【文章內(nèi)容簡介】 江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器的研究 9 3 三相 電壓型 PWM 整流器的總體設(shè)計(jì)方案 技術(shù)指標(biāo) 本文設(shè)計(jì)的三相電壓型 PWM 整流器 技術(shù)指標(biāo)如下： （ 1）輸出功率： 15kW （ 2）輸入電壓：相電壓的有效值為 220V （ 3）輸入電壓頻率： 50Hz （ 4）主功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率： 10kHz （ 5）直流側(cè)母線電壓： 650V 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示： I P MT M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5光 耦 隔 離電 源信 號 調(diào) 理 電 路交 流 電 流檢 測直 流 電 壓 檢測信 號 處 理RL6 路 S V P W M 信 號UVWF UF UF U故 障 信 號過 零 檢 測交 流 電 壓檢 測LLLC 圖 31 三相電壓型 PWM 整流器 結(jié)構(gòu)框圖 方案介紹 采用電壓 型或者 電流 型 傳感器對 直流側(cè)的輸出電壓 和 交流側(cè)的三相電壓 電流分別 進(jìn)行采樣，然后將 采樣的 7 路信號送入信號調(diào)理電路，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換及濾江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器的研究 10 波，送入 TMS320F28335 的 ADC 引腳， TMS320F28335 在內(nèi)部對輸入信號 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換 ， 將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量信號經(jīng)過 TMS320F28335 坐標(biāo)變換和 SVPWM 算法處理后，得到 ePWM 模塊中的比較器送出的 6 路 SVPWM 驅(qū)動信號。這 6 路驅(qū)動信號經(jīng)過光耦隔離后，驅(qū)動主功率開關(guān)器件 IPM。 IPM 內(nèi)部具有多種保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)故障時， IPM 停止工作并 輸出故障信號給 TMS320F28335，從而使 三相電壓型 PWM 整流器停止工作 。待故障排除后， TMS320F28335 發(fā)出故障排除信號，驅(qū)使 IPM 繼續(xù)工作，從而使 三相電壓型 PWM 整流器繼續(xù)正常 工作 。 PWM 整流器由硬件和軟件兩部分 組成。 硬件部分 由 基于 IPM 的 主電路和 基于 TMS320F28335 控制電路組成 ； 軟件部分則是對采樣的模擬信號進(jìn)行 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ， 然后 TMS320F28335 進(jìn)行 算法 處理， 從而獲得 IGBT 所需要的驅(qū)動信號 以及其它相關(guān)信號 。 固定開關(guān)頻率的 SVPWM 電流控制策略 因?yàn)楣潭ㄩ_關(guān)頻率的 SVPWM 電流控制策略算法不復(fù)雜，易于理解，而且實(shí)現(xiàn)起來也相對比較容易；并且固定了開關(guān)頻率，使得對網(wǎng)側(cè)電感的設(shè)計(jì)相應(yīng)簡化。因此本文設(shè)計(jì)采用固定開關(guān)頻率的 SVPWM 電流控制策略。 參考文獻(xiàn) [11]中利用數(shù)學(xué)模型 (d,q)坐標(biāo)系下描述了 (d,q)坐標(biāo)系中固定開關(guān)頻率 SVPWM 電流控制方案的推導(dǎo)過程，在對三相電壓型 PWM 整流器的輸入電流進(jìn)行控制的 時 ，由于有功電流 di 和無功電流 qi 之間耦合的存在，使得對 PWM整流器的調(diào)節(jié)性能有所下降，并且不能分別單獨(dú)對有功分量和無功分量進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了能夠高性能的控制三相電壓型 PWM 整流器，可利用解耦控制策略 [6]來對 d 軸和 q 軸電流進(jìn)行解耦控制。 由參考文獻(xiàn) [11]得到的 三相電壓型 PWM 整流器的 (d,q)模型 ： ???????????????????????LLdcddqqdcddcddqdqdcqqdqReVSiSidtdVCSVeRiLidtdiLSVeRiLidtdiL)(23?? （ 31） 江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器的研究 11 將式（ 31）變換成下式： ???????????qddddcdqqqdcLiiRLpeSVLiiRLpeSV??)()( （ 32） 令 qdcq svv ? 、 ddcd svv ? ，則上式又可變換為： ???????????qddddqqqLiiRLpeVLiiRLpeV??)()( （ 33） 式中： de 、 qe —— 電網(wǎng)電動勢矢量的 d 、 q 分量 di 、 qi —— 交流側(cè)電流矢量的 d 、 q 分量 dV 、 qV —— 交流側(cè)電壓矢量的 d 、 q 分量 p —— 微分算子 在式（ 33）中 d 、 q 軸電流并沒有解耦，它們不僅受 dV 、 qV 的控制，而且還受 dLi?? 、 qLi? 和 de 、 qe 的影響，因此不能對雙通道的電壓分別進(jìn)行控制。因此引入了 di 、 qi 的前饋解耦控制，對 de 、 qe 進(jìn)行了前饋補(bǔ)償，并且采用了 PI 調(diào)節(jié)器來當(dāng)做電流環(huán)控制器，從而可獲得 (d,q)坐標(biāo)系下對電流控制時的電壓指令： ?????????????????? ?dqddiIiPdqdqqiIipqeLiiisKKVeLiiisKKV??))(())((** （ 34） 式中： iPK 、 iIK —— 電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分增益 *di 、 *qi —— di 、 qi 電流指令值 經(jīng)過補(bǔ)償后，式（ 34）變?yōu)椋? ???????????????))(())((**ddiIiPdqqiIiPqiisKKViisKKV （ 35） 式（ 35）表示的電壓指令已經(jīng)完成了 解耦控制， 將獲得的電壓指令送入SVPWM 模塊，作為驅(qū)動 IGBT 的指令電壓。為 了 能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)，需要使電流矢量和電壓矢量的相位相同，因此 0* ?qi 。 解耦控制如圖 32 中虛線框江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器的研究 12 所示。 檢 測 電 路I P MS V P W M 調(diào) 制P I P Iw Lw LP I3 S / 2 r過 零 檢 測V d c*V d ci*dV d*edqedeqiiV q*dqi*iaibiceaebecCRLLLL圖 32 解耦的 PWM 整流器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖 江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器的研究 13 4 三相電壓型 PWM 整流器 的 硬件設(shè)計(jì) 主電路硬件設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器的主電路主要由熔斷器、電感 、 IGBT 模塊、電容和負(fù)載等組成。 交流側(cè)電感設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器中，交流側(cè)電感的取值不僅制約電壓型 PWM 整流器的輸出功率、功率因數(shù)和直流電壓，而且還對電流環(huán)的動、靜態(tài)響應(yīng)影響也很大。 其 主要作用如下： （ 1） 隔離 電網(wǎng)電動勢 和 交流側(cè)電壓。 （ 2）濾除交流側(cè) 的 諧波電流，實(shí)現(xiàn) 交流側(cè) 電流 任意波形控制 。 （ 3） 可使 網(wǎng)側(cè) 在純 容 性或者純感性狀態(tài)運(yùn)行 。 電感設(shè)計(jì)主要有兩種方法，一是滿足功率穩(wěn)態(tài)指標(biāo)時的電感設(shè)計(jì)，二是滿足瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)時電感設(shè)計(jì)。 根據(jù)文獻(xiàn) [11]中電感設(shè)計(jì) 公式： m22I )()sin(sin2? ?? mdcmm EMVEEL ???? （ 41） ?mmax I3 22 )32( dcdcsmmdc VLiV TEEV ???? （ 42） 因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)工作在單位功率因數(shù)整流狀態(tài)下，所以 ?? 0? 。 因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)采用 SVPWM 控制，所以取 33?M 。 因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)頻率 Hzf 50? ，所以 sradf /1002 ??? ?? 。 網(wǎng)側(cè)相電壓最大值為 VEm 2220? 。 由技術(shù)指標(biāo)可得直流側(cè)輸出電壓為 VVdc 650? 。 由式（ 410）可得網(wǎng)側(cè) 相 電流最大值為 ? 。 假定 Ai 2max ?? 、 sTS 410?? 。 江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器的研究 14 將上面參數(shù)代入式（ 41）和式（ 42）得： ??? ??? mHLmH mHL （ 43） 根據(jù) 式 （ 43） 取交集可確定三相電壓型 PWM 整流器交流側(cè)電感取值范圍為： mHLmH ?? （ 44） 結(jié)合工程實(shí)際效果，本文所設(shè)計(jì)的三相電壓型 PWM 整流器交流側(cè)電感取值為 8mH。 直流側(cè)電容設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器直流側(cè)的電容主要作用： （ 1）抑制了直流側(cè)諧波電壓，使 直流側(cè)輸出電壓 得到了穩(wěn)定。 （ 2） 緩沖 了 交流側(cè)與直流 側(cè) 負(fù)載 之間的能量交換。 直流側(cè)電容在設(shè)計(jì)時，不僅要考慮給定直流電壓控制環(huán)的響應(yīng)時間 rT ，還要考慮系統(tǒng)的最大輸出功率 maxP ， 則電容上能量變化為： 2maxrTPW ?? （ 45） 直流側(cè)電壓變化量為： dcdc CVWV ??? （ 46） 則直流電壓的波動值應(yīng)該小于最大允許值 maxdcV? ，那么電容值為： dcdcrVV TPC ?? 2 max （ 47） 本設(shè)計(jì)中 msTr 13? 、 VV dc %5650max ???? 代入上式得： Fc ?? （ 48） 一般來講， 為了 確保電壓型 PWM 整流器直流側(cè)電壓 得到 快速跟蹤控制 ， 直流側(cè)電容應(yīng)盡可能小些； 而為了使負(fù)載受到干擾 時 引起的直流側(cè)輸出電壓變化在一定的范圍內(nèi)，直流側(cè)電容應(yīng)盡可能大些。 從濾波效果看，電容越大越好，而從價格、體積和 重量 看，電容又不能太大。 所以在實(shí) 際工程設(shè)計(jì)中，要根據(jù)實(shí)際需江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 三相電壓型 PWM 整流器的研究 15 要，綜合考慮各種因素，選擇合適的電容值。 本文所設(shè)計(jì)的三相電壓型 PWM 整流器直流側(cè)電容取值為 5000 F? 。 開關(guān)器件的設(shè)計(jì) 在大功率控制系統(tǒng)中， IGBT 已經(jīng)成為主流。因?yàn)?IGBT 具 備 場效應(yīng)晶體管（ MOSFET）的輸入阻抗高、開關(guān)頻率高和開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，并具有大功率晶體管（ GTR）的飽和壓降低、電流大和耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。如今， 由于 智能化 的發(fā)展 ，使 IGBT 單元構(gòu)成的功率模塊 在智能化方面也得到提高 ，智能功率模塊（ IPM）應(yīng)運(yùn)而生。智能功率模塊（ IPM）由 IGBT 模塊、驅(qū)動電路和保護(hù)電路集成在一起，它不但減少了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜度，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，有效地縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。 本文設(shè)計(jì)功率開關(guān)器件選用 IPM。 三相電壓型 PWM 整流器輸出功率為 15kW，三相交流輸入電壓的相電壓的有效值為 220V，假 定 本系統(tǒng) 的工作 效率為 90％，則 三相交流側(cè)相電流 有效值為 ： %903220 1 5 0 0 0 ????NI （ 49） 相電流的最大值為： ???? NNM II （ 410） 考慮到安全系數(shù)， 這里取 2 倍。 則選 IPM 的額定電流為 75A。 IGBT 的最大反向電壓為 ： ????? LMR