【正文】 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。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)指標(biāo)。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 0dV 為： 10 VVd ? （ 227） 式中， 1V 三相 VSR網(wǎng)側(cè)線電壓有效值。 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。該過程可以用等效電路表示，如圖 。當(dāng)考慮直流電壓初始值為 0dV ，則由 b圖可以得 : CReVRIVv LetdLedmddc ????? ? 100 )1)(( 1 ?? (229) 令 dedc Vv ? ，并 將其代入式（ 318），化簡(jiǎn)之后可以得 01dLedmdeLedmtVRI VRIe ????? （ 230） 求解上式可以得 CRVRI VRIt LedeLedm dLedm ???? 101 ln ?? （ 231） 根據(jù)跟隨性能指標(biāo)，三相 VSR直流電壓以初始值 0dV 躍變到 額定直流電壓 deV 時(shí)的上升時(shí)間不大于 *rt ，則 deLedm dLedmLer VRI VRICRt ??? 0* ln （ 232） 因?yàn)?deV ＞ 0dV ，所以 14 deLedmdLedmLerVRIVRIR tC??? 0*ln （ 233） 一般情況下，常取 LededmxdeRVIVVV33 1{??? （ 234） 式中 xV 表示三相 VSR網(wǎng) 側(cè)相電壓有效值。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) *mV? 。 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： ** ?? rmtV （ 237） 15 第 3 章 三相電壓型 PWM 整流電路的主電路設(shè)計(jì) 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 。 IGBT 管的選型 本設(shè)計(jì)中采用的功率開關(guān)管是 IGBT。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(jiǎn)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。用 MP 表示輸入功率，NI 表示每相輸入電流的有效值，則有： WPPM 101530 ???? ? （ 31） 三相輸入市電取有效值為 220V，則每相輸入電流有效值： AUPI mN ???? （ 32） 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： AII NNM ???? （ 33） 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。由式mRM UU 2? 可以得到： VUU MRM ?????? （ 34） 式中， mU 表示輸入線電壓的振幅值， RMU 為 IGBT的最大反向電壓。 VU RM 6 1 0 7 ??? 。 16 通過查閱網(wǎng)上各個(gè)公司的 IGBT型號(hào)，本設(shè)計(jì)選擇的 IGBT型號(hào)為德國 艾賽斯系列的VUO7012N07。 （ a） （ b） 圖 VUO7012N07 VUO7012N07的產(chǎn)品詳情如表 。 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（ 215）中的 PWM 相電壓最大利用率 M的值為 。 所以由式（ 215）可以得： VVMvVdc 4 0 08 0 021m a x ???? （ 35） 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。 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。所以 電網(wǎng)相電動(dòng)勢(shì)峰值為 VEm 220? ； Kf 10/2/2 ??? ?? 。 所以由式（ 217）可以得到關(guān)于交流側(cè)電感的上限值： mHI EvL m mdc 0 0 0 0/ 2 2 048 0 02 42222 ??? ????? ?? （ 36） maxi? 表示 最大允許諧波電流脈動(dòng)量。所以可以得到： Ai %10m a x ???? 又由于 載波頻率（開關(guān)頻率） 10KHZ。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。本設(shè)計(jì)采用的是磁環(huán)磁芯，其形狀如下圖所示。 由式（ 235）可以得到：為了滿足電壓環(huán)的跟隨性能指標(biāo)，三相 VSR 直流側(cè)電容要盡量小，以確保三相 VSR直流側(cè)電壓的快速跟蹤控制； 由式（ 236）可以得 到：為了滿足電壓環(huán)控制的抗干擾性能指標(biāo)，三相 VSR 側(cè)電容要盡量大，以限制負(fù)載擾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的直流電壓動(dòng)態(tài)降落。取 *?rt 。 通過網(wǎng)上查閱，本設(shè)計(jì)選擇 2 個(gè) PG6 螺旋安裝鋁電解系列電容，其容量都是 84000uf，額定電壓為 400V。 對(duì)于所選擇的 PG6 螺旋安裝鋁電解系列電容，其產(chǎn)品資料如表 所示。 圖 PG6 螺旋安裝鋁電解系列電容 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 交流側(cè)過流保護(hù) 在三相 VSR 的交流側(cè) ， 需 采取短路保護(hù) 電路 ， 從而 保證 電路 安全可靠地 運(yùn)行 。 芯片 SA8281可以通過 SET TRIP引腳快速關(guān)斷所有 SPWM信號(hào)輸出，高電平有效。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。如圖。 2） 當(dāng) IGBT導(dǎo)通時(shí)，電容 C上存 儲(chǔ)的能量通過 IGBT、緩沖電路上電阻 R釋放，為下次的緩沖吸收做好準(zhǔn)備。由于本設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率為 10KHZ，一般情況下，選擇電阻 R為 100歐。對(duì)于芯片 IR2110的詳細(xì)介紹見第五章，此處只是關(guān)于 IR2110的 SD端。 圖 IGBT過電流保護(hù)原理圖 工作原理：實(shí)時(shí)的將流過 IGBT的電流與給定電流值進(jìn)行比較，當(dāng)流過 IGBT的電流過大時(shí)，通過 SD端口切斷 IGBT。電阻 R2的作用是對(duì)流過 IGBT的電流進(jìn)行采集，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) V1。如果 V1＞ VDD，則比較器輸出高電平給 IR2110的 SD端口，然后 IR2110迅速切斷 IGBT，從而防止過電流的產(chǎn)生?？刂齐娐钒ㄖ骺匦酒⑼鈬涌陔娐泛蜋z測(cè)電路。 整個(gè)控制 電器 由 89C52 單片機(jī) 和專用集成芯片 SA8281組成。 圖 控制電路的主框圖 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 直流側(cè)電壓的檢測(cè) 本設(shè)計(jì)采用電壓傳感器來檢測(cè)直流側(cè)電壓。直流側(cè)電壓經(jīng)過霍爾傳感器輸入單片機(jī) 89C52。 圖 直流電壓采樣電路 交流側(cè)過電流的檢測(cè) 本設(shè)計(jì)主要通過電壓型電流互感器來完成過電流的檢測(cè)。 檢測(cè)原理圖如圖 所示。通過芯片 AD637 可以將交流電壓轉(zhuǎn)化為有效值進(jìn)行輸出。當(dāng)輸出電流超過一定值時(shí)，單片機(jī) 89C52控制 SA8281終止 SPWM波的輸出。 三相 VSR交流側(cè)感抗 LX 的值為 ?????? ? 3?? LX L (43) 考慮到三相交流側(cè)線電壓最小時(shí)的情況，此時(shí)電感與電流的相位相差 ?180 。 所以本設(shè)計(jì)中取調(diào)制比 m為 。 三相 VSR電流內(nèi)環(huán)經(jīng)前饋控制算法后實(shí)現(xiàn)解耦控制，如圖 。 圖 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖 由于兩電流內(nèi)環(huán)的對(duì)稱性，因而以電流 qi 控制為例討論電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。 圖 qi 電流環(huán)結(jié)構(gòu) 在圖 ， sT 為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期（即 PWM開關(guān)周期）， PWMK 為橋路 PWM等效增益。 圖 qe 擾動(dòng)時(shí)的 qi 電流內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖 表 典型 I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo) 阻尼比 ?? 超調(diào)量 %?? 上升時(shí)間 ??rt 相角裕度 ??? 截止頻率 ?? /?c 本設(shè)計(jì)采用的是典型 I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，主要是為了使電流內(nèi)環(huán)具有較好的電流跟隨性能，典型 I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)如表 。通過校正，可以得到電流 內(nèi)環(huán)的開環(huán) 23 傳遞函數(shù)為： )()( ?? si P W MiPoi TsR KKsW ? （ 47） 由典型 I系統(tǒng)參數(shù)整定關(guān)系可知，當(dāng)系統(tǒng)阻尼比 ?? 時(shí)，有 ?i PWMiPs R KKT ? （ 48） 通過求解可得 ： PWMsiiP KTRK 3 ?? （ 49） PW MsiiPiI KT RKK 3?? ? （ 410） 式中， iPK 表示電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益； iIK 表示電流內(nèi)環(huán)積分調(diào)節(jié)增益； PWMK 表示橋路 PWM等效增益； R表示整流電路負(fù)載電阻值； sT 表示電流內(nèi)環(huán)采樣周期（即亦為 PWM整流器的開關(guān)周期）； RLi /?? ； 根據(jù)任務(wù)書，可以得到： 1）載波頻率（開關(guān)頻率） 10KHZ，則 sTs 4101 ??? ； 2）負(fù)載電阻 。 求解得： 45 ???? ???? ??PW MsiiP KT RK ? （ 411） 44 603 ???????? ?P W MsiiPiI KT RKK ? （ 412） 電壓 PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 為了穩(wěn)定三相 VSR直流側(cè)電壓，所以需要電壓調(diào)節(jié) 器。典型 II系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表 。對(duì)于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，電壓外環(huán)的輸出電流指令對(duì)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制。 圖 三相 VSR雙閉環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu) 由三相 VSR雙閉環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)圖可以得到其結(jié)構(gòu)框圖，如圖 。 m為 PWM調(diào)制比， ? 為開關(guān)函數(shù)基波初始相位角。 3） 由電容的電容特性，直流側(cè)電容環(huán)節(jié)用 Cs1 表示； 4） 為便于設(shè)計(jì)，此處將電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)等效為時(shí)間常數(shù) sT3 的慣性環(huán)節(jié) 13 1?sTs； 綜上所述可以得到三相 VSR電壓環(huán)傳遞函數(shù) 結(jié)構(gòu)圖，如圖 。同時(shí)，合并電壓采樣環(huán)節(jié)和電流內(nèi)環(huán)等效環(huán)節(jié)為： 1)3( 1 ?? sTT vs （ 413） 電壓環(huán) PI調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)可以寫成如下形式： ststKsKK vvvpvivp 1??? （ 414） 當(dāng)忽略負(fù)載電流擾動(dòng) Li ，可以化簡(jiǎn)三相 VSR電壓環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖 。 取 vs TT? ，所以得到： 4 2 0104 0 4 4 ?????? ?svvp TT CK （ 418） 2100001045 420)3(5 4 ?????? ?sv vpvi TT KK （ 419） 為穩(wěn)定直流側(cè)電流，所以直流側(cè)需要增加一個(gè)電抗器。 表 計(jì)算電感量的有關(guān)數(shù)值 電感量的有關(guān)數(shù)據(jù) 三相半波 mL df 150 最大脈動(dòng)時(shí)的 ? 角 9