【基于空间矢量的三相桥式整流设计9200字（论文）】

III基于空间矢量的三相桥式整流设计摘要随着电网谐波污染问题日益严重，人们对高性能电力传动技术的要求日益提升，PWM整流器技术的发展极大地满足了人们日益提升的电力传动技术要求，尤其是三相。桥式电压型PWM整流器可以做到高功率因数、直流电压输出稳定，具有良好的动态性能，可实现能量的双向流动。因此，成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。本文在介绍三相桥式电压型PWM整流器主电路拓扑结构结和基本原理的基础上，对其系统进行了设计，包括主电路、检测控制电路,保护电路等，有利于更好地为三相桥式整流设计提供参考指导作用。关键词：空间矢量；三相桥式整流器；设计目录1引言 12PWM整流器的原理及其分类 12.1PWM整流器原理 12.2PWM整流器的分类 22.3三相桥式PWM整流器的拓扑结构 23三相桥式电压型PWM整流器系统的设计 33.1硬件系统设计 33.2主电路设计 43.2.1进线熔断器 43.2.2功率器件选型 53.2.3交流侧电感设计 53.2.4直流侧电容选取 93.2.5IPM保护及其接口电路 103.3检测控制电路设计 123.3.1过零检测电路设计 123.3.2采样调理电路设计 133.3.3温度检测电路设计 143.3.4DSP控制电路设计 154结论 17参考文献 181引言随着电力电子技术的发展，电力电子变流技术也得以迅速发展，出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功功率，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本的措施就是要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并展开了大量的研究工作。其主要思路是将PWM技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。经过多年的研究和发展，PWM整流器的主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制;控制策略从间接电流控制发展到了直接电流控制；而主电路类型上，既有电压型整流器，也有电流型整流器。本文主要对三相桥式整流器进行设计，以便给相应的整流器设计人员提供一定的参考指导作用。2PWM整流器的原理及其分类从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流器经历了不可控整流、相控整流器到PWM整流器的发展历程。PWM整流器相比前两种整流器，使用全控型功率开关器件取代半控型功率开关或二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流，进一步提高了整流电路的功率因数，并且可实现能量的双向流动。2.1PWM整流器原理PWM整流器与以往的整流器相比，具有以下的优良性能：（1）网侧电流为正弦波；（2）网侧功率因数可控制(如单位功率因数控制)；（3）电能双向传输；（4）较快的动态控制响应。由于PWM整流器电能可双向传输，当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。所谓单位功率因数是指：当PWM运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位(正阻特性)；当PWM运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相位(负阻特性)。进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控制，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等其它一些非整流器应用场合。由此可见，PWM整流器实际上是一个其交、直流侧可控，可以在四象限运行的变流装置。图2-1为PWM整流器模型电路，该电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e以及网侧电感L等，直流回路包括负载电阻RL及负载电动势eL等；功率开关管整流电路可由电压型或电流型整流电路组成。图2-1PWM整流器简化电路2.2PWM整流器的分类随着PWM技术的发展，已设计出多种PWM整流器，目前整流器按照不同的分类方法，可以分为不同的类型：按直流储能形式，可分为电压型和电流型；按电网相数可分为单相电路、三相电路和多相电路；按PWM开关调制，可分为硬开关调制和软开关调制；按桥路结构可分为半桥电路和全桥电路；按调制电平；可分为二电平电路、三电平电路和多电平电路。本课题所研究的PWM整流器为三相电压型PWM整流器。2.3三相桥式PWM整流器的拓扑结构通过对电力电子技术的发展进行研究知道，整流器是一种较早的应用于AC/DC中的变换装置，整流器发展经历了由不可控整流器、相控整流器到PWM整流器的程。PWM整流器对传统的相控整流器及二极管都进行了相应的改进，其比较重要的改进在于采用了PWM的调制方式和全控型的率器件，进而才能让PWM整流器具有电能双向流动及较快的动态响应、网侧功率因数控制、网侧电流正弦控制等比较多的优良性能。PWM整流器又可以分为电流型整流器(CurrentSourceRectifer-CSR)和电压型整流器(VoltageSourceRectifer-VSR)两大类，电压型PWM整流器主电路拓扑结构的类型有很多，而电压型PWM整流器一个最显著的特点就是直流侧接电容器，对直流电压进行滤波，从而能够获得比较平稳的直流电压，而本设计主就是将三相电压型PWM整流器作为研究对象。图2-2三相桥式电压型PWM整流器主电路拓扑三相桥式电压型PWM整流器的拓扑结构如图2.2所示，其中在所示的电路中三相电感L起滤波作用，因此交流侧电流可近似认为是三相正弦电流，C为直流侧电容，起稳压滤波的作用，当系统稳定时，可保持直流母线电压基本不变，故可看作是直流电压源。R为线路与开关管的等效电阻，RL为负载。3三相桥式电压型PWM整流器系统的设计3.1硬件系统设计三相电压型PWM整流器硬件系统构成如图所示，整个系统由整流器主电路，过零检测电路，采样电路，DSP控制电路，驱动保护电路部分等构成。图3-1三相桥式电压型PWM整流器系统结构图整流器主电路是整个系统的核心，它主要实现电能的DC/AC或AC/DC转换，采样电路实现交流侧电流以及直流侧电压，过零检测电路实现电网频率的锁相、电流的检测，DSP控制电路功能主要是用数字实现控制策略并生成SVPWM的波形，对主电路开关器件进行适当的控制，驱动保护电路是主电路与控制电路的接口，其功能是实现控制信号的隔离与功率放大，同时对功率器件进行监测保护。3.2主电路设计由图3-1可知，功率电路为典型的三相BOOST整流器拓扑结构，其中F为进线熔断器；L为交流侧输入电感；为三相对称正弦电压源；等效电阻，包括电感和功率器件的内阻；C为直流侧输出电容；开关器件为IGBT；为电阻型负载。其主要性能指标如下：A.输入额定电压220V，额定功率15KW，B.整流器输出的直流电压：650V。主电路设计主要包括以下五个方面：交流侧电感计算与设计、功率器件选型、进线熔断设计、直流侧电容设计。3.2.1进线熔断器进线熔断器主要是起到对功率单元整体进行短路故障保护的作用，它必须选用保护开关器件用的快速熔断器。快速熔断器的主要参数有：额定电流、额定电压和分断能力。对于功率单元的输入快速熔断器设计，可根据功率单元的额定输入电流和电压进行的指标进行选择。快速熔断器的额定电压应比交流进线电压的有效值要大，但由于电网电压会有波动(一般+15%)，还应适当的留有空隙，即：(3-1)式中U为功率单元进线电压有效值快速熔断器的额定电流Ie，应根据功率单元进线电流的有效值I计算，并留有一定的裕量，即(3-2)I为进线电流有效值，如下式所示：(3-3)Idc为直流电流最大值，则 (3-4)3.2.2功率器件选型功率电路中可以选用IGBT模块来搭建整流电路，对IGBT模块的选择应考虑如下四个方面：a)额定电流ICEI的选择对于额定电流ICE的选择，要根据实际电路中最大额定电流Ie、负载的类型、允许过载的程度等因素进行选择。一般的在电阻性负载的电压变换装置中，当实际电路中电流最大有效值为Ie，则要选ICE=1.5Ie。在任何情况下，通过集电极的最大电流必须在安全工作区的规定范围内。b)额定电压UCE的选择考虑电网电压瞬态尖峰、开关电流引起电压尖峰、电压波动等，如果稳态时，外加最高电压为UM，通常可选取耐压值UCE=1.5~2UM的IGBT。c)散热条件在良好的冷却条件下，可选用额定值较小的IGBT模块。d)实际条件根据生产厂家的产品样本规格，以及电压型PWM整流器所处的工作环境，选择合适的器件。本系统设计考虑到整个装置能短时间输出2~3倍功率，选用三菱公司生产的PM50RSA120型IPM模块。具体参数最大电压为1200V，最大通态电流为50A。3.2.3交流侧电感设计在三相VSR系统设计中，设计交流侧电感相当重要。这是因为三相VSR交流侧电感的取值不仅影响到电流环的动、静态响应，而且还限制了三相VSR功率因数、输出功率以及直流电压。经深入研究可得，总结三相VSR交流侧电感的主要作用[1]如下：(1)滤除VSR交流侧PWM谐波电流，从而实现VSR交流侧正弦波电流或一定频带范围内的任意电流波形控制。(2)隔离电网电动势与VSR交流侧电压。通过VSR交流侧电压幅值、相位的PWM控制，或通过VSR交流侧电流幅值、相位的PWM控制均可实现VSR四象限运行。(3)使VSR获得良好电流波形的同时，还可向电网传输无功功率，基至实现网侧纯电感、纯电容运行特性(4)使VSR具有BoostPWMAC/DC变换性能以及直流侧受控电流源特性。(5)使VSR控制系统获得了一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。可见，三相VSR交流侧电感所起到的影响和作用是综合的。对交流侧电感的设计涉及到两个方面[1]：一方面是电感的设计；另一方面是电感值的计算。然而，交流侧电感量的选择需在稳态条件下应满足两个指标：一是满足电流波形品质，二是VSR输出有功(无功)功率。一、电感值的计算1．满足VSR有功(无功)功率指标时电感值在忽略VSR交流侧电阻R，且只讨论基波正弦量的条件下，稳态条件VSR交流侧矢量关系图如图所示。图3-2VSR单位功率因素稳态矢量关系图中矢量：V为交流侧控制电压E为电网电动势I为交流侧电流VL为电感电压随着VSR直流侧电压Udc的确定，VSR交流侧电压最大峰值也跟着确定，即(3-5)其中，PWM相电压最大利用率M，采用三角载波SPWM控制时，M取1/2；采用空间矢量(SVPWM)控制时，。由正余弦定理可知：（3-6）将代入式（3-6）中求得：（3-7）式中：Vm——VSR交流侧基波相电压峰值Im——VSR交流侧基波相电流峰值Em——电网相电压峰值由式(3-7)可知：（3-8）联立两个等式得VSR交流侧电感取值为： （3-9）显然可知>0，即。假设三相VSR采用SPWM控制，且忽略VSR损耗，则（3-10）M=1/2在式中，Q为三相VSR交流侧无功功率，P为三相VSR交流侧有功功率。当三相VSR实现单位功率因素控制时，代入上式则(3-11)将式（3-10）代入（3-9）(3-12)2.满足动态和静态电流响应时电感的设计除了要考虑稳态时的功率要求外，设计交流侧电感时，还要考虑满足三相VSR的动态和静态电流响应要求，既要能有效抑制电流谐波又要能快速跟踪交流侧电流指令。为方便分析，只讨论三相VSR正弦波电流控制时电感设计规则，当交流电流过零时电流变化速度最快，此时电感应该足够小，使得交流侧电流能快速跟踪电流的指令，而在正弦波电流峰值时电流谐波含量最大，如果电感不足过大，那么电流谐波便抑止不住。在三相VSR拓扑结构中，A相电压方程（3-13）若忽略VSR交流侧电阻，且令则以上A相电压方程简化： （3-14）Sa为二值逻辑开关函数三相VSR交流侧A相等效电路如下图所示。首先分析满足快速电流跟踪要求：图3-3三相VSR交流侧A相等效电路分析电流过零(ωt=0)处附近一个PWM开个周期Ts内的瞬时电流跟踪过程。稳态条件下，当0≤t≤T1时，sa=0，ea≈0，由式(3-14)可得到：（3-15）当T1≤t≤Ts时，sa=1，T1+T2=Ts，由式(3-14)可得到：（3-16）若要满足电流跟踪的快速性要求，则必须满足：（3-17）联立式（3-15）~（3-17），可得：（3-18）当T1=Ts时，获得最大电流变化率，即：（3-19）在交流电流峰值附近主要考虑电感抑制电流谐波的要求，考察电流峰值附近一个开关周期Ts内的瞬时电流跟踪过程。稳态条件下，当0≤t≤T1时，sa=0，e=Em，式(3-14)可化简为：（3-20）当T1≤t≤Ts时，sa=1，式(3-14)可化简为：（3-21）因为峰值附近，，，所以，联立式（3-20）和（3-21）可得：（3-22）式中，Δimax为允许的最大电流谐波脉动量。综上所述，满足电流瞬态跟踪要求时，三相VSR系统电感L取值范围为：（3-23）将三相VSR系统参数：，，，，，代入式(3-12)、(3-23)得：（3-24）（3-25）根据式(3-24)、(3-25)，并考虑到电感尺寸及成本，选得交流侧电感值为4mH。3.2.4直流侧电容选取上述分析的是交流侧电感的设计方法，在三相VSR系统中，直流侧电容C的测试也相当重要。C选择的是否合适将直接影响到系统直流侧电压的动态性能和稳定性能，它所起到的主要作用有以下三个方面：1)滤波作用，滤除的波为由于开关高频动作所带来的直流电压的高次谐波；2)稳定直流侧电压，在整流器的惯性延时环节内，将直流电压的波动维持在限定的范围；3)储存能量的作用，作为与交流侧能量交换的媒介完成与交流侧电能的交换。直流侧电容的设计既要满足其抗干扰性又要的直流电压的跟随性能要求，当满足直流侧电压的跟随性时电容的设计应该尽量小，而考虑其抗干扰性时其设计又应该尽量大。一般而言，在满足电压环控制的跟随性指标的角度看，VSR直流侧电容应尽量小，从而确保VSR直流侧电压的快速跟踪控制；而从满足电压环控制的抗扰性指标的角度分析，VSR直流侧电容值应尽量大，以限制负载扰动时的直流电压动态的变化，提高其稳定性。只考虑负载存在扰动的情况，假定负载功率在稳态t=0时到时间t=t1内的最大变化为ΔPLmax，则由负荷引起电容电压的最大变化量可以表示为：（3-26）而，因此可以得到：（3-27）考虑整流器最大惯性时间常数为Timax，因此，输出电容的电压应该满足下式：（3-28）将三相VSR系统参数，，，代入（3-28）可得：（3-29）在实际应用工程中，若从体积、重量、价格和动态性能考虑，电容值又不能够选太大；如果选择太小，直流电压的滤波平滑作用将下降。因此，应该综合评价选择电容的大小，根据所解得的数据，选取电容由两个电容C1和C2串联而成C1=C2=4700/400V。3.2.5IPM保护及其接口电路三菱智能功率模块IPM(IntelligentPowerModule)内部不仅存在集成功率开关器件IGBT及其驱动电路，而且还存有过电流，过电压，欠压，短路和过热等故障检测电路，能够做到输出错误信号。PM50RSA120型号IPM主要参数如下：(1)集成栅极驱动电路；(2)完整的功率输出电路，直接连接负载；(3)使用第五代低功耗IGBT开关；(4)集成短路保护电路，过温保护电路，驱动电压欠压保护电路；虽然IPM模块内部存在保护电路和栅极驱动，但是它需要0V，15V的PWM波来进行驱动，而DSP模块输出的PWM信号幅值为3.3V，可以间接用来驱动IPM模块，所以，需要为IPM模块设计接口电路。与此同时，接口电路有主功率部分与控制部分的电气隔离的功能。如图3-4,即为IPM接口电路。图3-4IPM接口电路IPM驱动电源要求的范围是13.5V—16.5V，最好是在15V值下工作，当电压低于13.5V时损耗会有所增加，保护特性会出现漂移，会导致保护功能不够充分，致使IPM损坏。因此就IPM而言，控制电源是十分重要的，直接影响整个系统的性能。IPM控制电源可以采用开关电源，如7815等组成的电源也可以采用TOPSwitch系列的单片开关电源。本文采用7815电源设计，电路比较简单，如图3-5所示。图3-5由7815组成的+15V电源电路图在系统的运行过程中，若IPM中的IGBT过流或出现短路故障，驱动板将检测的过流故障信号通过光耦隔离后，发光二极管点亮，从而输出端的光敏三极管接收到光偏置，会使此光敏三极管饱和导通，那么光耦的上输出端就会输出低电平，从而给DSP的引脚一个故障信号——低电平，DSP马上关闭PWM波的输出，保护了IPM，于此同时也会提出中断请求。IPM处于正常工作状态时，FO引脚会呈现高阻状态，光耦的发光二极管不发光，输出端的光敏三极管截止，光耦的输出端上端引脚会因2K欧姆的电阻上拉而输出5V的高电平，没有故障信号，具体实现电路如图3-6所示。图3-6故障处理电路3.3检测控制电路设计3.3.1过零检测电路设计三相电压型PWM整流器为了实现电网电压与电流的同相位，需要对电网电压进行过零检测，确定输出PWM控制波形的相位，也可以说是实现对电网频率的锁相，产生与电网同步的信号(方波信号)，对整个装置进行实时控制，同步电路主要功能就是测量电网电压的频率以及初始相位，这是实现系统输入电流跟踪电网电压的先决条件。同步信号的产生主要可以通过三种方法:过零同步法，锁相环技术和“虚拟转子法”，而过零同步法因为其简单易行性得到了广泛的应用，本系统采用过零同步法。具体电路如图3-7所示。过零检测电路引自二极管整流桥的输出端。当二极管整流桥输出为高电平时，OUTO输出为低电平，只有当设计中的二极管整流桥输出为低电平，即正弦波过零点时，OUT0输出才为高电平。进入TMS320LF2407A的捕获(CAP)单元。通过测量两次上升沿的间隔时间，可以得到电网频率，能够很好的防止电网电压在过零点波动造成的误动作。图3-7过零检测电路3.3.2采样调理电路设计为了实现对整个装置系统进行控制，需要对一些电气参量进行隔离、变换、取样、计算，在三相电压型PWM整流器中，需要检测的电气量为：交流侧输入电流以及直流侧电压。本系统中采用精度比较高的霍尔元件来实现控制系统与主功率电路的电气隔离，而且对电流、电压信号进行变换、取样，具体的采样调理电路如图3-8、3-9所示。图3-8交流电流采样电路图3-9直流电压采样电路其中，电流采样器件为LEM公司的LT59-S7电流传感器，其原边额定电流为50A，转化率为1000:1；电压采样器件也为LEM公司的LV28-P电压传感器，其原边额定电流为10mA，转化率为2.5:1。它们都需要±15V供电,输出信号为电流信号，为了使得取样的信号可以被DSP的A/D转化模块采样，还需要对信号进行适当的调理。由图3-8、3-9可知，与直流采样不同的是，交流电流信号在转换成电压信号后，还要经过电压抬升转换成直流信号，然后通过稳压管钳位，为DSP中ADC转换模块所采样。需要注意的是，采样调理电路中，对于霍尔传感器的使用，一定要选择合适的采样电阻，来获得较高的采样精度；对于DSP的ADC转换模块端口输入电压范围为0～3V，所以在设计采样调理电路时需要对所有采样调理信号进行钳位处理，防止损坏DSP。3.3.3温度检测电路设计电力电子器件在导通和开关过程中，不能避免产生损耗，这些损耗通常会转换为热量，使电子器件温度上升，温度过高有可能使IPM中的IGBT模块损坏，因此加温度检测电路[34]是非常有必要的。一般采用的是在靠近功率模块的散热器上加装热电阻的方法构成温度检测电路，并且因为本设计选用的模块内部本身封装上了NTC电阻，所以本设计直接采用NTC电阻进行温度检测，NTC热敏电阻是一种具有负温度系数的热敏电阻，其阻值随温度的上升而减小。NTC热敏电阻的主要特点是:灵敏度较高;工作温度范围宽，适用于-55℃—125℃，玻璃封装适用温度达200℃;体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;使用方便等特点。具体电路如图3-10所示，在PWM整流器中经过此电路再结合NTC电阻阻值和温度对应关系图就可以检测到实际的温度，当检测到的温度在85℃以上时，就认为发生过热故障，DSP封锁IGBT的驱动信号，从而实现了保护模块不受损坏。图3-10温度检测电路3.3.4DSP控制电路设计DSP(数字信号处理器)芯片是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片可分为专用型和通用型两大类。通用型DSP芯片是一种软件可编程的DSP芯片，使用于各种DSP应用场合。专用型DSP芯片则将DSP处理的算法集成到DSP芯片内部，一般适合用于某些专用的场合。目前，DSP芯片的主要供应商包括美国的德州仪器(TI公司)、AD公司、Motorola公司等。其中TI公司的DSP芯片应用最为广泛。TI公司推出DSP一改传统的的冯·诺依曼结构，采用了先进的哈佛总线结构。哈佛总线的主要特点是将程序和数据存放在不同的存储空间，每个存储空间都可以独立的访问，而且程序总线和数据总线分开，这样就使数据的吞吐率提高了一倍。然而冯·诺依曼结构则是将程序、数据和地址存储在同一空间，统一编码，根据指令计数器提供的地址的不同来区分程序、数据和地址，因此程序和数据的读取不能同时进行，从而影响了系统的整体工作效率。DSP芯片内部具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP芯片指令，可以快速的实现各种数字信号处理器算法。作为系统管理器，DSP必须要具备强大的片内I/O和其它外设功能。F240片内的事件管理器和其它任何一种DSP都不同。面向应用优化的外设单元和高性能DSP内核的结合，可为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进控制技术。该时间管理器中含有特殊的PWM产生功能，特殊的附加功能包括可编程的死区功能和空间矢量PWM状态机，后者可为三相电机在功率晶体管开关机制中提供了目前为止最高的功效。三个独立的向上/下计数器，每一个都有属于它自己的比较寄存器，可以支持产生对称的和非对称的PWM波形。四路捕获输入中的两路可以直接连至光电编码器的正交编码脉冲信号。所以利用TMS320LF2407A强大、快速的信息处理能力和丰富的外设资源可以实现PWM整流器控制系统的强大功能和工作性能。而且克服了模拟控制分立元件过多、电路可靠性差、电路复杂等缺点;完全适应目前对控制系统实时性和精度越来越高的性能要求。在本系统中，主要用到了DSP2407的EVA模块、数模转换器(ADC)、中断模块以及串行通信模块[18]。为了进一步对三相电压型PWM整流器系统进行研究，根据前面章节对PWM整流器工作原理和控制策略的理论分析，本论文将设计其硬件电路和控制软件两部分。在很多数字控制器中，DSP的芯片内部采用的是程序和数据相互分开的哈佛结构，包括专