（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的三相应急电源系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t t h et h r e ep h a s ee m e r g e n c yp o w e rs u p p l ys y s t e mb a s e do nd s pa r es t u d i e d a n da n a l y z e dd e e p l yi nt h et h e s i s a f t e rs u r v e y i n ga n ds t u d y i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h c u r r e n ts i t u a t i o no ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d c a r r y i n g0 1 1s y s t e m a t i ca n a l y s i sa n ds y n t h e s i z et ot h ep r e s e n td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a le m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ，w et a k eo u ts p e c i f i c a t i o na n dg e n e r a l p r o j c o t t om e e tt h ep e r f o r m a n c ed e m a n dt h a tf u l ln u m e r i c a lc o n t r o la n d i n t e l l i g e n t ，i n c l u d i n g t h em a i nc i r c u i to ft h ec h a r g e ra n dt h e i n v e r t e r , a n d c a l c u l a t et h ep a r a m e t e ro f p o w e rt r a n s f o r m e r ，a n dc h o o s et h et y p e so f i g b t t h e n ，a f t e rt h es p e c i a l i t yo fl e a da c i da c c u m u l a t o rw a ss t u d i e di nd e e pa n d a n a l y z e d ，t h ec o n t r o ls c h e m eo fc h a r g ea n dr e c h a r g e w a sd e s i g n e da n dt h e p r i n c i p l ew a se x p a t i a t e d 1 1 1 eo u t p u to fi n v e r t e ra n dc o n t r o ls c h e m ei st h es t r e s so ft h i sp a p e r f i r s t l y t h ep w m t e c h n o l o g yw a sd i s c u s s e da n dt h es v p w mt e c h n o l o g yt h a th a sb e e n a p p l i e di nt h ef i e l do fm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，w ea d o p tt h i ss v p w mt e c h n o l o g y i no u re m e r g e n c yp o w e rs u p p l yt o g e t h e rw i t ht h ep ir e g u l a t o r 。i ti st oc o n t r o lt h e s p a c ev o l t a g ev e c t o ri n v a r i a b l ea p t i t u d ei nda x l ea n dda x l ei nf a c t ，s ot h et h r e e p h a s es p 、酮mo u t p u tw a sg e tf i n a l l y , a f t e rt h i sa n a l y s i st h es i m u l a t i o nm o d u l e w a se s t a b l i s h e db a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e d t h a ti th a sf i n eb a l a n c e dd e g r e eo fw a v ef o r mo ft h r e ep h a s ev o l t a g ea n dl o w w a v ef o r md i s t o r t e dd e g r e eb ya d o p t e dt h i sm e t h o d ，e v e nu n d e rt h es e r o u s a s y m m e t r i ct h r e ep h a s el o a d o nt h eb a s i so ft h e o r ya n a l y s i sa n de m u l a t i o n ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ed e s i g no ft h ee m e r g e n c yp o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pi s i n t r o d u c e di nd e t a i lf i n a l l y a n dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o l s y s t e mi st e s t e d 砀er e s u l t so fe x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h ea c c u r a c yo fs o f t w a r e d e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：e p s ，d s p , i n v e r t e r , s v p w m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章首先简要介绍应急电源e p s 的特点，在此基础上将e p s 与柴油发 电机组和u p s 进行比较，对比其优缺点，由于e p s 是逆变电源的一种，所 以最后从逆变电源的角度介绍了e p s 及其控制的发展概况及趋势。 1 1 应急电源概述 随着工业和科学技术的快速发展，社会生活越来越现代化、信息化，对 电的依赖以及对供电质量的要求也越来越高。突然的断电必然会给人们的正 常生活秩序和社会正常运转造成破坏，特别是对于一级负荷中特别重要的负 荷，一旦事故发生中断供电，必将造成重大的事故和经济损失。然而，电力 故障突发性强，断电在所难免，这就需要在市电供应中断时，提供高性能的 应急电源在各静场合为设备提供电能，因此，研究高性能应急电源有着重要 的意义。 l - 1 1 应急电源的基本结构 e p s ( e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ) 全称应急电源供电系统。是应用i g b t 逆 变技术，以c p u 控制，采用高电子集成整体模块化结构的强弱电体化系统。 它在紧急的情况下作为重要负荷的第二或第三电源供给，可望成为不少场合 的u p s 、柴油发电机组的替代品【 应急电源( e p s ) 的原理结构框图如图1 - 1 ，其主要包括整流充电装置、 图1 - 1 应急电源原理框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 蓄电池组、逆变器及互投装置组成，其功能是在市电正常时，用户负载通过 互投装置由市电直接供电，同时e p s 的整流充电装置将市电电能整流后给蓄 电池组充电，在市电供电中断时，e p s 通过逆变器将蓄电池组储存的电能逆 变输出，并通过互投装置给负载供电。其中逆变输出及其控制是e p s 的核心。 e p s 是一种交流输出电源，按照输出电压的相数分类，e p s 可分为单相 e p s 和三摆e p s 。三相e p s 按照输出有无中线可分为三相四线制e p s 帮三相 三线制e p s 。按照e p s 的额定输出功率来分类，e p s 可分为小容量e p s ( 0 5 k v a 1 0 k v a ) 、中等容量e p s ( 1 0 k v a 5 0 k v a ) 及大容量e p s ( 5 0 k v a 以上) 。 常用的可作为应急供电的电源有下列几种： ( 1 ) 独立于正常电源的发电机组； ( 2 ) 蓄电池供电的不间断电源( u p s ) ； ( 3 ) 应急电源( e p s ) 。 1 1 2 应急电源( e p s ) 的特点及应用范围 e p s 有如下一些特点1 2 1 ( 1 ) 采用i g b t 逆变技术、p w m 脉宽调制技术、c p u 控制技术。技 术先进，能实现自动切换，无人值守，电源供电相互切换时间为o 1 0 2 5 s ，： ( 2 ) 非应急供电时基本不耗电，处于静态，无噪啻，噪音小于6 0 d b 高度节能。 ( 3 ) 正弦波供电，稳压、稳频、无噪音、无公害； ( 4 ) 带负载能力强，e p s 适应于电感性、电容性及综合性负载的设备， 如消防电梯、水泵等t 且过载能力强，电源可在1 2 0 过载下工作； ( 5 ) 多合一结构，设计整体化为单个屏、箱、柜。安装方便，性价比 高，寿命长达2 0 年以上； ( 6 ) 3 1 程设计不需更改主接线，即可代替原有的产品设施。无需噪音、 排烟、消防的附加要求，占地极少。 “ e p s 按配带负载类型基本分为三类： ( 1 ) 照明型，( 2 ) 照明动力混合型，( 3 ) 动力变频型 e p s 的应用范围很广，主要适用于： ( 1 ) 高层建筑的电梯、中央空调、消防水泵、风桃及应急照明： ( 2 ) 金融证券监控、金融设施、金库保护等特殊用电； 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 3 ) 军用雷达、移动电站、人防、消防、安防及通讯、广播的连续供 电； ( 4 ) 医院、手术、科研、实验、超市、商场人员集中地的供电； ( 5 ) 工厂、企业的中央控制室，关键运转设备的供电； ( 6 ) 地铁、车站、民航机场等重要场合的应急供电。 1 2e p s 和柴油发电机组、u p s 的比较 1 2 1e p s 和柴油发电机组比较 柴油发电机组是以前大部分工程所采用的应急供电装置，由于柴油发电 机组的容量较大，可并机运行且连续供电时间长，所以至今已有五、六十年 历史了，然丽随着社会进步，需求的提高，这一传统的应急供电方法也暴露 了许多问题，与e p s 相比主要有： ( 1 ) e p s 无排气排烟，无噪音、无振动、无公害，而发电机有二氧化硫排 放、排烟、噪音特大、有振动、油库像一个大炸弹，很不安全，时刻 要求防火； ( 2 ) 停电时e p s 逆变自启动时间快，一般小于3 秒( 特殊要求可小于0 1 秒) ，而备用发电机自启动的也要5 3 0 秒，无自启动功能的需更长时 间； ( 3 ) e p s 维护简单，可无人值守，自动操作，可计算机监控，而发电机需 专人看管，需要定期维护； ( 4 ) e p s 逆变供电电压频率稳定，波形好，无干扰、效率高：而发电机供 电电压频率不稳、效率低： ( 5 ) e p s 过载能力强，保护功能完善，与负载的功率匹配比低，一般为1 ： l 即可，减少投资，而发电机过载能力弱，保护功能一般，与负载的 功率匹配比高，一般为l ：1 5 ，加大投资； ( 6 ) e p s 一次性投入基本无后续运行费用，而发电机辅助设施造价高，且 后续运行费用多。 在实际工程中，小于2 5 0 k w 容量时，e p s 的价格要小于柴油发电机组 的造价，当e p s 容量介于2 5 0 k w 和4 0 0 k w 之间时，其价格接近于进口柴油 发电机组( 如康明斯) 的综合造价 1 1 2 2e p s 和u p s 的比较 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 u p s 是英文u n i n t e r r u p t i a b l ep o w e rs u p p l y 的缩写，即不问断供电电源， 人们习惯上称其为u p s 。u p s 不仅仅是一个备用电源，它还有电力净化的功 能，随着计算机、各种办公设备、精密仪器的普及，u p s 得到了广泛的应用， 欧美日等国都己将u p s 视为标准设备“1 e p s 和u p s 均具有市电旁路及逆变电路，其功能区别是：e p s 仅具有持 续供电功能，一般对逆变切换时间要求不高( 特殊场合的应用具有一定要求) ， 表1 - 1 指标 e p su p s 切换时间 l r k 2 ，k 是变压器原副边比。 1 、开关模态o t o 时刻1 在t o 时刻，q 1 和q 4 导通，原边电流i 。经q i 、谐振电感l r 、变压器原边 绕组以及q 4 。整流管d r l 、d r 4 导通，d r 2 ，d r 3 截止，原边给负载供电。 2 、开关模态1 【t 1 】 在t o 时刻关断q 1 ，原边电流i p 从q l 中转移到c 3 和c 1 支路中，给c 1 充 电，同时c 3 放电。在这个时段里，谐振电感l r 和滤波电感l f 是串联的，而 且l f 很大，可以认为i d 近似不变，类似一个恒流源。电容c l 的电压从零开 始线性上升，电容c 3 的电压从v i n 开始线性下降，因此q l 是零电压关断。i p 和c l 、c 2 的电压表达式分别为： o ) = j ，( f o ) = ( 2 3 ) ( f ) = 若l ( t - t o ) ( 2 - 4 ) z l ， o ) = 一若l ( t - - t 。) ( 2 5 ) 二l 一正凸一 在t l 时刻，c 3 的电压下降到零，q 1 的反并二极管d 3 自然导通，开关模 态1 结束。该模态的时间为： t o l = 2 c 厶 ( 2 6 ) 3 、开关模态2 i t l ，t 2 】 d 3 导通后，将q 3 的电压钳位在零位，此时开通q 3 ，则q 3 是零电压开 通。虽然这时候q 3 被开通，但q 3 并没有电流流过，原边电流经d 3 流通。 q 3 和q 1 驱动信号之间的死区时间t dc l e a d ， t o l ，即： f d 删 2 圪厶 ( 2 - 7 ) 在这段时间里，原边电流等于折算到原边的滤波电感电流，即： i , ( t ) = i t f ( t ) k ( 2 8 ) 4 、开关模态3 t 2 ，t 3 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 在t 2 时刻，关断q 4 ，原边电流k 转移到c 2 和c 4 中，一方面抽走c 2 上 的电荷，另一方面同时又给c 4 充电。由于c 2 和c 4 的存在，0 4 的电压是从零 慢慢上升的，因此q 4 是零电压关断。此时v a b = v c 4 ，v a b 的极性自零变为负， 变压器副边绕组电势上正下负，整流二极管d r 2 、d r 3 导通。由于四个整流管 同时导通，将变压器副边绕组短接，变压器副边绕组电压为零，原边绕组电 压也为零，v a b 直接加在谐振电感l r 上，因此，在这段时间里实际上谐振电 感l f 和c 2 、c 4 在谐振工作。原边电流i 口和电容c 2 、c 4 的电压分别为： f ，( f ) = lc o s w ( t t 2 ) ( 2 9 ) 式中： z e 。 酝( f ) = 乙厶s i n 埘( t - t 2 ) y c 2 ( f ) = - z ，1 2s i n 嘶一f 2 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ，翻：。：一。 ( 一1 2 ) 2 2 ，翻= = = = 一o t 4 2 l ，c 姆 在t 3 时刻，c 4 的电压上升到v i n d 2 自然导通，结束该开关模态。它的 持续时间为： k ：! i n - i 旦( 2 - 1 $ 1 n 21 3 一) ，= 一j ：o ) ： z p l 2 5 、开关模态4 t 3 ，t 4 】 在t 3 时刻，d 2 自然导通，将q 2 的电压钳位在零位，此时就可以开通q 2 ， q 2 是零电压开通。q 2 和q 4 驱动信号之间的死区时间t dr 枷， t 2 3 ，即： t a t s ) 1 s i n l 旦 ( 2 1 4 ) 脚81 赢 心 虽然此时q 2 已开通，但q 2 不流过电流，i 。由d 2 导通，谐振电感的储能 回馈给输入电源。由于副边四个整流管同时导通，因此变压器副边绕组电压 为零，原边绕组电压也为零，这样电源电压v i 。加到谐振电感l r 两端，原边 电流i p 线性下降。 f ，o ) = f ，( f 3 ) 一孚o t 3 ) ( 2 1 5 ) 压 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 到t 4 时刻，原边电流从i p ( t 3 ) 下降到零，二极管d 2 和d 3 自然关断，q 2 和 q 3 中将流过电流。开关模态4 持续的时间为： t 3 4 = l ， j ，也) ( 2 - 1 6 ) 6 、开关模态5 h ，t 5 】 在t 4 时刻，原边电流由正方向过零，并且向负方向增加，流q 2 和q 3 。 由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍有两个整流管提供回路， 因此原边绕组电压仍然为零，加在谐振电感两端的电压是电源电压v i n ，原 边电流反向线性增加。 f 。o ) = 一- 7 - t - t 4 ) ( 2 1 7 ) 厶r 到t 5 时刻，原边电流达到折算到原边电流一i l 永5 ) k 值，该开关模态结束。 此时，整流管d r l ，d r 4 关断，d r 2 、d r 3 流过全部负载电流。开关模态持续 的时间为： t ：兰：垒业墨 (2一)45 1 8 = 二号二 2 。 r “ 7 、开关模态6 t 5 ，t 6 】 在这段时间里，电源给负载供电，原边电流为： i p 一等等 ( 2 - 1 9 ) 在t 6 时刻，q 3 关断，交换器开始另一个周期的工作，其工作情况类似于 上述的半个周期。 四、变换器实现z v s ( z e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n g ) 的条件和策略 从移相控制零电压全桥变换器的工作原理可以知道，要实现开关管的零 电压开通，必须有足够的能量用来抽走将要开通的开关管寄生电容( 或外接 电容) 上的电荷，同时给同一桥臂关断的开关管的寄生电容( 或外接电容) 充电，考虑到变压器的原边绕组电容，还要有一部分能量用来抽走变压器原 边绕组寄生电容c 住上的电荷，因此必须满足下式： e g 2 + 去c 吆+ 去c m = 巳圪2 + 寺c m ( f = 膳耐，t a g ) ( 2 - 2 0 ) 对超前桥臂，在开关过程中，输出滤波电感l f 是与谐振电感l r 串联的， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 此时用来实现z v s 的能量是l f 和k 的能量。一般l f 很大，在超前臂开关过 程中，其电流近似不变，类似一个恒流源，这个能量很容易满足式( 5 1 9 ) 对滞后桥臂，在开关过程中，变压器副边是短路的，此时整个变换器就 被分成两部分，一部分是原边电流逐渐改变流通方向，其流通路径由逆变桥 提供；另一部分是负载电流由整流桥提供续流回路，负载侧与变压器原边没 有关系。此时用来实现z v s 的能量只是谐振电感中的能量，要实现z v s ，则 必须满足： 11 寺工，z 2 2 g 圪。+ 去c 豫。 ( 2 - 2 1 ) 二 显然，超前桥臂容易实现z v s ，而滞后桥臂则要困难些。只要满足条件 使滞后桥臂实现z v s ，那么超前桥臂就肯定可以实现z v s 。因此变换器实现 z v s 的条件就是式( 2 2 1 ) 。要满足此式，要么增加谐振电感，要么增加1 2 。 l 、增加励磁电流 对于一定的谐振电感，必须有一个最小的1 2 值1 2 埘。来保证电感l r 中的能 1 量去，j k 能实现z v s 。有文献提出了用增加励磁电流i m 的办法来实现z v s ， 二 实质上就是提高h 。m 由于增加了励磁电流，原边电流在负载电流的基础上 又多了一份励磁电流，因而增加了原边电流的最大电流值，1 2 相应的变大。 但是励磁电流的增加，变压器的损耗也相应增加。因此在励磁电流的选取上， 应充分考虑器件和变压器损耗。 2 、增大谐振电感 由于励磁电流与负载无关，因而在轻载时，变压器的效率很低。实现z v s 的另一种方式时增加谐振电感。要在一定的负载范围内实现z v s ，就可以知 道一个最小的负载电流，根据这个电流，忽略励磁电流，可得到1 2 最小值1 2 。i n 利用式( 2 2 1 ) 计算出所需的最小谐振电感。这也是本变换器的谐振电感k 的设计原则。 五、变压器副边占空比丢失的现象 副边占空比的丢失是移相控制零电压开关全桥变换器中的一个重要现 象。所谓副边占空比丢失，是指副边的占空比d s 小于原边的占空比d p ，其 差值就是副边占空比丢失d 1 。 产生副边占空比丢失的原因是：存在原边电流从正向( 或负向) 变化到 负向( 或正向) 负载电流的时间，即图2 7 中的【t 2 ，t 5 】和i t s ，t n 时段，在这 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 段时间里，虽然原边有正电压方波( 或负电压方波) ，但是原边不足以提供负 载电流，副边整流桥的所有二极管导通，负载处于续流状态，其两端电压为 零。这样副边就丢失了【t 2 ，t 5 和 t 8 ，t n 这部分电压方波。这部分时间与二分 之一开关周期的比值就是副边的占空比丢失d 1 。，即： 九；且：! 兰：坠二垒业型( 2 - 2 2 ) 一正2+ z 六、脉冲放电及能量反馈电路 脉冲放电及能量反馈电路如图2 8 所示，电路由开关元件q 5 及滤波电感 l f 组成，此电路的功能是提供脉冲放电通道并将放电电能反馈到滤波电容 c b ，在正脉冲充电末期，为消除充电产生的电池极化现象，d c d c 变换电路 的开关元件全部断开，存储在滤波电感l f 中的能量全部转移到蓄电池组中， 在负脉冲放电期间，q 5 开通放电通道，蓄电池组的放电电能通过l f 反馈到滤 波电容c b 中，从而在消除极化现象的同时也避免了不必要的能量消耗。 8 c 图2 8 脉冲放电及能量反馈电路 2 2 3 3全桥变换器中功率开关元件的设计 一、开关元件的选择 典型的全控开关器件有电力晶体管( g t o ) 、门极可关断晶体管( g t o ) 、 场效应晶体管( m o s f e t ) 和绝缘栅极双极性晶体管( i g b t ) 等。 g t r 和g t o 是双极性电流缺点器件，由于具有电导调制效应，所以其通 流能力很强，但是开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 电力m o s f e t 是单极性电压缺点器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳 定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。而且它的导通电阻远远小于双 极性晶体管( b j t ) 的导通电阻。这使得它能代替b j t 成为高频开关电源的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 主流开关器件。也正是由于导通电阻小的m o s f e t 的出现，高频开关电源得 以迅速的发展。 而i g b t 是8 0 年代后期异军突起的复合型器件，是m o s f e t 和b j t 的 复合。它把m o s f e t 的缺点功率小、开关速度快的优点和b j t 通态压降小、 载流能力大的优点集于一身，性能十分优越。而且i g b t 的导通电阻比 m o s f e t 管的还要小，能够有效的减小开关电源的损耗。目前i g b t 在单片 机控制、开关电源以及要求快速、低功耗的领域有着广泛的应用。本系统选 择i g b t 作为功率开关器件。 本系统全桥功率开关器件选用富士公司的i g b t 模块2 m b l 5 0 n 1 2 0 ，其 v c e s 电压为1 2 0 0 v ，i c 电流为5 0 a ，i g b t 的驱动选用富士公司的驱动芯片 e x b 8 4 0 ，其电路及引脚说明如图2 9 。 国连接用于反向值置电瑷的澹渡电客 9 电嚣c + 2 。” 0 驱动输出 凰用于商步卜都蜂，以防止黼馔护蟠误 动作墩每分场厶不稔宅客) 蹴彘蝴出 0集电极电压盆硬 0 不接 电露( 盯 张 曲麴信撇c 。) 。骆冁默( ” 图2 9e x b 8 4 0 驱动电路 e x b 8 4 0 是混合i c ，能驱动高达1 5 0 a 、6 0 0 v 的i g b t 和高达7 5 a 、1 2 0 0 v 的i g b t 。因为驱动电路的延时1 s ，所以此混合i c 适合于高约4 0 k h z 的 开关操作，e x b 8 4 0 的使用电路如图2 1 0 ，使用时需要注意以下几点： 1 、i g b t 的栅射极驱动回路接线必须小于l 米。 2 、i g b t 的栅射极驱动回路接线应用绞线 3 、如果在i g b t 的集电极产生大的电压尖脉冲，那么增加i g b t 的栅 极串联电阻( r g ) 4 、 3 3 胪电容作用不是电源滤波器，而是吸收由于电源接线阻抗而弓 起的供电电压变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 图2 1 1e x b 8 4 0 的应用电路 2 2 3 4 全桥变换器中高频变压器的设计 这部分涉及到电磁方面，设计和测试相对困难，本题在此只进行了初步 探讨。 一、原副边变比 为了提高高频变压器的利用率，减小开关管的电流，降低输出整流二极 管的反向电压，从而减小损耗和降低成本，高频变压器原副边比应尽可能的 大一些。为了在任意输入电压能够输出要求的电压，变压器的变比应按照最 低输入电压v i 。i n ) 选择。选择副边最大的占空比为d 。，则可计算出副 边电压最小值v 。m 妯，为： | m ) ：鱼掣( 2 - 2 3 ) 其中，v o f 。 是输出电压最大值，v d 是输出整流二极管的通态压降，v l f 是输出滤波电感上的直流压降，所有电压的单位均为伏特( v ) 故变压器原副边变比k 为： x ：当堕( 2 - 2 4 ) 比) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 在本充电系统中，考虑到移相控制方案存在副边占空比丢失的现象，选 择副边的最大占空比为oh 8 5 ，则可根据式4 - 2 3 和4 2 4 计算出变压器的变化。 二、确定原边和副边匝数 首先选定一个磁芯，为了减小铁损，根据开关频率，参考磁芯材料手 册，可确定最高工作磁密b 。，那么副边匝数w 。可由下式决定： 吒= 觜( 2 - 2 5 ) 式中w 。的单位匝，氏为磁芯的有效导磁截面积，单位为m 2 ，磊的单位 为h z ，b 。的单位为t 。 根据副边匝数和变比，可以计算原边匝数为： w 口= k 。w ( 2 2 6 ) 2 3e p s 的三相逆变器设计 2 3 1三相逆变器主电路拓扑： 三相应急电源逆变输出部分主要包括三相电压型逆变桥及输出滤波器， 其结构如图2 9 ：逆变器的主电路采用由6 个i g b t 管组成的电压型全桥三相 逆变桥，电感l p 和电容c p 组成输出滤波器，当市电中断或者工作不正常时， 蓄电池的标称电压被加到直流总线上，通过由6 个i g b t 管组成的桥式逆变 器产生s p w m 波，再通过l p 、c p 组成的滤波器，形成三相正弦交流电给负 载供电。 u 图2 - 9 逆变输出主电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成，每桥臂导电1 8 0 0 ， 同一相上下两桥臂交替导电，各相开始导电的角度差1 2 0 0 ，任何一瞬间有三 个桥臂同时导电，每次换流都是在同一相上下桥臂之间进行，也称纵向换流。 滤波器是一种有选择性的四端口网络，它允许某些频率的信号通过，不 允许另一些频率的信号通过，允许通过的频率范围称为通带，不允许通过的 频率范围称为阻带。通带与阻带交界频率称为截止频率。一般三相逆变器采 用r 型的l c 低通滤波器 2 3 2逆变桥参数设计及i g b t 型号选择 一、智能功率模块i p m 智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 是一种集外围电路置于器件 内部的混合集成智能功率器件。它由高速、低耗的i g b t 芯片和优化的门极 驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路构成。由于其应用简便，可靠性高 的优点，i p m 己被广泛应用在无噪声逆变器、低噪声u p s 系统和伺服控制等 设备上。因此本文的e p s 系统中的逆变桥也采用i p m 构成。 二、i p m 的特点3 2 1 由于i p m 不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过 电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到c p u 或d s p 做 中断处理。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路 构成，因此既便发生负载事故或使用不当，也可以使i p m 自身不收损坏。其 突出特点有： ( 1 )开关速度快。i p m 内的i g b t 芯片都选用高速型，丽且驱动电路 紧靠i g b t 芯片，驱动延时小，所以i p m 开关速度快，损耗小。 ( 2 )低功耗。i p m 内部的i g b t 导通压降低，开关速度快，故i p m 功 耗小。 ( 3 )快速的过流保护。i p m 实时检测i g b t 电流，当发生严重过载或 直接短路时，i g b t 将被软关断，同时送出一个故障信号。 ( 4 )过热保护。在靠近i g b t 的绝缘基板上安装了一个温度传感器， 当基板过热时，i p m 内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。 ( 5 )桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有 效防止上下臂同时导通。 ( 6 )抗干扰能力强。优化的门级驱动与i g b t 集成，布局合理，无外 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 部驱动线。 ( 7 )驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源( 一般为1 5 v ) 就会造 成驱动能力不够，增加导通损坏。i p m 自动检测驱动电源，当低于一定值超 过1 0 p 时，将截止驱动信号。 ( 8 ) i p m 内藏相关的外围电路。缩短开发时间，加快产品上市。 ( 9 )无须采取防静电措施。 ( 1 0 ) 大大减少了元件数目。体积相应小。 三、i p m 的保护功能 i p m 具有精良的内置保护电路以避免因系统失灵或过应力而使功率器件 损坏。其保护功能的框图如图2 1 2 所示。由可见，如果i p m 模块中有一种 保护电路动作，i g b t 的栅极驱动单元就会关断驱动脉冲并输出一个故障信 号。 ( 1 ) 控制电压欠压锁定( u v ) 如果某种原因导致控制电压符合欠压条件，该功率器件会关断i g b t 并 输出故障信号。如果毛刺干扰时间小于规定的t d ( u v ) 则不会出现保护动 作。 翻2 - 1 2 口m 的保护功能 ( 2 ) 过流保护( o c ) i p m 采用带电流传感器的i g b t 来检测器件的实际电流。如果i g b t 的电 流超过数值并大于时间t d f f 。o c ) , i g b t 被关断。对超过o c 数值但时间小于t d f f 。0 c 的电流短脉冲，过电流保护电路将不予理睬。当检测出过电流时，i g b t 将被有控制的软关断，同时输出一个故障信号。软关断的作用是可以有效控 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 制关断大电流时产生的浪涌电压，从而避免冲击电压过高时对 p m 造成的损 害。 ( 3 ) 短路保护( s c ) 如果由于负载发生短路或系统控制故障导致上下臂同时导通，使流经 i g b t 的电流超过短路保护动作数值( s c ) ，i p m 内置短路保护电路将启动软 关断，关断i g b t 并输出一个故障信号。由于新型的i p m 采用了一种称为“实 时电流控制电路( r t c ) ”的技术，它直接监测i g b t 驱动的末端电流，将s c 检测和关断之间的响应时间减小到不足l o o n s ，从而大大减小了短路电流的 幅值、功率应力和电压尖蜂，有效地保障了i p m 的安全。 ( 4 ) 过热保护( 0 t ) 在靠近i g b t 芯片的绝缘基板上安装有一个温度传感器。如果基板温度 超过热动作数值( o t ) ，i p m 内部控制电路将截止栅极驱动，使控制输入信 号无效，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。为避免过热保护频繁动 作，在过热动作值o t 和过热复位数值之间也设有2 0 0 c 的差值。 四、i p m 的选用 i p m 的选用主要依据是以下两个指标：一是功率管的耐压值，二是根据 i p m 的过流值确定峰值电流。 i p m 所承受的的最大电压可由下式确定 u = 一 ( 2 2 7 ) 如果输入端输入直流电压过低，经滤波后输出的正弦交流电压将不能达 到幅值要求，根据采用s v p w m 调制方法的相关原理可知，在满调制时，输 出的相电压基波峰值可达到直流母线电压的1 3 倍，所以直流输入电压应满 足： r ， 一 等2 = 3 1 1 v ( 2 2 8 ) 所以：u 4 9 + 3 1 l = 5 3 8 7 v ( 2 2 9 ) 即：矾御必须满足下式 u 。2 5 3 8 7 v( 2 3 0 ) 而流经i p m 的峰值电流可由式( 2 3 1 ) ( 此式为三菱公司提供的经验公 式) 确定j 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 p o l 4 2 r 1 嘴值2 r 1 p f x 3 v a c 式中：p 一为系统的输出功率 o l 一为系统的最大过载因数 r 1 1 p f 为电流纹波脉动系数 为系统效率 为功率因数 v a c 一为三相交流线电压 取l o k w 取1 2 0 取1 2 0 取0 8 取0 9 8 取3 8 0 v ( 2 3 1 ) 则有： 。：业业堂堂犁三兰堑堕_ 3 9 5 a ( 2 3 2 ) 1 啦值0 s x o 9 8 x 历3 8 0 一 所以，对i p m 模块其最大电压应力应 5 3 8 7 v ，最大电流应力应 3 9 5 a ，在实 际选择时应留有一定的裕量，本系统最后选取富士公司的智能i p m 模块 6 m b p 5 0 r a l 2 0 ，其耐压为1 2 0 0 v ，最大电流容量为5 0 a 。功率容量1 0 k v a 五、i p m 接口电路设计： 6 m b p 5 0 r a l 2 0i p m 的接口电路如图所示， 图2 - 86 m b p 5 0 r a l 2 0 接口电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 由图所见，四路直流2 0 v 电源提供给i p m 作为电源，其v c c u 、v c c v 、 v c c w 三相上桥臂器件需分别通过独立的工作电源，下桥臂器件则可共用一 个工作电源v c c ，下桥臂控制电源在i p m 内部已经连接好，控制电源上分别 连接o 1 u f 的电容为退耦电容。三相六个管子的驱动信号分别从v j 。u ，v i 。v ， v i 。w ，v i 。x ，v 讯y ，v l f i z 引入i p m 。前置驱动p r e d r i v e r 内含o c 、s c 、 u v 、o t 保护功能，图中p 、n 分别是直流侧正负两端，u ，v w 分别是三个 桥臂的中点。 2 3 3 输出滤波器设计 逆变器的输出滤波器设计： ( a )( b ) 图2 1 3 三相c 滤波器 一般三相逆变器采用r 型的低通滤波器，其工作原理是：设逆变器输出 电压的基波频率是五，载波频率是五，截止频率是石，由于五 领，因此有： 。j l l w s l ，m 正对基波k 次谐波信号 阻抗很高，1 1 6 7s c 对k 次谐波信号分流很大，因此，滤波器不允许基波k 次谐波通过，更不允许高次谐波通过。 l c 滤波器参数设计： 一、滤波电感设计： 图2 1 3 ( b ) 为三相滤波器其中的一相，滤波电感上的电流谐波是由电 感量l ，电感电压玎和作用时间三个因素所决定的。 ； ”= = 土( 2 3 3 ) 。 国 v l = k 一圪 ( 2 - 3 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 可知电感上电压圪的最大值出现在通过滤波器后的输出电压v o 为零 的情况下，这时有： r ， 圪一= e 一圪= 睾 ( 2 3 5 ) 二 式中，砚为直流母线电压，圪的最大电压持续的时间不妨设为t , , 2 ，瓦 为开关周期。这样，a t = t j 2 。电感值可由下式求得 7 丝墨 三：2 2 ( 2 3 6 ) ir 而逆变器的输出线电流可由下式得到： l = 器= 丽1 0 k 0 8 = 1 9 3 a( 2 3 7 ) 式中厶，以分别是a 相线电压和线电流。 设开关频率为1 0 k h z ，电感上电流最大纹波峰峰值a l l 为2 0 ： 生墨塑上 三= 22 = 馘 2 2 丕! 蜓：4 2 棚 2 0 1 9 3 ( 2 3 8 ) 式中屯为电感上电流允许的最大纹波峰峰值。 可见，当直流电压，开关周期瓦一定的情况下，只要设定电感上电流 允许的最大纹波屯就可以得到电感l 的值。 二、截止频率五的设计： d 一，j f 。 名 图2 - 1 4 滤波器的波特图 其传递函数为： o ) = 詈= 丽1 ( 2 - 3 9 )v ：l 一j 一十l 当w l = i w c w i 所对应的频率称为截止频率五，五与l ，c 的关系如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 正= 丽1 截止频率正与逆变器输出电压的t h d 有关。 t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 是总谐波失真度的简写， t h d = 垂囊矗( 薹露次谐波幅值2 j ( 2 4 0 ) 其定义为： ( 2 _ 4 1 ) 上式表明，t h d 表示电压谐波总含量，若谐波含量越高，则t h d 越大，在 e p s 系统里，我们希望输出电压的t h d 越小越好。 由前面的分析可知，最大的高次谐波含量出现在基波的k 次谐波及其边 频周围，即开关频率z 处，频率f 处谐波的幅值吃为： 11 吃2 面j w 丢, c 峰面j t o 丢5 c 警 ( 2 训 扣扛+ 裔徊扛裔 由于工 五，z j ，上式可改写为： 圪= 等巧= 去粤= 面南粤= 务誓 c z 舶， 忽略更高次谐波，逆变器输出电压的t h d 为： 芷堕 t f t d ：堡：五：!( 2 4 4 ) 啾2 厣小、擎枷一0 2 眦5 ) 式中，y o - 相逆变器输出相电压的峰值。 所以，在直流侧电压、输出电压和开关频率一定的情况下、只要知道系 统所要求得t h d 值，就可得到三相滤波器的截止频率五。 三、波电容c 的设计： 在滤波电感l 和截止频率工已知的情况下，滤波电容c 的大小可由式 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 正= 蕊1 j c = 南= 订西蕊1 面万2 6 - 9 8 本系统实际选取l = 4 m l ，c = 7 , u f ( 2 - 4 6 ) r 2 4 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 第3 章p w m 技术及矢量控制理论基础 随着逆变器在交流传动、u p s 电源、有源滤波器和无功补偿器等中的广 泛应用，以及高速全控开关的大量使用，p w m 技术已经成为逆变技术的核 心。p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 脉宽调制技术是一种以参考波为调制波， n 倍频率于调制波的三角波为载波，按相交关系得到开关信号的方法。其控 制原理是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基 本相同。 p w m 技术从大的方面可以分为三大类，即正弦p w m 技术、优化p w m 技术、随机p w m 技术。而正弦p w m 技术又可分为电压、电流、磁通正弦 几种方式。1 9 6 4 年a s c h n o u n g 和h s t e m m l e r 把通讯系统的调制技术应用到 交流传动逆变器中，产生了所谓的正弦脉宽调制技术，后来，b o w e s 又提出 全数字化s p w m 方案，以及规则采样数字化p w m 方案