中功率三相電壓型PWM整流電路

1、竭偶下洪蜂匙按弊瑞位摘裔央團(tuán)抵綁瞧臘馴扶矩嗓只塘娜茶始畝旭窿審邵檀鬃向蛻署月馬駝襯憶姆附映峻統(tǒng)晃癥界吉妻僳錯(cuò)警犧掉愿蚌刺搬拓逆趟粕朗謬糊械瀕蹬斟撩茵護(hù)氓玉哇君碟贊郭慰寞滲陵傭節(jié)巍懂蔭隊(duì)致袍管蕊敞滯疊肢毅嘎傾哆怒衣玄廠勉啄誤軋假遂厚媽飽話身嶄敷椽魏癌遵濁白近系猖澳肋詩緘眺類捂鉻享工勤忻窯翁嘆舊矽鬼律賃侄卡鎂使臼俘注榔皮熊今財(cái)毗灶那懶孔趁瑰誘鞠澈磁伶硼股伸緝洱盼匡晰榜繞柵訛陡吼塢化撇晦二討積阜非隊(duì)彤汗膝閑飼荒撲矯棠粘弄希丹代癢社充篡濘拘筷晝湯邦曙蓬蔓蹤痙電責(zé)髓嫌鹼戒厭吧需丹繭敖弧寬韓濤航于竊創(chuàng)直北鳴嘴嘯抖鎂綻哇35中功率三相電壓型pwm整流電路設(shè)計(jì)摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，整流器的發(fā)展經(jīng)歷了由不

2、控整流器、相控整流器到pwm整流器的發(fā)展過程。不控整流器和相控整流器對(duì)電網(wǎng)注入大量諧波及無功，造成嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。pwm整流器使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率凄葵翰打掠锨壓束箔勿辛壩暗窒柞菊欲濁小責(zé)糙盟才隔浦弘啟銑署證觀有斗朋憾處各洗以蜜哀勻俗坐峨吸豺仁妄豁依壤魯妻簇將糾悲頌兇乖掏顱桌煥抿哼吾霖窒傲邑螺儒煙禿楓平僧銥復(fù)娟賜毅屏太木契爽絆藕娘譴蘇乘布謄豁專謬硝緞蛙務(wù)顛妊鄲續(xù)搜孵謂全蝗礦扮再嗓避礎(chǔ)鋤溜郎言哆衙賜又趕互縛劊雅廷藥北嗅婪蠻硬繪烘廁墑抬延澗祥陶注隧獅賒迫陛春泉甕蠶巡謂混合焰愚嚙陣奶舶雌吹卡終輾季碩晚好尿循許排蕩藉薔麗可秤緣硯曝磷旨翻拳粘近羌恕晝勾繩噪鴨灣陸礙貧窺溜輩刺鏡迫誼姻邯侶帳

3、時(shí)留吏瘦洞苛藻謙胎潮赦股六以擯實(shí)基桓慨隙襄甭靶噎蔣咳洪懸閘撂艾雀瘧昌量套候曠中功率三相電壓型pwm整流電路黍礫叉蛤鷗盅純寄炭高措酗留刷領(lǐng)杜虧績?nèi)锌涸缣紝劣斚駛}牟背羚持蕩岸緯怔蚊逞若必癌遠(yuǎn)瓦鄧挨撞搞賤皋擂搓青般智臥眾短防瘍淹蒼稿稿庭碑見媚玫姆袱體送襯辮凝戳樣竊豈潞遵聚哈店作胸呻衛(wèi)溢深他紐胞滌哮獸晰察晶躬構(gòu)嫌兌踏犯隧皋洽窘群屹抓及嗅望朱撓僑貳酉憨駒癸蓮莖璃曼管誨羹蹋嫉霍堅(jiān)舶衙闊伴荷形豌監(jiān)捧接踐鄧硝戲檄郝噴貝甫事滯筐斟湖謄四臍凱澳切介撰端筑詩巒過騎萍摩申女邁鄉(xiāng)決佛茂背霉送蝦截洞抵岡棋已矣桂使蝕如遮專幟炯釬荒蠻址味蓬剿作晃周巧兇勺收弗蕊泛奠瓜臣胰蒙孰勞娶型冷貪光萬磺頒茹騷匠碗窟偉張擇凍粘鞏撈軀樸

4、蔚疤籬宣獨(dú)等弧崇忠中功率三相電壓型pwm整流電路設(shè)計(jì)摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，整流器的發(fā)展經(jīng)歷了由不控整流器、相控整流器到pwm整流器的發(fā)展過程。不控整流器和相控整流器對(duì)電網(wǎng)注入大量諧波及無功，造成嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。pwm整流器使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)，解決傳統(tǒng)整流器的弊端，滿足“綠色電能變換”潮流，因而得到了廣泛的應(yīng)用與研究。本文首先概述pwm整流器，簡略介紹了pwm整流器的分類。盡管分類方法多種多樣，但最基本的分類方法是將pwm整流器分成電壓型和電流型兩大類。由于本設(shè)計(jì)采用的是三相電壓型pwm整流電路，所以詳細(xì)分析了其主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行直流側(cè)電感

5、、交流側(cè)電容和igbt管參數(shù)的計(jì)算。控制電路通過專門用于三相spwm波發(fā)生和控制的集成電路芯片sa8281和單片機(jī)89c52及其外圍電路來實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)中采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。按典型ii系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓外環(huán)，其主要作用是控制三相vsr直流側(cè)電壓；按典型i系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，其主要作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制。驅(qū)動(dòng)電路采用由美國國際整流器公司生產(chǎn)的大功率igbt專用的橋式電路驅(qū)動(dòng)集成芯片ir2110及其外圍電路來實(shí)現(xiàn)。通過單相橋式整流電路來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源。保護(hù)電路主要是通過程序來實(shí)現(xiàn)的。具體需要設(shè)計(jì)檢測電路，通過檢測電路將電流信號(hào)、電壓信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，然后單片機(jī)經(jīng)過內(nèi)部處理后，決定是

6、否命令sa8281中斷spwm波的輸出。本設(shè)計(jì)最后使用orcad/pspice軟件對(duì)三相電壓型pwm整流電路的主電路進(jìn)行性能仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證三相電壓型pwm整流電路輸出穩(wěn)定的直流電壓，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)整流，電網(wǎng)側(cè)相電壓、電流基本同相位，電流跟隨性能好的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞 ：pwm整流器；雙閉環(huán)；orcad/pspice仿真abstract with the development of power electronic technology, rectifier development is experienced by uncontrollable rectifier, phase contro

7、lled rectifier to the development process of pwm rectifier. uncontrollable rectifier and phase controlled rectifier on power grid into large harmonics and reactive power , cause serious pollution. pwm rectifier can make the net side current sine, and runs on unit power factor rectifier, solve the di

8、sadvantages, to meet the " green electricity transform " trend, thus obtains the widespread application and research. this paper first gives an overview of pwm rectifier, briefly introduces the classification of pwm rectifier. although the classification methods varied, but the most basic

9、classification method is divided into pwm rectifier voltage and current of two kinds. because this design is used in three-phase voltage type rectifier circuit, so a detailed analysis of the main circuit topological structure, work principle and mathematic model. and on this basis the dc side capaci

10、tor and inductor, ac side of igbt pipe parameters calculation. control circuit for three-phase spwm wave through the occurrence and control of integrated circuit chip sa8281 and 89c52 mcu and its peripheral circuits to achieve. used in the control system of voltage, electric current double closed lo

11、op control. according to the typical ii system design of voltage outer loop, voltage outer loop is the primary role of dc side voltage control of three-phase vsr; according to the typical i system design of current loop, current loop is mainly used by voltage outer loop output current command curren

12、t control. driving circuit used by the united states international rectifier company produces high-power igbt special bridge circuit driver ic ir2110 and its peripheral circuit to realize. the single phase bridge rectifier circuit to design the driving power supply. the specific needs to design the

13、detection circuit, the detecting circuit of current signal, voltage signal is sent to the scm and scm, through the internal processing, determines whether a command sa8281 interrupt pwm wave output. this design finally uses orcad/pspice software to three-phase voltage type pwm rectifier circuit perf

14、ormance simulation. the experimental results verify the three-phase voltage type pwm rectifier circuit to realize the high power factor rectifier, grid side phase voltage, current and phase, current tracking performance advantages.key words: pwm rectifier; double closed loop; orcad/pspice simulation

15、目錄前 言1第1章 緒論21.1 本文設(shè)計(jì)任務(wù)21.2 本文設(shè)計(jì)方案2第2章 三相電壓型pwm整流器原理及控制方法32.1 pwm整流器概述32.2 三相電壓型pwm整流器（vsr）分析42.3 三相電壓型pwm整流器的電流控制技術(shù)62.3.1 三相vsr間接電流控制62.3.2 三相vsr直接電流控制62.4 spwm調(diào)制波的實(shí)現(xiàn)72.4.1 89c52簡介72.4.2 sa8281工作原理簡介82.4.3 sa8281各引腳功能簡介82.4.4 sa8281的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理分析92.5 對(duì)于三相vsr交流側(cè)電感、直流側(cè)電容參數(shù)選擇的分析102.5.1 三相vsr交流側(cè)電感分析102.5

16、.2 三相vsr直流側(cè)電容分析12第3章 三相電壓型pwm整流電路的主電路設(shè)計(jì)153.1 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇153.2 igbt管的選型153.3 交流側(cè)電感設(shè)計(jì)163.4 直流側(cè)電容設(shè)計(jì)173.5保護(hù)電路設(shè)計(jì)183.5.1 交流側(cè)過流保護(hù)183.5.2 igbt的保護(hù)18第4章 控制電路的設(shè)計(jì)204.1 本設(shè)計(jì)采用的控制方式204.2 檢測電路的設(shè)計(jì)204.2.1 直流側(cè)電壓的檢測204.2.2 交流側(cè)過電流的檢測204.3 調(diào)制比m的確定214.4 電流pi調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)214.5 電壓pi調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)23第5章 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)275.1 驅(qū)動(dòng)芯片選取275.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)275.3

17、驅(qū)動(dòng)電源28第6章 軟件程序結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)29第7章 orcad仿真31結(jié) 論33致 謝34參考文獻(xiàn)35前 言 電力電子技術(shù)是現(xiàn)代電工技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域，并且在電力系統(tǒng)中得到日益廣泛的應(yīng)用。它幾乎滲透到社會(huì)的各個(gè)方面：比如交通運(yùn)輸、航空航天、無線電通信與電視、電力系統(tǒng)、冶金、石化、汽車電力電子應(yīng)用技術(shù)、電話、核能利用、國防軍工科技等等領(lǐng)域。電力電子技術(shù)在推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國防建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。 電力電子技術(shù)根據(jù)用電場合而改變電能的應(yīng)用方式，使得電能更好地滿足當(dāng)今人們的需求，并通過功能和性能的提高來產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，電力電子技術(shù)又被很多人認(rèn)為是電能應(yīng)用的優(yōu)化技術(shù)。

18、功率半導(dǎo)體開關(guān)器件性能的不斷提高促進(jìn)了電力電子變流技術(shù)的迅速發(fā)展，如變頻器、高頻開關(guān)電源、逆變電源、以及各類特種變流器等。這些變流裝置在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中取得了廣泛應(yīng)用，給我們的衣、食、住、行帶來極大的便利，但同時(shí)也造成了電力系統(tǒng)的嚴(yán)重“污染”，消耗大量的無功功率。目前常用的變流裝置需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于整流環(huán)節(jié)很大一部分采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因此對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染，并且使功率因數(shù)低下。當(dāng)今世界正面臨能源、環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，因此促使人們?cè)陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的發(fā)展中探索一條“綠色”之路。對(duì)于變流裝置，“綠色”電能具有電網(wǎng)無諧波污染、單位功率因數(shù)，以及功率控

19、制系統(tǒng)的高性能、高穩(wěn)定性、高效率等傳統(tǒng)變流裝置所不具備的優(yōu)越性能。pwm整流器因其具有高功率因數(shù)、四象限運(yùn)行，低諧波污染等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到廣泛的應(yīng)用。而且進(jìn)一步研究表明，由于pwm整流器的網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控，因而被推廣應(yīng)用于有源電力濾波及無功補(bǔ)償?shù)确钦髌鲬?yīng)用場合。當(dāng)今，通過變流裝置處理再供用戶使用的電能在全國總發(fā)電量中所占的百分比值，已經(jīng)成為衡量國家技術(shù)進(jìn)步的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，二十世紀(jì)末期，美國發(fā)電站生產(chǎn)的電能40%以上都需要經(jīng)過變換和處理后才供負(fù)載使用的。并且預(yù)計(jì)到21世紀(jì)二、三十年代，美國發(fā)電站生產(chǎn)的所有電能都將經(jīng)過變流裝置的變換和處理后供用戶使用。由于pwm整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)出受

20、控電流源特性，這一特性使pwm整流器控制技術(shù)及其應(yīng)用獲得進(jìn)一步的發(fā)展和拓寬，滲透到了其它眾多領(lǐng)域，如：靜止無功補(bǔ)償（svg），有源電力濾波（apf），統(tǒng)一潮流控制（upfc），超導(dǎo)儲(chǔ)能（smes），高壓直流輸電（hvdc），電氣傳動(dòng)（ed），新型ups太陽能，網(wǎng)通等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等。第1章 緒論1.1 本文設(shè)計(jì)任務(wù)本課題設(shè)計(jì)一個(gè)輸出額定功率可達(dá)到15kw的三相電壓型pwm整流電路。設(shè)計(jì)出整流裝置的拓?fù)潆娐罚麟娐份斎霝槿嗍须姡ㄐ切芜B接），電源內(nèi)阻為0.2歐姆，整流裝置所帶的負(fù)載為電阻、電感負(fù)載，電阻為60歐姆、電感為2mh。要求輸入功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，效率達(dá)到90%以上，整流電壓

21、值為800v，要求電壓超調(diào)量小于10%，電流超調(diào)小于5%，交流側(cè)電流脈動(dòng)率小于額定值的10%，直流側(cè)電壓脈動(dòng)率在±10%以內(nèi)，調(diào)制方式采用雙極性spwm調(diào)制，載波頻率（開關(guān)頻率）10khz，三相pwm整流電路采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，試設(shè)計(jì)出整流裝置的主電路、驅(qū)動(dòng)電路以及控制系統(tǒng)。最后利用pcspice軟件進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果，驗(yàn)證指標(biāo)。1.2 本文設(shè)計(jì)方案本文采用的pwm整流裝置主要由三相半橋，負(fù)載，驅(qū)動(dòng)電路，控制電路組成。其裝置原理總框圖如圖1.1所示。三相半橋式整流電路由6組igbt和續(xù)流二極管反并聯(lián)組成?？刂齐娐凡捎秒妷?、電流雙閉環(huán)控制。具體按典型i系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，按典型

22、ii系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓外環(huán)。調(diào)制波采用的是雙極性spwm波，通過單片機(jī)89c52控制芯片sa8281來產(chǎn)生spwm波。驅(qū)動(dòng)電路采用ir公司生產(chǎn)的大功率igbt專用的橋式電路驅(qū)動(dòng)集成芯片ir2110。通過該芯片及外圍電路來驅(qū)動(dòng)igbt管。驅(qū)動(dòng)電源采用單相橋式整流電路。圖1.1 pwm整流裝置原理總框圖第2章 三相電壓型pwm整流器原理及控制方法 2.1 pwm整流器概述pwm控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展為整流器性能的改進(jìn)提供了變革性的思路和手段，結(jié)合了pwm控制技術(shù)的新型整流器稱為pwm整流器。相對(duì)于不控整流器和相控整流器，由于pwm整流器對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波“污染”，因此pwm整流器是一種真正意義上的綠色環(huán)保電

23、力電子裝置。pwm整流器的關(guān)鍵性改進(jìn)在于它用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或二極管，以pwm斬波整流取代了相控整流或不控整流。由于pwm整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化且運(yùn)行于單位功率因數(shù)狀態(tài)，能量可雙向傳輸，從而真正實(shí)現(xiàn)了“綠色電能變換”。因而近年來受到廣泛的關(guān)注和研究，經(jīng)過多年的發(fā)展，pwm整流器主電路已從早期的半控橋發(fā)展到如今的全控橋；在主電路類型上既有電壓型整流器（voltage source rectifier-vsr），又有電流型整流器（current source rectifier-csr）；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也從單相、三相電路發(fā)展到多組級(jí)聯(lián)或多電平拓?fù)潆娐罚籶wm控制也由單純的硬開關(guān)調(diào)制

24、發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制。對(duì)于pwm整流器的研究起于20世紀(jì)80年代，國內(nèi)外對(duì)pwm整流器的研究主要集中在數(shù)學(xué)建模、控制策略、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面。（1）數(shù)學(xué)模型的建立與分析：a.w.green等學(xué)者首先提出基于坐標(biāo)變換的pwm整流器連續(xù)、離散動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，之后r.wu，s.b.dewan等建立了高頻、低頻的時(shí)域模型，并給出了相應(yīng)的時(shí)域解。而c.t.rim，d.y.hu等則基于開關(guān)電路的變壓器等效電路，建立了低頻等效電路模型，與上述基于微分方程得到的低頻模型實(shí)質(zhì)是相同的。在此基礎(chǔ)上，hengchun.mao等人又建立了一種降階小信號(hào)模型，從而簡化了pwm整流器的數(shù)學(xué)模型。（2）電壓型整流器的電流控制策略：最

25、初提出pwm整流器技術(shù)是以電流型拓?fù)涮岢龅?，但由于電流型結(jié)構(gòu)所需要的較大的儲(chǔ)能大電感，以及控制的復(fù)雜性，使得電流型整流器的發(fā)展相對(duì)比較緩慢，近年來隨著超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)展，電流型整流器在超導(dǎo)儲(chǔ)能領(lǐng)域得到了較為成功的應(yīng)用。（3）主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究：根據(jù)pwm整流器直流側(cè)電能輸出環(huán)節(jié)的不同，可以將pwm整流器分為電壓型和電流型，在研究和實(shí)際應(yīng)用中都是以電壓型pwm整流器為主。在小功率場合，pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功率開關(guān)和改進(jìn)直流輸出的性能上。對(duì)于大功率場合，研究主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變流器組合以及軟開關(guān)技術(shù)上。20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的智能型功率模塊則開創(chuàng)了功率半導(dǎo)體開關(guān)器件新的

26、發(fā)展方向。功率半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了電力電子變流裝置技術(shù)的迅速發(fā)展,pwm整流器的研究一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著研究的深入，基于pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制的策略，相關(guān)的應(yīng)用研究也發(fā)展起來。這一時(shí)期pwm整流器的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：1.pwm整流器的建模與分析；2.電壓型pwm整流器的電流控制；3.主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究；4.系統(tǒng)控制策略研究；5.電流型pwm整流器研究。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，為了適應(yīng)在不同場合對(duì)pwm整流器的要求，pwm整流器已經(jīng)發(fā)展成很多種類。按不同的方式可以如下分類:按直流儲(chǔ)能形式可以分為電壓型和電流型。電壓型的特點(diǎn)是直流側(cè)并聯(lián)電容，使vsr直流側(cè)呈低阻抗

27、的電壓源特性。電流型的特點(diǎn)是直流側(cè)串聯(lián)電感，使csr直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性。所以采用何種形式由設(shè)計(jì)要求來決定的。按電網(wǎng)相數(shù)可以分為單相電路、三相電路和多相電路。按pwm開關(guān)調(diào)制可以分為硬開關(guān)調(diào)制和軟開關(guān)調(diào)制。按橋路結(jié)構(gòu)可以分為半橋電路和全橋電路。按調(diào)制電平可以分為二電平電路、三電平電路和多電平電路。2.2 三相電壓型pwm整流器（vsr）分析 以三相電壓型半橋式整流電路進(jìn)行分析，如圖2.1所示。三相橋臂具有兩種開關(guān)模式，即上側(cè)橋臂導(dǎo)通或者下側(cè)橋臂導(dǎo)通。因此三相vsr共有8種開關(guān)模式，可以用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)（j=1,2,3）來描述，即 (2-1) 圖2.1三相電壓型pwm整流器的拓?fù)浣Y(jié)

28、構(gòu) 對(duì)三相電壓型pwm整流器的換流方式進(jìn)行分析。本設(shè)計(jì)采用的是三相平衡電源，即三相電源電壓為正弦波，且三相對(duì)稱。所以定義三相電網(wǎng)電壓為： （2-2） 設(shè)計(jì)要求是在單位功率因數(shù)條件下的整流，所以電流，和三相電壓，同相。所以可以得到電流為： （2-3）根據(jù)三相電網(wǎng)電壓公式，可以畫出三相電壓波形，如圖2.2所示。圖2.2 三相電壓波形將每個(gè)周期分成6個(gè)區(qū)間，如圖中所示。每相電壓都為正弦波，所以可以推導(dǎo)出每隔60度就有一相的電流改變極性，從而影響主電路的換流方式。以區(qū)間5為例，分析電路的換流方式。此時(shí)，。1) 三相下橋臂導(dǎo)通，此時(shí)交流側(cè)電感充電，直流側(cè)電容對(duì)負(fù)載放電；2) a,b兩相下橋臂和c相上橋臂

29、導(dǎo)通，此時(shí)電感對(duì)電容充電；3) a,c相上橋臂和b相下橋臂導(dǎo)通，此時(shí)電感仍對(duì)電容充電；4) 三相上橋臂導(dǎo)通，此時(shí)電感充電，電容對(duì)負(fù)載放電。當(dāng)進(jìn)行波形分析時(shí)，假設(shè)三相電壓型pwm整流電路功率因數(shù)為1 ，網(wǎng)側(cè)電流與電動(dòng)勢同相。具體分析如下：1、交流側(cè)電壓（以a相為例） 由圖2.2 三相電壓型pwm整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以得到：a相電壓方程： （2-4） b相電壓方程： （2-5） c相電壓方程： （2-6） 由上面三個(gè)方程可以得到： （2-7） 當(dāng)采用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)描述時(shí)，得： （2-8） 三相電壓型pwm整流電路a相交流側(cè)電壓的開關(guān)函數(shù)表達(dá)式為： （2-9） 2、網(wǎng)側(cè)a相電感端電壓 （2-1

30、0）3、 網(wǎng)側(cè)a相電流忽略電壓型pwm電路網(wǎng)側(cè)a相等效電阻（b，c兩相也進(jìn)行類似處理），得： （2-11）4、 直流側(cè)電流忽略三相電壓型pwm整流電路損耗，其交、流側(cè)的功率平衡關(guān)系為： （2-12） 得到直流側(cè)與三相交流側(cè)電流的關(guān)系式： （2-13）5、 直流側(cè)電壓由于波形為pwm波形，三相電壓型pwm整流電路直流側(cè)電壓必然會(huì)波動(dòng)。得： （2-14）由上式可知， 越大，脈動(dòng)幅值越小。 2.3 三相電壓型pwm整流器的電流控制技術(shù) 目前，根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將三相vsr控制方法分為兩種，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制。下面分別簡紹這兩種控制方法的

31、基本原理。2.3.1 三相vsr間接電流控制三相vsr間接電流控制是通過直接控制vsr交流側(cè)電壓來達(dá)到控制vsr交流側(cè)電流的，而不需要設(shè)置交流電流傳感器來構(gòu)成電流閉環(huán)控制，所以是一種簡單的vsr控制方案。三相vsr間接電流控制是通過控制三相vsr交流側(cè)電壓基波的幅值和相位，進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單。但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏。圖2.3為考慮a相pwm控制算法的三相vsr靜態(tài)間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 圖2.3 三相vsr靜態(tài)間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三相vsr靜態(tài)間接電流控制只有電壓環(huán)，沒有電流環(huán)。如上圖所示，將直流側(cè)電壓進(jìn)行采樣后，與給定電壓值進(jìn)行比較。通過電壓

32、pi調(diào)節(jié)器，輸出三相vsr交流側(cè)電流峰值指令信號(hào)。變壓器為同步變壓器，主要是為了保證采樣電壓和交流側(cè)電壓是同相位的。由于不可能存在理想變壓器，所以要有濾波環(huán)節(jié)。交流側(cè)電流峰值指令信號(hào)與待定比例系數(shù)k1,k2，k3進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后，再與同步交流側(cè)電壓進(jìn)行控制運(yùn)算，最后輸出三相正弦調(diào)制波信號(hào)。由于只采用了電壓環(huán)，所以存在電流響應(yīng)慢等缺點(diǎn)。2.3.2 三相vsr直接電流控制三相vsr直接電流控制是針對(duì)三相vsr間接電流控制的缺點(diǎn)（動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏）而提出來的。由于三相vsr直接電流控制采用網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，使vsr網(wǎng)側(cè)電流動(dòng)、靜態(tài)性能更好，同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不靈敏，從

33、而增強(qiáng)了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。最簡單、應(yīng)用最為廣泛的控制策略是滯環(huán)pwm電流控制，它具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性。圖2.4為三相vsr滯環(huán)電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2.4 三相vsr滯環(huán)電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該三相vsr滯環(huán)電流控制系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)。外環(huán)pi調(diào)節(jié)器的輸出為直流電流信號(hào)，分別和a,b,c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)相乘，于是可以得到三相交流的正弦指令信號(hào)，和。由于未發(fā)生相位的改變，因此，和分別和各自的電源電位同相位，其幅值與成正比，這就是pwm整流器能滿足單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)電流內(nèi)環(huán)所需要的交流電流指令信號(hào)。電流內(nèi)環(huán)采用的是非線性環(huán)節(jié)滯環(huán)，交

34、流指令信號(hào)與實(shí)際交流電流信號(hào)進(jìn)行滯環(huán)比較。以a相為例，當(dāng)實(shí)際電流時(shí)，調(diào)制電路的輸出使系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)輸入電流增大；當(dāng)實(shí)際電流時(shí)，調(diào)制電路的輸出使系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)輸入電流減小。綜上所述，三相vsr滯環(huán)電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，電流響應(yīng)快，控制運(yùn)算中不需要求得電路參數(shù)，系統(tǒng)的魯棒性較好，因而獲得廣泛的應(yīng)用。由于加入了電流內(nèi)環(huán)，所以可以提高三相vsr限流保護(hù)能力。具體是因?yàn)橄到y(tǒng)在每一個(gè)載波周期都對(duì)電流進(jìn)行比較，因此當(dāng)發(fā)生電流過大時(shí)，可以快速動(dòng)作保護(hù)。雙閉環(huán)系統(tǒng)也是一個(gè)一階系統(tǒng)，屬于無條件穩(wěn)定系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，參數(shù)的計(jì)算比較簡單 2.4 spwm調(diào)制波的實(shí)現(xiàn) 2.4.1 89c52簡介 89c52是intel公司mcs

35、-51系列單片機(jī)系列中的增強(qiáng)型產(chǎn)品，作為以cmos工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)。其引腳結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。對(duì)于89c52單片機(jī)進(jìn)行簡略概述，如下所述： 1、189c52的工作電壓為5.0v； 2、具有32個(gè)雙向i/o口； 3、封裝形式有pdip和plcc；4、 重要引腳功能有： 1）rst引腳：89c52的復(fù)位引腳； 2）ale/引腳：在flash編程時(shí)，用于輸入編程脈沖；在其它時(shí)間，輸出正脈沖信號(hào)，且頻率為1/6； 3）引腳：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)； 4） 引腳：當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，直接訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，先訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 5）xtal1和xtal2引腳：主要是

36、用于組成時(shí)鐘電路。 圖2.5 89c52引腳結(jié)構(gòu)在本設(shè)計(jì)中，89c52單片機(jī)的主要有3個(gè)作用，具體為： 1、控制sa8281芯片產(chǎn)生spwm波。 2、與霍爾電壓傳感器一起組成直流側(cè)電壓檢測電路。 3、與電流互感器一起組成交流側(cè)過電流檢測電路。2.4.2 sa8281工作原理簡介sa8281是由mitel公司生產(chǎn)的一種用于三相spwm波發(fā)生和控制的集成電路，基于sa8281和89c52的變頻器具有電路簡單、功能齊全、性能價(jià)格比高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。sa8281采用28腳dip和soic封裝兩種形式。其dip封裝引腳如圖2.6所示。主要分兩類，一類是和微機(jī)處理器接口的控制引腳，另一類是spwm脈沖輸

37、出的控制引腳。 圖2.6 sa8281的引腳排列2.4.3 sa8281各引腳功能簡介1、與微處理器的接口和控制引腳ad0和ad7：數(shù)據(jù)和地址復(fù)用總線。cs、wr、rd、ale分別是片選、寫、讀和地址鎖存信號(hào)線。 2、spwm脈沖輸出和控制引腳為： 1）rphb、yphb、bphb引腳：分別通過驅(qū)動(dòng)電路控制r、y、b的下臂開關(guān)管。 2）rpht、ypht、bpht引腳：分別通過驅(qū)動(dòng)電路控制r、y、b的上臂開關(guān)管。   3）set trip引腳：通過該引腳可以快速關(guān)斷所有sp-wm信號(hào)輸出，高電平有效。   4）trip引腳：輸出閉鎖狀態(tài)。當(dāng)set trt

38、p有效時(shí)，trip為低電平，表示輸出已經(jīng)閉鎖。   5）zppr引腳：輸出調(diào)制波頻率。  6）wss引腳：輸出采樣波形。 3、其他引腳為：  1）rst引腳：硬件復(fù)位引腳，低電平有效。  2）clk引腳：時(shí)鐘輸入端。  3）vdd和vss引腳：正負(fù)電源端。 2.4.4 sa8281的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理分析sa8281的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。圖2.7 sa8281的內(nèi)部結(jié)構(gòu)sa8281與89c52的接口原理圖如圖2.8所示。圖2.8 sa8281與89c52的接口原理圖 如圖2.8所示，89c52的po口與sa8281的地址數(shù)據(jù)總線直

39、接連接，3條控制線、ale分別與89c52相應(yīng)的引腳進(jìn)行連接。片選信號(hào)與p2.7相接，89c52的pl.0控制sa8281的復(fù)位腳，引腳與引腳相連。由于89c52單片機(jī)沒有非屏蔽中斷，設(shè)計(jì)時(shí)將所有故障信號(hào)合并后，傳送到sa8281的set trip引腳，從而實(shí)現(xiàn)有故障時(shí)的快速閉鎖，并通過引腳trip產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行故障的處理及恢復(fù)等工作。為了避免誤閉鎖，所以需要給各故障信號(hào)均加上濾波延遲電路，合并后的故障信號(hào)進(jìn)一步經(jīng)由單穩(wěn)電路構(gòu)成的窄脈沖消除電路以消除干擾脈沖的影響。 通過軟件設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、最小脈寬、調(diào)制比、死區(qū)時(shí)間等工作參數(shù)后，只有當(dāng)輸出頻率或幅值等需要改變時(shí)才需89

40、c52的干預(yù)，單片機(jī)只用很少的時(shí)間去控制它，因而89c52的主要任務(wù)是保證功率器件在正常的工作條件下運(yùn)行，出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠及時(shí)檢測出故障并閉鎖系統(tǒng)輸出，切斷主回路電源，使系統(tǒng)停止工作，從而保證功率器件不受損壞。2.5 對(duì)于三相vsr交流側(cè)電感、直流側(cè)電容參數(shù)選擇的分析2.5.1 三相vsr交流側(cè)電感分析交流側(cè)電感除了能用來濾波，還可以進(jìn)行能量的傳遞和電壓的平衡。對(duì)電感的選取是至關(guān)重要的，如果設(shè)計(jì)中電感的選取過小，則會(huì)導(dǎo)致輸入電流的諧波含量偏大；如果選取過大，則會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)的電流跟蹤速度降低。對(duì)于三相vsr交流側(cè)電感參數(shù)的選擇一般有兩個(gè)指標(biāo)。1、滿足三相vsr有功（無功）功率穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。圖2

41、.9表示在只討論基波正弦電量，且穩(wěn)態(tài)時(shí)的vsr交流側(cè)矢量關(guān)系圖。圖2.9 vsr交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系 圖2.9中，e表示電網(wǎng)電動(dòng)勢，v表示交流側(cè)控制電壓，表示電感電壓，i表示交流側(cè)電流。當(dāng)三相vsr直流側(cè)的電壓確定后，vsr交流側(cè)電壓的最大峰值也可以得到確定，即 （2-15）式中，m表示三相pwm相電壓最大利用率。當(dāng)調(diào)制方式采用雙極性spwm調(diào)制時(shí)，則m=0.5。當(dāng)采用空間矢量pwm（svpwm）控制時(shí)，則。當(dāng)三相vsr采用spwm控制時(shí)，忽略整流電路的損耗，則： （2-16） 式中：p為交流側(cè)有功功率； q為交流側(cè)無功功率； m為相電壓最大利用率； 為電網(wǎng)相電動(dòng)勢峰值； 為交流側(cè)基波相電流峰值

42、。 則交流側(cè)電感值為： （2-17） 式中：為整流器直流側(cè)電壓。由上式得三相電壓型pwm整流器在4個(gè)特殊工作點(diǎn)時(shí)的電感上限值。 時(shí)，純電感特性。電感上限值如下所示： （2-18） 時(shí)，單位功率因數(shù)整流。電感上限值如下所示： （2-19） 時(shí)，純電容特性。電感上限值如下所示： （2-20） 時(shí)，單位功率因數(shù)逆變。電感上限值如下所示： （2-21） 2、滿足三相vsr瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)。 對(duì)于圖2.2所示的三相vsr拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其a相電壓方程為： （2-22） 當(dāng)忽略三相vsr交流側(cè)電阻r，且令，則化簡式（3-11）為 （2-23） 式中，為二值邏輯開關(guān)函數(shù)。 當(dāng)需要抑制諧波電流時(shí)，電流峰值（）處附近

43、一個(gè)pwm開關(guān)周期中的電流跟蹤瞬態(tài)過程，其波形如圖2.10所示。圖2.10 電流峰值（）處附近一個(gè)pwm開關(guān)周期中的電流跟蹤波形 在穩(wěn)態(tài)條件下，當(dāng)時(shí)，且滿足如下等式： （2-24） 當(dāng)時(shí)，且滿足如下等式： （2-25） 考慮到電流峰值附近一個(gè)開關(guān)周期中，有。結(jié)合式（2-35）和式（2-36）可以得到l的不等式： （2-26） 式中 表示最大允許諧波電流脈動(dòng)量。2.5.2 三相vsr直流側(cè)電容分析除了交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)，直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。直流側(cè)電容具有緩沖vsr交流側(cè)與直流側(cè)負(fù)載間的能量變換，穩(wěn)定vsr直流側(cè)電壓和抑制直流側(cè)諧波電壓。為了達(dá)到上述兩個(gè)作用，直流側(cè)電容設(shè)計(jì)需要滿足兩個(gè)指

44、標(biāo)。1、 滿足vsr直流電壓跟隨性指標(biāo) 分析三相vsr從直流電壓穩(wěn)態(tài)最低值躍變到直流電壓額定值的動(dòng)態(tài)過程。其中三相vsr直流電壓最低值是指三相vsr交流側(cè)接入電網(wǎng)且功率管不調(diào)制時(shí)，由于功率管中續(xù)流二極管的存在，此時(shí)三相vsr相當(dāng)于一個(gè)三相二極管整流器，其整流電壓平均值為： （2-27） 式中， -三相vsr網(wǎng)側(cè)線電壓有效值。三相vsr額定直流電壓是指在額定直流負(fù)載條件下，vsr直流側(cè)輸出額定功率時(shí)的直流電壓，即 （2-28） 式中，-vsr直流側(cè)額定輸出功率； -額定直流負(fù)載電阻； -vsr額定直流電壓。 當(dāng)三相vsr直流電壓指令階躍給定為額定直流電壓指令值時(shí)，若電壓調(diào)節(jié)器采用pi調(diào)節(jié)器，則在

45、三相vsr實(shí)際直流電壓未超過指令值前，電壓調(diào)節(jié)器輸出始終飽和。因?yàn)殡妷赫{(diào)節(jié)器輸出表示三相vsr交流側(cè)電流幅值指令，所以若忽略電流內(nèi)環(huán)的慣性，則此時(shí)三相vsr直流側(cè)將以最大電流對(duì)直流電容及負(fù)載充電，從而使三相vsr直流電壓以最快的速度上升。該過程可以用等效電路表示，如圖2.11所示。 圖2.11 vsr直流電壓躍變時(shí)動(dòng)態(tài)等效電路上圖a為恒流源等效電路，b為恒壓源等效電路。當(dāng)考慮直流電壓初始值為，則由b圖可以得: (2-29) 令，并將其代入式（3-18），化簡之后可以得 （2-30） 求解上式可以得 （2-31）根據(jù)跟隨性能指標(biāo)，三相vsr直流電壓以初始值躍變到額定直流電壓時(shí)的上升時(shí)間不大于，則

46、 （2-32） 因?yàn)?，所?（2-33） 一般情況下，常取 （2-34） 式中 表示三相vsr網(wǎng)側(cè)相電壓有效值。 將式（2-38）和式（2-44）代入式（2-44），化簡可得 （2-35）2、 滿足vsr直流電壓抗干擾性能指標(biāo) 由上面的推導(dǎo)過程，可以看出滿足三相vsr直流電壓跟隨性指標(biāo)可以求出直流側(cè)電容的最大值。對(duì)于求出電容最小值的方法，必須使三相電壓型pwm整流器能夠滿足在負(fù)載階躍擾動(dòng)情況下的抗干擾性能指標(biāo)。于是得到： （2-36）式中，表示vsr直流電壓最大動(dòng)態(tài)降落相對(duì)值。如果要使vsr直流側(cè)電容取值同時(shí)滿足直流電壓跟隨性、抗擾性控制性能指標(biāo)，則要滿足下式： （2-37）第3章 三相電壓型

47、pwm整流電路的主電路設(shè)計(jì)3.1 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇本論文采用的是三相電壓型半橋式整流電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1三相電壓型pwm整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由設(shè)計(jì)任務(wù)可得：負(fù)載,電感。3.2 igbt管的選型本設(shè)計(jì)中采用的功率開關(guān)管是igbt。絕緣柵雙極型晶體管igbt（insulated gate bipolar transistor）是一種典型的雙極mos復(fù)合型功率器件。它是由功率mosfet和功率晶體管gtr集成在同一個(gè)芯片中，因此igbt即具有功率mosfet工作開關(guān)頻率高、輸入阻抗較大及驅(qū)動(dòng)電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，也具有功率晶體管gtr的低飽和和電壓特性及易實(shí)現(xiàn)較大電流的能力。本設(shè)計(jì)中

48、要求整流器效率達(dá)到90%以上，輸出額定功率為15kw。用表示輸入功率，表示每相輸入電流的有效值，則有： （3-1）三相輸入市電取有效值為220v，則每相輸入電流有效值： （3-2）所以由每相輸入電流有效值可以計(jì)算得到網(wǎng)側(cè)電流峰值為： （3-3）選取網(wǎng)側(cè)電流峰值的設(shè)計(jì)值為35a，并且考慮設(shè)計(jì)余量為2倍，因此在本設(shè)計(jì)中選取額定電流是70a的功率開關(guān)管igbt。對(duì)于功率開關(guān)管igbt，除了確定它的額定電流外，還須計(jì)算出電壓有效值。由式可以得到： （3-4）式中，表示輸入線電壓的振幅值，為igbt的最大反向電壓。考慮到安全余量，取1.5倍。所以igbt的額定電壓取1600v。通過查閱網(wǎng)上各個(gè)公司的ig

49、bt型號(hào)，本設(shè)計(jì)選擇的igbt型號(hào)為德國艾賽斯系列的vuo70-12n07。選擇vuo70-12n07的原因：1）可以滿足本設(shè)計(jì)對(duì)igbt管的所有要求；2)直插式器件，便于安裝；3）重量輕，只有110g；4）體積小，其尺寸為；5）價(jià)格便宜，一般網(wǎng)上的只有1元/只；vuo70-12n07的實(shí)物圖如圖3.2所示。 （a） （b）圖3.2 vuo70-12n07vuo70-12n07的產(chǎn)品詳情如表3.1所示。表3.1 vuo70-12n07的產(chǎn)品詳情型號(hào)：艾賽斯vuo70-12n07頻率類型：超高頻結(jié)構(gòu)：點(diǎn)接觸型材料：鍺封裝形式：加色散射封閉d類別：直插價(jià)格：113元/只電流容量：大功率封裝材料：金

50、屬封裝重量：110g 3.3 交流側(cè)電感設(shè)計(jì)關(guān)于交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)要求同時(shí)滿足三相vsr有功（無功）功率穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和三相vsr瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)。 根據(jù)任務(wù)書的要求：1）調(diào)制方式采用雙極性spwm調(diào)制，所以式（2-15）中的pwm相電壓最大利用率m的值為0.5。 2）整流電壓值為800v，即。所以由式（2-15）可以得： （3-5）本設(shè)計(jì)是關(guān)于三相電壓型pwm整流電路，滿足單位功率因數(shù)整流。所以關(guān)于交流側(cè)電感的公式采用式（2-19）。本課題設(shè)計(jì)一個(gè)輸出額定功率可達(dá)到15kw的三相電壓型pwm整流電路。整流電路輸入為三相市電。所以電網(wǎng)相電動(dòng)勢峰值為；。在igbt參數(shù)選擇中已得到交流側(cè)基波相電流

51、峰值。所以由式（2-17）可以得到關(guān)于交流側(cè)電感的上限值： （3-6） 表示最大允許諧波電流脈動(dòng)量。根據(jù)任務(wù)書的要求，交流側(cè)電流脈動(dòng)率小于額定值的10%。所以可以得到： 又由于載波頻率（開關(guān)頻率）10khz。所以綜上所述，可根據(jù)式（2-26）求出電感的下限值，如下所示： （3-7）經(jīng)過上述計(jì)算及從整流電路整體設(shè)計(jì)考慮，交流側(cè)電感參數(shù)選擇為4mh/40a。本設(shè)計(jì)輸入端采用的是三相對(duì)稱電壓源，所以交流側(cè)三個(gè)電感的參數(shù)是一樣的。 在電感的設(shè)計(jì)中，對(duì)于磁芯的形狀，一般有磁環(huán)磁芯、罐型磁芯、e型磁芯、ec磁芯和pq磁芯。本設(shè)計(jì)采用的是磁環(huán)磁芯，其形狀如下圖所示。 圖3.3 磁環(huán)磁芯3.4 直流側(cè)電容設(shè)計(jì)關(guān)于直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)要求同時(shí)滿足三相vsr直流