第8章电力电子装置的研制与试验ppt课件.ppt

电力电子装置及系统第8章电力电子装置的研制与试验 第八章电力电子装置的研制与试验 8 1电力电子装置研究流程 8 2研究对象的方案论证 8 3主电路设计 8 4控制系统及辅助电源设计 8 5电磁兼容技术和措施 8 6电路仿真 8 7整机调试与电性能试验 8 8结构设计和例行试验 2 8 1电力电子装置的研制流程 3 研究对象技术条件以一个4kW 400Hz的中频电源为例文献检索国内期刊国外期刊检索工具方案论证主电路方案控制电路方案 4 8 2研究对象的方案论证 8 2 1研究对象的技术条件 4kW 400Hz中频电源主要技术性能指标 5 输入电压 三相360V 400V 50Hz 5 输出电压 单相 230V 2 400Hz 0 5 过载能力 120 额定负载下能够正常工作3分钟 对2秒钟之内短路故障 有不停机的抗冲击能力 输出电压波形畸变率 总谐波畸变率不超过3 其中单次谐波畸变率不超过2 功率 环境 绝缘电阻 电气隔离 电磁兼容 等等 8 2 2文献检索 检索性期刊国内期刊国外期刊方法 通过学校图书馆中文期刊全文数据库及外文IEEE IEEElectronicLibrary进行检索查询 6 8 2 2文献检索 续 检索性期刊 7 电工文摘 双月刊机械部北京综合技术经济研究所主编科学文摘 ScienceAbstracts 英国电气工程师协会IEE TheInstitutionofElectricalEngineers 主编 其中与电力电子专业相关的分辑有 物理文摘 科学文摘A辑 PAPhysicsAbstracts ScienceAbstracts SeriesA 电气与电子学文摘 科学文摘B辑 EEAElectricalandElectronicsAbstracts ScienceAbstracts SeriesB 计算机与控制文摘 科学文摘C辑 CCAComputerandControlAbstracts ScienceAbstracts SeriesC 8 2 2文献检索 续 国内期刊 8 电力电子技术 月刊 由西安电力电子研究所 中国电工技术学会电力电子学会主办电气传动 月刊 由天津电气传动设计研究所 中国自动化学会主办中国电机工程学报 旬刊 由中国电机工程学会主办 国家自然科学基金资助 EI索引电力系统自动化 半月刊 国家电力公司 电力自动化研究院主办 EI索引电源技术应用 月刊 由中国电源学会 陕西省电源学会主办等等 8 2 2文献检索 续 国外期刊 9 IEEE工业应用汇刊 IEEETransactiononIdustryApplications 双月刊 bimonthly 由美国电气与电子工程师协会IEEE InsitituteofElectricalandElectronicsEngineers 主办 IEEE功率电子学汇刊 IEEETransactiononPowerEletronics 双月刊 由美IEEE主办 ToshibaReview 日 东芝评论等等 中文数据库 外文数据库 8 2 2文献检索 续 国内期刊检索数据库页面 12 8 2 2文献检索 续 国外期刊检索数据库页面 13 8 2 3方案论证 主电路 14 电路结构 AC DC AC方案 调制方式的选择开关器件 估算电流 电压 调制 开关频率 IGBT缓冲电路 4kW的功率 能耗缓冲电路 控制系统 控制策略 波形控制 电压平均值反馈和瞬时值反馈相结合保护策略 限流记忆性封锁 8 2 3方案论证 续 主电路 15 单相全桥 输入 输出滤波 共模 差模 陷波 起 停环节 缓冲 8 2 3方案论证 续 控制系统 16 SPWM硬开关电压平均值反馈与瞬时值反馈相结合限流记忆封锁保护 输出滤波器输出变压器铁芯选择绕组计算窗口占空比缓冲电流开通缓冲关断缓冲直流滤波电路主开关器件选择 17 8 3主电路设计 8 3 1输出滤波器设计 输出并联滤波电容 18 设计原则 在额定负载时 使容性电流补偿一半的感性电流 选用原则 50HZ 500V的交流电容用于400HZ 230V 降压使用 若电容取值过大 会增加输出的无功电流 增加变压器 开关管的负担 选择C9 12 F 8 3 1输出滤波器设计 续 输出滤波电感 19 设计原则 根据LC谐振频率来选取 一般选取输出滤波器的谐振频率为最低次谐波频率的1 5 1 10 采用单极倍频SPWM 最低次谐波次数为2P 1次 P为半周期内单极性波头数 本例开关频率7 2kHz P 7200 400 18 因此最低次谐波频率为14kHz 取谐振频率2kHz 1 7 14000 变压器变比k 0 77 折算到原边的电感L3为0 891mH 8 3 2输出变压器设计设计输出变压器必须给出以下参数 输出功率 原边电压 电流 付边电压 电流 基波频率和对磁密余量要求 铁芯的选择 20 选择方法 一般根据变压器容量 基波工作频率对比变压器设计手册来初步选取 铁芯选定后 就可以得到铁芯相关的参数 本例选择CD40 80 120的400Hz铁芯 其视在功率为6 4kVA 磁芯截面积Sc 28 5cm2 窗口面积So 76 8cm2 最大磁密Bm 6550Gs 导线电流密度j 1 45A mm2 8 3 2输出变压器设计 续 绕组的计算 21 付边绕组 由付边额定输出电压 根据变压器电压关系式计算付边绕组匝数 计算中磁密选择80 的最大磁密 根据付边的额定电流大小及导线允许的电流密度选择合适的导线 并验证导线截面是否符合要求 原边绕组 根据原边最低输入电压值 考虑开关管压降 死区引起的电压损失 基波电流在滤波电感的压降 漏感的阻抗压降后 付边额定输出电压得到变压器变比 再由付边匝数确定原边绕组匝数 导线选取类似付边绕组 通常每个绕组分成左 右两个相同的线圈组成 原边绕组左 右线圈可以设计成串联或并联 但付边绕组不适合设计成并联 因为左右线圈如果不对称 感应的电压会有差别 产生环流 8 3 2输出变压器设计 续 绕组的计算 22 变压器电压关系式 窗口占空比 窗口占空比计算是为了保证设计的绕组能在所选择的铁芯窗口中绕得下 如果简单的按照导线截面积计算窗口占空比 应该在0 5以内 控制用小变压器的窗口占空比则应在0 3以内 8 3 3缓冲电路设计 开通缓冲设计 23 设计原则 最大输入电压下 开通时的di dt值抑制在开关管允许的额定值以内 在母线上串入开通缓冲电感 除了可以抑制开通的di dt外 还可以抑制开关管反并二极管在反向恢复期间的桥臂电流上升率 本例所选1200VIGBT的di dt额定为200A us 有 此缓冲电感可以直接用导线绕制成空心电感 8 3 3缓冲电路设计 续 RDC关断缓冲设计 24 设计原则 按总损耗最小原则或者临界缓冲计算缓冲电容 电阻的取值应使得电容电荷在开关器件开通时放电完毕 且产生的附加电流不大 实际电阻功率至少比计算值大一倍 以免温升过高 二极管选择快恢复二极管 其电压等级与IGBT相当 电流等级与变压器原边电流相当 用20只5W 75的金属膜电阻串并联组成100W 15 8 3 4直流滤波电路设计 25 本装置中直流滤波电路主要担负低通滤波作用 滤除三相整流的6脉动波 设计原则 滤波电容应使得其上的电压波动幅度在直流母线电压的0 5 1 根据脉动周期内电容上电荷的增量和电压增量的关系来计算 如果为LC滤波 L的计算根据LC谐振频率为1 5的脉动频率来进行 需要指出的是 即使逆变桥输入是直流也需要直流滤波电路 保证器件在开关过程中直流母线电压纹波比较小 滤波电路计算方法同上 只是脉动频率取开关频率 如此L C的值会小得多 8 3 5主开关器件的选择 器件耐流值选择 26 需要综合考虑 变压器原方在付方120 过载下的电流幅值 并联缓冲引起的附加电流 二极管在反向恢复时间内引起的电流冲击 一定的安全余量 器件耐压值选择 需要综合考虑 除了考虑直流母性最高的输入电压外 还应该考虑线路电感引起的压降 即电感的磁场能量在开关关断时转换成电容电场能量而引起的电压增量 抗冲击负荷的电路设计冲击负荷的类型 滞环瞬时限流电路 短路保护过温保护辅助电源驱动电路调压环节 27 8 4控制系统及辅助电源设计 8 4 1抗冲击负荷的电路设计 冲击负荷类型 28 变压器 合闸的时候变压器由于铁芯存在饱和现象 可能出现很大的冲击电流 最不利情况下合闸电流可达额定电流的5 8倍 整流负载 在负载合闸瞬间 由于滤波电容未经充电 直流输出电压Ud 0 相当于瞬时短路 这时不仅存在变压器空载合闸冲击电流 而且存在变压器合闸短路冲击电流 是最常见且最恶劣的冲击负荷 冲击负荷虽然出现时间不长 但都可能损坏器件 如果直接采用记忆封锁脉冲的保护方法 那么此类负荷始终无法投入 如果加大开关管电流定额 装置的成本加大 8 4 1抗冲击负荷的电路设计 续 滞环瞬时限流电路 29 原理 逆变器主电路处于续流状态时输出电流自然减小 优点 存在较大冲击电流时 电源始终工作在极限工作电流附近 可保证不停机 故障排除后 可自动恢复正常运行状态 且恢复时间短 实现方法 滞环比较器 8 4 2过温保护 温度开关 延时保护 8 4 3辅助电源 单端反激电源 考虑几路输出 功率大小 8 4 4驱动电路 EXB8418 4 5调压环节 30 电压平均值反馈PI调节 输出标准正弦波幅值控制电压Vc 电压瞬时值反馈P调节 得到调制正弦波 电磁兼容性概念形成电磁干扰的条件抑制电磁干扰的原则常用的抑制电磁干扰的措施用电路和器件抑制 滤波 屏蔽 布线 接地电磁兼容性测试电磁兼容设计 31 8 5电磁兼容技术和措施 8 5 1电磁兼容性的概念 32 电磁兼容 ElectromagneticCompatibility 简称EMC 俗称抗干扰 是指干扰可以在不损害信息的前提下与有用信号共存 形成电磁干扰的条件向外发送电磁干扰的源 噪声源 传递电磁干扰的途径 噪声耦合和辐射 承受电磁干扰的客体 受扰设备 抑制电磁干扰的原则抑制噪声源 直接消除干扰原因 这就需要采用合适的电路结构和缓冲技术 使装置输入 输出电流波形好 并使di dt和dv dt尽可能小 消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合和辐射 切断电磁干扰的传递途径 或者提高传递途径对电磁干扰的衰减作用 加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力 降低其对噪声的敏感度 8 5 2常用的抑制电磁干扰的措施 33 电路和器件 反并二极管续流 RC吸收电路 浪涌吸收器 压敏电阻 瞬态抑制二极管 光电 变压器隔离等 电压尖峰 滤波 专用滤波元件 穿心电容器 三端电容器 铁氧体磁环 差模滤波 共模滤波等 屏蔽 良导体制成的屏蔽体适合电场屏蔽 导磁体制成的屏蔽体适合磁场屏蔽 屏蔽盒 控制机壳通风孔大小等 布线 导线的种类 粗细 走线方式 线间距 布线对称性 屏蔽方法以及导线长短 捆扎或绞合方式等对导线的电感 电阻和噪声的耦合有直接影响 一般正 负直流母线靠近走线 驱动线单独绞线 尽量缩短走线距离 接地 信号地 控制地 电源地和安全接地 应根据具体设备的设计目标决定分别采用一点接地 多点接地还是混合接地方式 为避免接地环路 必要时还要采用隔离技术 8 5 3电磁兼容性测试 34 电源线传导发射测试 测量电力电子装置电源线上的传导发射 电源线传导敏感度测试 考核电力电子装置对注入其电源线上的标准规定的电磁量是否敏感 电源尖峰信号传导敏感度测试 考核电力电子装置对注入其电源线上的标准尖峰信号是否敏感 电场辐射发射测试 测量电力电子装置的电场辐射发射 磁场辐射敏感度测试 考核电力电子装置对施加的标准磁场辐射是否敏感 电源频率及尖峰信号磁感应场辐射敏感度测试 考核电力电子装置对400Hz磁感应场及尖峰信号磁感应场辐射是否敏感 电场辐射敏感度测试 考核电力电子装置对施加标准规定的辐射电场是否敏感 滤波电路输入陷波电路 消除三相整流电路存在的3次谐波 差模 共模滤波 一般差模衰减倍数大于60dB即可 共模电容不能太大 以满足对人身安全的需要 通常取0 1uF以下 屏蔽控制电路板和辅助电源板安装在屏蔽盒 整机机壳散热孔均为短笮缝 机门采用棱簧铜梳簧片使门缝连续导电 机壳相当一个大的屏蔽盒 布线 元部件布局 每个器件的定位应有利于接线 电磁兼容和散热 35 8 5 4电磁兼容设计 400Hz中频电源为例 电路仿真的意义初步验证电路原理和参数设计的正确性缩短设计周期 减少设计费用计算机仿真方法系统级仿真 MATLAB元件级仿真 Pspice电路仿真实例 36 8 6电路仿真 一 Pspice仿真 37 放置所需元件 包括电源 连接导线设定要执行的模拟内容设定Probe执行模拟利用Probe观察模拟结果 以Pspice8 0为例 仿真步骤 一 Pspice仿真 续 38 基于Pspice的单相逆变器仿真电路 二 MATLAB仿真 39 应用matlab进行仿真时有两种方式基于命令的方式 即用各种命令输入系统的模型 并用相应的命令进行仿真利用simulink搭建模型 即用simulink中的各种模块搭建系统模型 并进行仿真和结果输出观测 应用simulink仿真的一般步骤分析系统的数学模型在simulink中搭建系统模型 用框图表示系统的各个环节 用带方向的连线表示各环节的输入输出关系 部分复杂算法编写s function或m function设置仿真参数 时间 步长 误差 仿真 处理仿真结果 进行电路级仿真时 类似Pspice 选取模块 连接 设置参数 仿真 此时 可从PowerSystemBlockset中选取电路模型 仿真方式及步骤 二 MATLAB仿真 续 40 Simulink子库是一个建模 分析各种物理和数学系统的软件含有若干模型库 可根据需要选择 进行一般的电力电子装置数学模型仿真时 主要采用simulink模型库中的模块 几种主要的库 信号源库 包括阶跃信号 正弦波 白噪声 时钟 常值 文件 信号发生器等各种信号源输出库 包括示波器仿真窗口 MATLAB工作区 文件等形式的输出 离散系统库 包括延迟 零 极点 滤波器 离散传递函数 离散状态空间 零阶保持器等 线性系统库 提供加法器 比例环节 积分环节 微分环节 传递函数 零 极点 状态空间等模块 非线性系统库 提供绝对值 乘法 函数 回环特性 死区特性 斜率 继电器特性 饱和特性 开关特性等模块 信号及系统库 包括输入 输出 多路转换等模块 用于和其他模块的连接 Simulink简介 二 MATLAB仿真 续 41 某系统Simulink下的方框图模型 印制板调试元器件老化筛选印制板基本功能测试主机调试试验保护电路的可靠性 控制电路与主电路分开供电 主电路电压逐步加大 监视驱动信号及开关管的电压波形 若驱动波形上有明显干扰信号 需调整走线 若开关管两端有较高电压尖峰 应调整缓冲电路有关参数 注意各部件的温升整机调试按照试验大纲进行各项试验 42 8 7整机调试与电性能试验 结构设计机箱的外型尺寸 结构形式按技术要求确定 并考虑维修方便 重心合理 机箱各个部位的连接要考虑机械强度 机械强度由机械设计人员考虑 减震器一般按设备总重量考虑 元器件的布置应有利于接线 电磁兼容性和散热 机械部件的防腐性 机壳的整体屏蔽 机壳散热孔均为短窄缝 机门采用了棱簧铜梳簧片使门缝连续导电 三防处理喷三防 防盐雾 防霉 防潮 漆 43 8 8结构设计和例行试验 例行试验高温试验试验目的 评定电力电子装置在高温环境条件下的适应性 试验要求 1 环境条件 工作温度50 试验时间4h2 控制电路要求 外观完好 结构可靠 电气性能正常 关键 散热技术及元器件的老化筛选 低温试验试验目的 评定电力电子装置在低温环境条件下的适应性 试验要求 1 环境条件 工作温度0 试验时间4h2 检测要求 外观完好 结构可靠 电气性能正常 关键 元器件的筛选以及变压器加工工艺 44 8 8结构设