形半个周期内，各个工频正弦半波的高频斩控脉冲信号的占空比Ｄ。与期望工作电压波形的峰值成正比。图６为三相控制信号及其对应的三相输出波形，其中图６（ａ）为三相电网电压波形；图６（ｂ）为经检测电路产生的与Ａ相电网电压波形同步、同频率５０Ｈｚ的方波信号ｕ５０；图６（ｃ）为将ｕ５ｏ６倍频后的３００Ｈｚ的方波信号ｕ３图６（ｄ）为ＶＴ１的控制信号ＵｖＴ１；图６（ｅ）为输出Ａ相波形Ｕｏ；图６（ｆ）为ＶＴ２的控制信号ＵＶＴ２；图６（ｇ）为输出Ｂ相波形Ｕｏｂ；图６（ｈ）为ＶＴ３的控制信号己３：图６（ｉ）为输出Ｃ相波形。。对图６（ｂ）Ｕｓｏ进行斩波得到图６（ｄ）ＶｖＴ１，其中Ｄ１和Ｄ２为占空比，且Ｄｌ＜Ｄ２，可由式（７）计算。这样，Ａ相负载得到的电压如图６（ｅ）Ｕｏ，实现变频调压的功能。推广至三相：将功率器件ＭＯＳＦＥＴ的控制信号周期性地部分阻塞，即分别给ＶＴ１、ＶＴ２￣Ｉ］ＶＴ３以非连续的脉冲信号，以此来改变输出频率，输出电压的幅值则由控制信号的占空比大小来决定。由于输出为三相，所以必须要满足三相问的相位差３的关系。如图６中，当波头数Ｎ＝４，其ａ相、ｂ相、Ｃ相的周期均为１４０ｍｓ，则ｂ相与ａ相的相位相差Ｔｏ／３＝４６．６６６７ｍｓ，而ｂ相只有经过４６．６６６７ｍｓ后，才能到达其过零点时刻。同样，Ｃ相与ｂ相的相位也相差４６．６６６７ｍｓ，这样一来就满足了三相输出时的相位要求。所以输入输出频率关系为ｆｏ＝。（８）Ⅳ…式中，＝ｌ、４、７、１０、１３，这样一个等差数列才可以满足三相的相位要求。由图６（ｅ）、６（ｇ）、６（ｉ）可以看出，输出三相电源朱虹，等阻塞斩波三相交交变频电源的ＦＰＧＡ控制实现．１１９．中的Ａ相、Ｂ相、Ｃ相电压的一个周期为１４０ｍｓ，频率为１／１４０ｍｓ＝７．１４Ｈｚ，由式（２）知电压峰值为５６．７８Ｖ。表１为三相输出频率对应电压峰值表。图６斩波控制信号及其对应输出波形Ｆｉｇ．６Ｃｈｏｐｐｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌａｎｄｉｔｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍ表１输出频率对应输出电压峰值表Ｔａｂｌｅ１Ｏｕｔｐｕｔ￣ｅｑｕｅｎｃｙｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｅａｋｗ）ｌｔａｇｅｖａｌｕｅ由表１可以看出，波头数越多，输出频率和输出电压均越小。１．３控制结构图７为基于ＦＰＧＡ控制结构框图，其中ＦＰＧＡ是主控芯片，采用Ａｌｔｅｒａ公司Ｃｙｃｌｏｎｅ系列的ｅｐｌｃ６ｑ２４０ｃ８；单片机采用Ａｌｔｍｅｌ公司ＡＶＲ系列的ａｔｍｅｇ１２８￣ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３均为双向交流功率开关器件。电网ＶＴ１ＶＴ２ＶＴ；人机接口图７ＦＰＧＡ控制结构框图Ｆｉｇ．７ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＦＰＧＡｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ检测电路产生与三相电源中其中任意一相同步、同频５０Ｈｚ的方波信号０，如图４（ｂ）。０输入ＦＰＧＡ后，在ＦＰＧＡ内部由软件实现六倍频产生００，“”控制ＶＴ１的高频脉冲与０逻辑相与即可得到ＭＯＳＦＥＴ的控制信号，但ＦＰＧＡ输出的高频脉冲驱动能力很弱，需加上驱动电路才可以让ＭＯＳＦＥＴ开通和关断。２软件设计２．１三相过零检测在１．２节中已经叙述过，用于控制Ａ相开关ＶＴ１的高频脉冲，同样可以用于Ｂ相、Ｃ相开关ＶＴ２、ＶＴ３。关键问题就是如何采集到每一相电压的过零点。如图６，这里将５０Ｈｚ同频方波信号ｕ５ｏ（如图４（ｂ））６倍频后得到的３００Ｈｚ方波信号ｕ３０ｏ（如图４（ｃ））的每一个下降沿都是任意一相的过零点。鉴于软件实现比硬件实现成本低，而且软件实现六倍频比较容易，故采用ＶＨＤＬ语言对ＦＰＧＡ编写６倍频程序的方式【ｌ引。该程序本质上是一个计数器，需事先计算出３００Ｈｚ高低电平持续的时间，由于是６倍频，故每个高低电平持续的时间是５０Ｈｚ周期２０ｍｓ的１／１２。本系统中ＦＰＧＡ的主频为５０ＭＨｚ，所以系统时钟ＣＬＫＳＹＳ的周期为２０ｎｓ，将５０Ｈｚ的周期２０ｍｓ平均分成１２份，这样每份有８３３３３个系统时钟ＣＬＫＳＹＳ。当５０Ｈｚ上升沿到来时计数器开始启动，设计数的值为ｍ，先令其输出为低电平，每计数到８３３３３便将输出电平翻转一次。当５０Ｈｚ的一个周期结束后，６个周期的方波得以形成，其频率为３００Ｈｚ。这里存在一个问题，２０ｍｓ并不能整除１２￣２０ａｓ，这样３００Ｈｚ的每个高低电平的持续时间，对于系统时钟２０ｎｓ来说会有１～２个周期的误差。虽然这样的误差对于整个控制逻辑的精度要求影响不大，但为了不让误差累计，必须将一个５０Ｈｚ周期内计数．１２Ｏ．电力系统保护与控制完成后的ｍ值清零。程序流程图如图８所示。图８６倍频流程图Ｆｉｇ．８Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆ６ｔｉｍｅｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙＣＬＫ３００即为输出的３００Ｈｚ信号。如图９所示，在ＱｕａｒｔｕｓｌＩ７．０环境内将编写好６倍频的程序进行了仿真验证，其中ＣＬＫＳＹＳ是系统时钟５０ＭＨｚ，周期为２０ｎｓ，ＣＬＫ５０是５０Ｈｚ方波，其周期为２０ｍｓ。ＣＬＫＥＮ是计数的使能信号，当ＣＬＫＥＮ的上升沿到来时将ｍ清零，开始下一个周期的计数。ＣＬＫ３００则是６倍频后的３００Ｈｚ波形。实验波形如图１Ｏ，其中通道３为电网电压波形，通道２为与电网同频的５０Ｈｚ方波信号，通道３为６倍频后的３００Ｈｚ方波信号。擞未文二二麓塑￡二：：：ｉ：ｊ乏．：：．：．－＿：：：警：！．．：三二ＩＩ。。————————————————————————————茁；～－＿ｉ兰辩—Ｌ，１一一～√——ｊ／ｔ一广：Ｊ一，ｌｌＩ融｛ｌｆ｛０ｉ∞．＼－………一～＊一・图９６倍频仿真波形／、、．，／、图１０６倍频实验波形Ｆｉｇ．１０Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆ６ｔｉｍｅｓ￣ｅｑｕｅｎｃｙ２．２ＭＯＳＦＥＴ的开关信号对于驱动信号波形Ｓ１，在个周期内对３００ⅣＨｚ进行计数，设置计数数值为Ｐ，当＝４时，计数Ｐ范围为０～４２。如图５，当０Ｐ＜２、１８Ｐ２３或３９Ｐ４１时，给ＶＴ１占空比为Ｊ［）ｌ的方波；当６Ｐ８、１２Ｐｌ４、２７Ｐ２９或３３Ｐ３５时给ＶＴ１占空比为Ｄ２的方波，Ｄ１＜Ｄ２（可由理论公式（７）计算）；当３Ｐ５、９Ｐ１１、１５Ｐ１７、２４Ｐ２６、３０Ｐ３２、３６Ｐ３８时令ＶＴ１为低电平。这样在一个周期内，就产生了ＶＴ１波形，ＶＴ２和ＶＴ３的产生过程同ＶＴ１一样。此处Ｎ＝４，对于不同的波头数ＪＶ，都可找出一个最小周期，在这个最小周期内编写程序。ＭＯＳＦＥＴ的开关频率是１０ｋＨｚ，而这里是对ＦＰＧＡ的内部工作频率５０ＭＨｚ计数，所以在一个ＭＯＳＦＥＴ开关周期内有５０００个ＦＰＧＡ内部周期。若根据式（７）计算出Ｄ１＝０．２５２４，则ＭＯＳＦＥＴ开关管ＶＴ１的计数个数为０．２５２４Ｘ５０００＝ｌ２６２。在周期７１结束后的下一周期开始时，Ｐ被清零，朱虹，等阻塞斩波三相交交变频电源的ＦＰＧＡ控制实现重复周期内的逻辑。这样，通过不断地重复周期内的逻辑，整个时域内的控制逻辑即可实现。Ⅳ当＝４，Ａ相开关ＶＴ１控制信号的程序段㈣流程图如图１１。图１１主程序流程图Ｆｉｇ．１１Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍ３仿真及实验结果３．１电路参数系统拓扑如图１所示，输出ａ相、ｂ相、ｃ相与负载之间采用兀形滤波，由于ａ相、ｂ相和ｃ相的主电路完全一样，所以这里只给出了ａ相的原理图，如图ｌ２所示。ｆ、Ｇ和构成７ｃ形滤波器；】、Ｃ】构成关断缓冲电路，以减小关断损耗；】、尺２和Ｄ５构成开通缓冲电路，以减小器件的开通损耗；厶和Ｒ构成Ａ相负载。参数设置如下：ｆ＝５．１ｍＨ，ＣＴ０．２２ｇＦ，Ｃ＜４．９ＵＦ，Ｒ１＝２２０Ｑ，Ｃ１＝２２００ｐＦ，１＝０．８ｍＨ，Ｒ２－－１００Ｑ。系统中有三个功率器件，为了抑制谐波、提高系统的性能，必须适当提高功率器件的开关频率，但随着开关频率的提高，将会增加功率器件自身的开关损耗，影响变频器的效率和可靠性，使输出频率受到限制。综合上述考虑，开关频率选为１０ｋＨｚ，双向交流功率开关器件选用型号为ＩＲＦ７４０的ＭＯＳＦＥＴ，５个二极管均选用型号为ＢＹ３２９快速二极管。Ｄ１ＬＲａ图１２Ａ相主电路Ｆｉｇ．１２ＭａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｏｆｐｈａｓｅＡ３．２仿真结果在Ｍａｔｌａｂ２００９ａ中对拓扑电路原理图进行了仿真，图１３和图ｌ４分别为Ｎ＝４和Ｎ＝ＩＯ时的仿真波形。匦煎受匦圃墨５０００卜、．：．∥—．．一．，ｌ。Ａ戈ｎｌ５００５０００ｈ．ｒ、Ａ以，弋Ａ人ｉＡ５００５０００’八，、＿／、－．，／、ｖ弋厂弋：、／５０００ＯＯ００５０１００．１５０．２Ｏ０２５０＿３Ｏ０３５０４Ｏ图１３Ｎ＝４时三相输出电压仿真波形Ｆｉｇ．１３Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｏｕｔｐｕｔⅣｖｏｌｔａｇｅｗｈｅｎ。＿４图ｌ３中有四组波形，第一组是输入的三相电压波形，其余的三组分别为输出的三相电压波形。可以看出，输入电压周期为０．０２ｓ，而输出电压周期大约为０．１３ｓ，和理论公式（８）推导结果一致。一ｌ２２一电力系统保护与控制５００图１４Ｎ＝ＩＯ时三相输出电压仿真波形—Ｆｉｇ．１４ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｗｈｅｎＮ＝１０图１４中，输入电压周期为０．０２Ｓ，而输出电压周期大约为０．３８Ｓ。并且图１４的输出电压峰值要略小于图１３中的输出电压，和理论公式（２）推导结果亦一致。仿真结果充分验证了该技术的正确性。３．３实验结果用ＴＥＫ示波器对硬件电路输出波形观测，图ｌ５和图１６分别为Ｎ＝４和Ｎ＝１０时的实验波形。其中１通道是其中一相电源电压波形，通道２、３、４分别是三相输出的Ａ、Ｂ、Ｃ三相。ｌｌＩ¨ｌｌ＇ｌ、＇。０。№Ⅳ唧｛靠∥舨薹釜图１５Ｎ＝４时三相输出电压实验波形—Ｆｉｇ．１５ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｗｈｅｎＮ＝４；＿＿。＝。００ｌ４ｌｌ≮ｌ、＿；；＿０：０：譬囊瓣：攀‰Ａ撇谳图１６中，横轴每一格亦是５０ｍｓ，每一相输出电压的周期均是７．５格，即输出周期大概为３７５ｍｓ，故ＪＶ＝ｌ０时，三相输出的叠加即是频率为２．６３Ｈｚ的正弦电压。ＪＶ为其他值时的波形不再详细列出。实验结果充分验证了该技术的可行性。４结论由。二三相电源和单相电源仅存在卡Ｈ位相差１２０。的关系，所以根据该控制思想前期所完成的单相变频工作的基础上设计出了三相变频电路并对其进行了仿真和实验。文章对基于ＦＰＧＡ数字控制三相变频技术的原理进行了详细的阐述、给出了器件型号和参数、提供了仿真和实验波形，从而有力地证明了该技术的正确性和可行性。在日后的研究中，由于大容量的风机水泵采用可变频电源后节能效果明显，需着提高功率。其次，由ｊ输出波形不是正弦波，需进行治理谐波的研究。从而使电网耗电总量明显下降，宏观供电质量得以改善。最后，町以考虑用价格低廉的控制器，如单片机，取代ＦＰＧＡ，以降低成本。参考文献［１］张晓花，赵晋泉，陈星莺．节能减排下含风电场多日标机组组合建模及优化ｆＪ１．电力系统保护控制，—２Ｏ１ｌ，３９（１７）：３３３９．——ＺＨＡＮＧＸｉａｏｈｕａ，ＺＨＡＯＪｉｎｑｕａｎ，ＣＨＥＮＸｉｎｇ・ｙｉｎｇ．—Ｍｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅｕｎｉｔｃｏｍｍｉｔｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎｗｉｎｄｐｏｗｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ—ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０ｌ１，３９（１７）：３３３９．［２］中国电机系统节能项目组．中闻电机系统能源效率与…市场潜在力分析［ＭＩ．北京：机械工业版社，２００１．［３］萤智，程春萌．南电力消费弹性系数变动状况分析—［Ｊ］．电力系统保护Ｌｊ控制，２０１０，３８（５）：６０６３．—ＤＯＮＧＺｈｉ，ＣＨＥＮＧＣｈｕｎｍｅｎｇ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｖａｒｉｅｔｙｓｔａｔｕｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｃｏｅｆｎｃｉｅｎｔｉｎＨｅｎａｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，—３８（５）：６０６３．—［４］ＺＨＯＵＱｉａｎｚｈｉ，ＬＩＮＪｉａｎ．ｗｅｉ，ＬＩＵＹａｎ－ｆｅｉ．Ｃｈｏｐｐｅｒ－ｃｙｃｌｏｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｆｏｒｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｉｎｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ】／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＩＥＥＥＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，２００８．［５］ＹＯＯＮＹＤ，ＳＵＬＳＫ．Ｃａｒｒｉｅｒ－ｂａｓｅｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｍａｔｒｉｘｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００６，２１（６）：１６９１－ｌ７０３．［６］ＺＨＯＵＱｉａｎ．ｚｈｉ，ＷＵＷｅｉ．ｈｕａ。ＡＣ．ＡＣｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｗｉｔｈｃａｒｒｉｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｎｅｔｗｏｒｋａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＯＯＯＯ０Ｏ０Ｏ０ＯＯ。０姗。姗。朱虹，等阻塞斩波三相交交变频电源的ＦＰＧＡ控制实现．１２３．ｐｒｏｓｐｅｃｔ［Ｃ】／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ２ｎｄＩＥＥＥＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｈａｒｂｉｎ，２００７：１５６４－１５６８．——［７］ＺＨ０ＵＱｉａｎ－ｚｈｉ，ＷＵＷｅｉｈｕａ，Ｌ１ＮＪｉａｎｗｅｉ．ＡＣＳＰＷＭｃｙｃｌｏｃｏｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎａｎｅｘｔｅｎｄｅｄｃｈｏｐｐｅｒｓｃｈｅｍｅ［Ｃ】／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ７ｔｈＩＥＥＥＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｏｗｅｒ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｋｏｒｅａ，２００７：１０３３１０３７．—［８］ＺＨＯＵＱｉａｎ－ｚｈｉ，ＨＵＷｅｎｈｕａ，ＷＵＢｉｎ．３ｐｈａｓｅｓ一３ｄｅｖｉｃｅｓＡＣｖｏｌｔａｇｅｒｅｇｕｌａｔｏｒｗｉｔｈｑｕａｓｉ－ｚｅｒｏｓｗｉｔｃｈｉｎｇ［Ｃ】／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ５ｔｈＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００６，１：３９７．４００．［９］周谦之，武卫华，林健伟．脉冲阻塞式斩波交交变频技术研究［Ｊ］＿电工技术学报，２００８，２３（１２）：１０７－１１４．ＺＨＯＵＱｉａｎ－ｚｈｉ．ＷＵＷｅｉ－ｈｕａ，ＬＩＮＪｉａｎ－ｗｅｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｌｕｇｇｅｄｐｕｌｓｅ－ｃｈｏｐｐｉｎｇｂａｓｅｄｃｙｃｌｏｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２００８，２３（１２）：１０７－１１４．［１０］陈玲．新型多功能交交变频系统的研究［Ｄ】．马鞍山：安徽工业大学，２０１１．ＣＨＥＮＬｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｎｏｖｅｌｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ’ＡＣ／ＡＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｄ］．Ｍａａｎｓｈａｎ：ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１．［１１］郑诗程，周谦之，曹小虎，等．脉冲阻塞式单相交．交变频原理及ＰＷＭ控制［Ｊ】．电工技术学报，２０１０，２５（５）：—１３６１４０．ＺＨＥＮＧＳｈｉ－ｃｈｅｎｇ，ＺＨＯＵＱｉａｎ－ｚｈｉ，ＣＡＯＸｉａｏ－ｈｕ，ｅｔａ１．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅＡＣ－ＡＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｐｌｕｇｇｅｄｐｕｌｓｅｆａｓｈｉｏｎａｎｄＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１０，—２５（５）：１３６１４０．［１２］梁志瑞，叶慧强，赵飞．电力系统谐波状态估计研究综述［Ｊ】．电力系统保护与控制，２０１０，３８（１５）：１５７－１５９．—ＬＩＡＮＧＺｈｉ・ｒｕｉ，ＹＥＨｕｉｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯＦｅｉ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｈａｒｍｏｎｉｃｓｔａｔｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８（１５）：１５７－１５９．［１３］ＺＨＥＮＧＳｈｉ・ｃｈｅｎｇ，ＺＨＵＨｏｎｇ．ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｎｏｖｅｌｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅＡＣ／ＡＣｖａｒｉａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ６ｔｈＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，Ｗｕｈａｎ，２００９：１０２４－１０２９．［１４］郑诗程，周谦之，武卫华，等．一种新颖的单相交．交变频原理研究及实现【Ｊ】＿高电压技术，２００９，３５（１０）：２５０３．２５０８．——ＺＨＥＮＧＳｈｉｃｈｅｎｇ，ＺＨＯＵＱｉａｎ－ｚｈｉ，ｗＵＷｅｉｈｕａ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｎａｎｏｖｅｌｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｃｙｃｌｏｃｏｎｖｅｒｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，３５（１０）：２５０３－２５０８．［１５］潘松，黄继业．ＥＤＡ技术应用教程［Ｍ】．３版．北京：科学出版社．２００６．ＰＡＮＳｏｎｇ，ＨＵＡＮＧＪｉ－ｙｅ．ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥＤＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．ＴｈｉｒｄＥｄｉｔｉｏｎ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＳｃｉｅｎｃｅＰｒｅｓｓ，２００６．收稿日期：２０１４－０２－１２；—修回日期：２０１４－０５０２作者简介：朱虹（１９８２一），女，硕士研究生，讲师，主要研究方向为电力电子与功率变换；Ｅ－ｍａｉｌ：３９１５１８３２３＠ｑｑ．ｔｏｍ潘小波（１９７２一），男，硕士研究生，副教授，主要研究方向为电气控制、电力电子；陈玲（１９８２一），女，硕士研究生，讲师，主要研究方向为电力电子与功率变换。