【正文】 2/UUdm L LK BL BK 26 本設(shè)計要求直流側(cè)電壓脈動率在 %10? 以內(nèi)，所以可以得到電流脈動系數(shù)為： %20/ /%90/%1 1 0 ??? RU RURUSi 。 限制輸出電流脈動的電感量 mL 的計算，計算公式為： )(2 10)/( 232 mHISUfUUL diddmm ? ?? （ 420） 式中， 2U 表示三相交流側(cè)電壓有效值； dI 表示額定負載電流； iS 表示電流脈動系數(shù)； df和 ddmIU / 見表 。 25 圖 簡化后的三相 VSR電壓環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖 求解圖 ，可以得： ? ?1)3( )1()( 2 ?? ?? sTTsCt stKsG vsv vvpv （ 415） 任務書桪按典型 II系統(tǒng)設(shè)計電壓調(diào)節(jié)器，所以得到參數(shù)整定關(guān)系為： 222 1svvvvp ThhCtK ?? （ 416） 同時考慮電壓調(diào)節(jié)器的抗擾性和跟隨性，工程上常取電壓環(huán)中頻寬為 5?vh ，所以電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計的依據(jù)為： svvp TTCK 34?? )3(5svvpvi TTKK ?? （ 417） 式中， C表示直流側(cè)電容大?。?sT 表示開關(guān)頻率的倒數(shù)； vT 為電壓外環(huán)采樣小慣性時間常數(shù)。 圖 三相 VSR電壓環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖 對于時變環(huán)節(jié) ? ，取其最大值，即最大比例增益為 。其中調(diào)制比 m=。 圖 三相 VSR電壓環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖 對該控制系統(tǒng)做如下近似： 1） 電壓采樣延遲時間為11?sTv； 2） 直流側(cè)電流 dci 近似等于網(wǎng)側(cè)電流峰值 mI ，即一時變環(huán)節(jié)為： ? midc ? 。所以可以三相 VSR雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖 。 表 典型 II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系 h 3 4 5 6 7 8 9 10 bCC /max? % % % % % % % % Ttm/ Ttv/ 24 圖 表示三相 VSR 的電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中采用典型 II系統(tǒng)來設(shè)計電壓外環(huán)。60??R 3） 53 ?? ????? RLi? 4）電流超調(diào)小于 5%； 5）取 220800 ??PWMK 根據(jù)設(shè)計要求 %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差 。從圖 ，只需以 PI調(diào)節(jié)器零點抵消電流控制對象傳遞函數(shù)的極點即可，即 RLi /?? 。 為簡化分析，忽略 qe 的擾動，且將 PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)寫成零極點形式，為： iiPiIiiiPiIiP KKssKsKK ??? ???? 1 （ 46） 將小時間常數(shù) 2/sT 、 sT 合并，得到簡化后的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖，如圖 。考慮到電流內(nèi)環(huán)信號采樣的延遲和 PWM控制器的小慣性特性，所以已解耦的 qi 電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 示。 22 圖 三相 VSR電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu) 由電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)圖，可以得到電流環(huán)的框圖，如圖 。 電流 PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計 為了滿足獲得較快的電流跟隨性能，所以本設(shè)計按典型 I系統(tǒng)來設(shè)計電流內(nèi)環(huán)。則： VIXU LA 1 2 02 2 0 m a x0 ?????? (44) 則調(diào)制比 m為 2/800 ???? d AU Um (45) 式中： dU 為直流側(cè)的電壓值。 圖 過電流檢測電路 調(diào)制比 m 的確定 三相 VSR交流側(cè)的最大電流 maxI 的值為： AU PII d 010153232323m i n00m a xm a x ?????? (42) 式中： maxdI 為直流側(cè)電流最大值； 0P 為輸出功率，在本設(shè)計中 kwP 150 ? ； min0U 為輸出電壓的最 小值，在本設(shè)計中 VU 800min0 ? 。輸出有效值電壓經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器后，送入單片機 89C52，與設(shè)定的基準值進行比較。以 a 相為例，具體過程為：電壓型電流互感器將 a 相的 交流 21 電流以交流電壓的形式輸入檢測電路。先將三相輸出交流電流轉(zhuǎn)換為三相交流電壓，然后與基準值進行比較。由于 89C52的輸 入電壓最高為 5V，所以可以求得采樣電阻 ??? 100505mAVR （ 41） 本設(shè)計的直流電壓采樣電路如圖 。由于霍爾電壓傳感器具有精度高、過載能力強、動態(tài)性能好等特點，所以選擇 北京森社電子有限公司生產(chǎn) 的 CHV50P/800霍爾電壓傳感器。 基于 SA8281和 89C52的 PWM整流器具有電路簡單、功能齊全、性能價格比高、可靠性好，而且 硬件電路也大大簡化，靈活性強、智能性強，同時生成的 SPWM波形精度高，速度快， 整流裝置 的可靠性 大幅 提高。該控制電路采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。 20 第 4 章 控制電路的設(shè)計 本設(shè)計采用的控制方式 本設(shè)計的控制電路如圖 所示。轉(zhuǎn)換后的電壓信號與基準電壓 VDD進行比較。 具體流程：由于本設(shè)計選擇的 IGBT能夠承受的最大電流為 70A，取電阻 R2為 ，則基準電壓為 7V，即 VVDD 7? 。 IGBT過電流保護的原理圖如 。對于電容 C，通過公式 2fCUP? 可以得出所選電容大小為： uffUPC 0 0 0 08 0 0 1 5 0 0 022 ???? （ 312） 對于 IGBT的過電流保護，本設(shè)計采用 橋式電路 驅(qū)動集成芯片 IR2110的 SD 端 來 實現(xiàn)過電流保護控制功能 。 對 RC吸收電路的電阻 R與電容 C進行估算。 圖 RC型吸收電路 19 對 RC型吸收電路的具體作用為： 1） 當 IGBT關(guān)斷時，原來流過交流電感的電流會通過 RC旁路，從而將交流電感的儲能轉(zhuǎn)移到吸收電路的電容 C上，避免在 IGBT突然關(guān)斷時，由于電流的突變導致在器件兩端產(chǎn)生很高的電壓尖峰，因而大大降低了開關(guān)管截止瞬間在其兩端所產(chǎn)生的過電壓。 IGBT的保護 對于 IGBT 過電壓的保護，本設(shè)計采用 RC 型吸收電路來保護功率開關(guān)管 IGBT。 設(shè)計時將所有故障信號合并后，傳送到 SA8281 的 SET TRIP 引腳，從而實現(xiàn)有故障時的快速閉鎖，并通過引腳 SET TRIP產(chǎn)生中斷，在中斷服務程序中進行故障的處理及恢復等工作。 在本設(shè)計中，用芯片 SA8281來設(shè)計交流側(cè)的過流保護。 表 PG6 螺旋安裝鋁電解系列電容產(chǎn)品資料 封裝外形：圓柱形 品牌： ALCON 類別：螺栓安裝 型號： PG6 標稱容量： 330 — 250000uF 額定電壓： 40 — 500Vdc 價格： 600 元 /只 結(jié)構(gòu)：固定 所選電容實物圖如圖 所示。采用串聯(lián)的連接方式。 18 由上面 3個條件可以得到關(guān)于直流側(cè)電容的不等式： FCF ?? （ 311） 綜上所述，應選擇容量為 ，額定工作電壓為 800V的電容 。 為了滿足設(shè)計要求，所以可以得到關(guān)于直流側(cè)電容的不等式： LerLem RtCRV 1 ** ??? （ 38） 根據(jù)任務書要求可以得到： 1）直流側(cè)負載電阻 ??60LeR ； 2）由于直流側(cè)電壓脈動率在 %10? 以內(nèi)，所以： VvvV dcdc 1 6 0 0%)10(%10m a x ????????? （ 39） 則直流電壓最大動態(tài)降落相對值為： 800160m a x* ????? dem VVV （ 310） 3）由式（ 237）可以得： *?rt 。 圖 磁環(huán)磁芯 直流側(cè)電容設(shè)計 關(guān)于直流側(cè)電容的設(shè)計，本設(shè)計要求同時滿足三相 VSR 直流電壓跟隨性指標直流電壓抗干擾性能指標。 在電感的設(shè)計中，對于磁芯的形狀， 一般有磁環(huán)磁芯、 罐型磁芯、 E 型磁芯、 EC 磁芯和PQ磁芯。所以綜上所述，可根據(jù)式（ 226）求出電感的下限值，如下所示： mHAiv TEEvL dc smmdc 10000/1220)22038002(2 )32( m a x ??? ????????? （ 37） 經(jīng)過上述計算及從整流電路整體設(shè)計考慮，交流側(cè)電感參數(shù)選擇為 4mH/40A。 根 據(jù)任務書的要求， 交流側(cè)電流脈動率小于額定值 17 的 10%。 在 IGBT參數(shù)選擇中已得到 交流側(cè)基波相電流峰值 AIm ? 。整流電路輸入為三相市電。所以關(guān)于交流側(cè)電感的公式采用式（ 219）。 2）整流電壓值為 800V，即 Vvdc 800? 。 表 VUO7012N07的產(chǎn)品詳情 型號： 艾賽斯 VUO7012N07 頻率類型：超高頻 結(jié)構(gòu)：點接觸型 材料：鍺 封裝形式：加色散射封閉 D 類別：直插 價格： 113元 /只 電流容量：大功率 封裝材料：金屬封裝 重量： 110g 交流側(cè)電感設(shè)計 關(guān)于交流側(cè)電感的設(shè)計，本設(shè)計要求同時 滿足三相 VSR 有功（無功）功率穩(wěn)態(tài)指標和三相 VSR瞬態(tài)電流跟蹤指標。 選擇 VUO7012N07的原因： 1）可以滿足本設(shè)計對 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 mmmmmm 262980 ?? ； 5）價格便宜，一般網(wǎng)上的只有 1元 /只； VUO7012N07的實物圖如圖 。所以 IGBT的額定電壓取1600V。 考慮到安全余量，取 。 對于功率開關(guān)管 IGBT，除了確定它的額定電流外，還須計算出電壓有效值。 本設(shè)計中要求整流器效率 ? 達到 90%以上，輸出額定功率 0P 為 15kW。絕緣柵雙極型晶體管 IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種典型的雙極 MOS復合型功率器件。 圖 PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu) 由設(shè)計任務可得：負載 ??60LR ,電感 mHLr ? 。于是得到： LemRVC *2 1?? （ 236） 式中， *mV? 表示 VSR直流電壓最大動態(tài)降落相對值。 將式（ 238）和式（ 244）代入式（ 244），化簡可得 LerRtC *? （ 235） 滿足 VSR直流電壓抗干擾性能指標 由上面的推導過程，可以看出滿足三相 VSR 直流電壓跟隨性指標可以求出直流側(cè)電容的最大值。 圖 VSR直流電壓躍變時動態(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。因為電壓調(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，則此時三相 VSR直流側(cè)將以最大電流 dmI 對直流電容及負載充電，從而使三相 VSR直流電壓以最快的速度上 升。 三相 VSR額定直流 電壓是指在額定直流負載條件下， VSR直流側(cè)輸出額定功率時的直流電壓，即 13 Leede RpV ? （ 228） 式中， ep VSR直流側(cè)額定輸出功率； LeR 額定直流負載電阻； deV VSR額定直流電壓。 滿足 VSR直流電壓跟隨性指標 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態(tài)過程。直流側(cè)電容具有緩沖 VSR交流側(cè)與直流側(cè)負載間的能量變換，穩(wěn)定 VSR 直流側(cè)電壓和抑制直流側(cè)諧波電壓。結(jié)合式（ 235）和式（ 236）可以得到 L的不等式： )(