（电力系统及其自动化专业论文）能馈式大功率交流调速试验系统的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 基于d s p ( t m s 3 2 0 f 4 0 ) 和p i c ( p i c l 6 c 6 3 ) 的控制电路，完成 了一台功率为i k w 的样机，并完成了功率实验。 关键词：交流调速试验系统、能量反馈、t m s 3 2 0 f 2 4 0 、p i c 、 多级h 桥并联变换器 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g n o f e n e r g y - f e e d b a c k , h i g h p o w e ra c s p e e d - m o d u l a t i o n e x p e r i m e n t a ls y s t e m e n e r g y - f e e d b a c ka cs p e e d - m o d u l a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mc a nb e u s e dt ot e s ta l lk i n d so fw o r kc o n d i t i o n so fa c e x p e r i m e n t a ld e v i c e si n d i f f e r e n tp o w e r r a t e s ，a n df e e d b a c k st h ee x p e r i m e n t a le n e r g yt ou t i l i t y t h i s s y s t e mp o s s e s s e s t h e a d v a n t a g e s ，s u c h a s g o o de x p e r i m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c s ，h i g hp o w e r - f a c t o r ，e n e r g y s a v i n g ，s m a l lv o l u m ea n dl i g h t w e i g h t e t c t h i sp a p e r b e g i n sw i t ha n a l y z i n gt h es y s t e ma saw h o l ea n dd i v i d e s t h es y s t e mi n t of o u r p a r t s ，t h e nd i s c u s s e st h ec i r c u i ts c h e m a t i c s ，c o n t r o l s t r a t e g y ，r e a l i z a t i o n m e t h o d so f e v e r yp a r t t h ed i f f e r e n tw o r k c o n d i t i o n sa n d p o w e rf l o wd i r e c t i o n a r e a n a l y z e dd e t a i l e d l y t h e c o n t r o lc i r c u i t so f e v e r yp a r tm a k eu s eo f d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) p r o d u c e d b y 1 r ia st h em a i nc o n t r o l c h i p ，w h i c hc a nc o m m u n i c a t ew i t hh i g h e rl e v e l i n d u s t r i a lc o m p u t e r a sa r e s u l t ，e v e r yp a r to ft h es y s t e mi sc o n t r o l l e d 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t b yt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rw h i c hu s e ss u i t a b l ec o n t r o lm e t h o dt oe v e r y p a r ta c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e e x p e r i m e n t a lm a c h i n e s m u l t i l e v e lh b r i d g ep a r a l l e l e dc o n v e r t e r w h i c hi ss u i t a b l et oh i g h p o w e rc a s e s ，i su s e da st h ee n e r g y f e e d b a c ki n v e r t e r t h i sp a p e rf u l f i u s t h i s s y s t e m r a t e d1 k ww h i c hu s e s d s p ( t m s 3 2 0 f 4 0 ) a n d p i c ( p i c l 6 c 6 3 ) a st h em a i nc o n t r o lc h i p so nt h eb a s i co fa n a l y z i n gt h e a d v a n t a g e s ，w o r kp r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g ye t c k e yw o r d s ：a c s p e e d m o d u l a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e m ， m u l t i l e v e lh b r i d g ep a r a l l e l e dc o n v e r t e r e n e r g y f e e d b a c k ，t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，p i c 北京交通大学硕士学位论文 概述 第一章概述 对交流调速的各个组成部分进行试验与考核是研究机构和工 厂的必经过程，自从世界上第一台电机问世，电机试验系统也紧跟 着出现了。伴随着电机及其相关技术的不断向前发展，交流调速试 验系统的技术也不断向前迈进。总的来说，可以将现在使用的交流 调速试验系统分为四种： 1 、阻性耗能试验系统 这种交流调速试验系统十分简单，就是在被测试的电动机输出 轴上直接接上一个可产生阻力矩的阻力设备，如图1 - 1 所示。 电动机 图1 - 1 阻性耗能试验系统 f i g u r e l - lr e s i s t a n c ee n e r g y - c o n s u m p t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e m 通过调节阻力设备的摩擦系数等参数，可以调节它对电动机输 出轴的阻力矩的大小，从而达到模拟实际负载的目的。这种方式的 最大的优点就是简单、易于实现，但它存在着诸多不足之处： 阻力设备通过其与电机输出轴之间的摩擦力来产生阻力 矩，难以准确控制阻力矩的大小。 电动机输出的动能都在摩擦过程中通过发热的形式散发 掉，造成能量的浪费。这一点在大功率系统中尤其突出。 阻力设备仅仅能模拟负载的静态和缓慢变化的过程，而 北京交通大学硕士学位论文 无法实时模拟真实负载的动态过程。 但由于这种方式的简便可行性，在一些对负载动态性能要求不 是很高的小功率场合，还会使用这种试验系统。 2 、电机耗能试验系统 这种试验系统是在被测试的电动机输出轴上对接一个直流发 电机，直流发电机的定子端直接接阻性负载，通过调节直流发电机 励磁电压来调节它的输出转矩，即电动机的阻力矩，如图1 2 所示。 电动棚童涟龌书髓 图1 - 2 电机耗能试验系统 f i g u r e l _ _ 2m o t o re n e r g y - c o n s u m p t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e m 这种方式最大的优点就是直流发电机调节转矩方便，如果采用 高性能的控制方式，也能够模拟实际负载的动静态特性，而且，实 现起来也不是很复杂。但这种方式也存在一些缺陷： 由直流发电机所发出的电难以被再利用，尤其是当电动机 运行在低速工况时。 无法完全模拟交流调速设备所有的运行工况。 需要庞大的耗能系统和冷却装置，增加设备以及所占用试 验室的面积。 在大功率场合，能量浪费十分严重。 北京交通大学硕士学位论文 概速 现阶段，国内的大部分试验系统都采用这种方式。 3 、简单能馈式交流调速试验系统 目前，国内还有采用以下方式的试验系统，原理图如1 - 3 所示。 i 耀发电机i 褥电旃嘏f 刮馘电机 图卜3 简单能馈式交流试验系统 f i g u r e l 一3s i m p l ee n e r g y f e e d b a c ke x p e r i m e n t a ls y s t e m 为了能将图1 2 中直流发电机发出的电利用起来，将直流发电 机所发出的电直接加到一个直流电动机上，再将一同步发电机接到 直流电动机上，使能量得以回馈电网。这种方式能够大大提高电能 的利用率，但其缺点也是很明显的： 一共采用了四台电机，增加了设备，成本提高。 控制难度增大，模拟负载由三台电机组成，必须联动的控 制 三台电机才能达到较理想的试验效果。 同步发电机的转速难以达到很高。而被测试的交流电机会 经常工作在高速状态。 4 、能量反馈式交流调速试验系统 能量反馈式试验系统方式的结构框图如图1 - 4 所示。 北京交通大学硕士学位论文 概述 电 网 直 流 能 u 习f 日吲fl 变 馈 几么= 厂一。_ 换 逆 变 器 电 网 图1 - 4 能量反馈式交流调速试验系统 f i g u r e l - 4e n e r g y - f e e d b a c ke x p e r i m e n t a ls y s t e m 由于交流电机固有的优势，包括价格便宜，结构简单，以及优良的 功率体积比，使得交流电机的应用范围越来越大。再加上各种高性能 控制方式的出现，使得交流异步电机在一些场合已逐步取代了直流 电机。所以现在各国都加强了对交流电机及其控制方式的研究。本 文所介绍的试验系统如图1 - 4 所示，我们可以称之为“能馈式交流 调速试验系统”。同以上三种方式相比，它具有以下优势： 由于采用了能量回馈的方式，使得整个系统的能量消耗仅 仅是电机内部的损耗和各种器件的损耗，能量利用率得到 大大的提高。 由于整个系统的能量消耗只是被测试电机功率的- - 4 , 部 分，所以采用这种方式能利用小功率等级的电源来试验大 功率等级的电机，而不需要对电源进行扩容。 对交流调速部分采用高性能的控制方式，它完全能够模拟 实际负载的各种动、静态特征。 通过对系统各个部分的控制，可以对各种交流调速系统的 各种工况进行试验，也可以对本系统中的其它部分进行试 验和考核，具有很高的实用价值。 本文对这种试验方式进行了一定的研究和探讨，并做了以下工 北京交通大学硕士学位论文 概速 作： 1 、对能馈式交流调速试验系统从原理到工作机制，以及各种 工作状态都进行了深入的分析和研究，并建立了一套试验系统。 2 、将系统中的四个部分进行集中控制，由上位机与四个部分 的主控芯片实时通讯，并根据被试验设备种类和功率等级的不同， 设定相应的控制方式完成对试验设备的考核。 3 、对于输出能馈逆变部分，提出一套适应大功率场合的逆变 方法：多级h 桥著联变换器。对其工作原理、实现方法进行了详细 的分析，并利用p s p i c e 软件对系统进行了仿真。 4 、根据理论分析和仿真的结果，采用d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 和 p i c ( p i c l 6 c 6 3 ) 为主控芯片设计控制电路，并利用相应的硬件产生 死区。 5 、对系统的电磁干扰进行了分析，并采取了相应的措施消除 这些干扰。 6 、设计了一套适合系统要求的主电路和输出工频变压器，完 成了小功率的试验系统，并得到了理想的试验波形。 第二章详细分析了整个系统，对系统中各个部分的工况及测试 方法进行了讨论；第三章分析了多级h 桥变换器的系统特点、工作 原理，对系统功率因数的校正和输出低次谐波的抵消进行了详细的 分析；第四章介绍了系统主电路的设计与实现，并简要介绍了辅助 电源的设计和驱动电路的设计；第五章设计了控制系统，给出了 d s p 和p i c 程序中主要的程序流程图，在实验中验证其可行性；第 六章结合实际电路对系统进行了电磁兼容的研究，并根据分析设计 了系统结构：第七章给出了利用p s p i c e 进行仿真分析的结果，并 对整个系统进行功率试验，给出了不同工况下的波形，表明了系统 北京交通走学硕士学住论文概述 的可行性：最后对于整个系统的研制过程中遇到的问题、实现的程 度和一些仍需解决的问题，给出了结论。 - 6 北京交通大学硕士学位论文 系统分析 第二章系统分析 2 1 系统构成及原理 在本系统中，可以采用上位机集中控制的方式，根据系统的工 作要求和状态，通过r s 2 3 2 接口传给四个部分的d s p ，各部分的 d s p 根据指令完成相应的工作。因此，本系统能够根据试验电机的 功率、电压、电流等参数设定设合要求的工作方式，具有试验对象 广泛、可模拟多种工况运行等优点，并最终将试验能量反馈回电网。 该试验装置的总体结构框图如图2 1 所示。 系统a系统b系统c系统d 图2 - 1 试验装置结构框图 f i g u r e 2 - 1e x p e r i m e n t a ls y s t e ms t r l l c t u r ed i a g r a m 本系统各部分的基本功能如下： 系统a ：将电网电压经得到系统所需要的电压，再进行整流， 得到稳定的直流电压。 系统b ：经过逆变器逆变后，得到交流调速系统所需要的交流电 电 两 北京交通大学硕士学往论文 系统分析 压：电机与一同轴直流发电机相连，将电动机旋转产生的动能重新 转换为电能。 系统c ：用一个d c d c 电路将发电机所输出的直流电压提高 到符合后续电路的要求。 系统d ：利用能馈逆变电路将能量反馈回电网。 2 2 系统工况分析 本试验系统主要用于试验各种交流调速试验系统，同时也可对 系统中的其它部分进行试验，或者是同时测试。在本节中，就在测 试交流调速部分时的工作情况进行分析。 根据交流电机的不同工作状况，将系统的工况分为三种情况： 牵引工况、制动工况、零转速一恒转矩工况。 2 2 1 牵引工况 电 网搠：团9 直能一 流馈 变逆 一 换变 abcd 图2 _ 2 牵引工况下的能量流动方向 f i g u r e 2 _ 2e n e r g y f l o wd i r 砒ni nt r a c t i o nc o n d i t i o n 电 网 北京交通大学硕士学位论文 系统分析 在牵引工况下，整个系统的工作原理为： 将电网电压经得到系统所需要的电压，再进行整流，得到稳定 的直流电压；经过逆变器逆变后，得到交流调速系统所需要的交流电 压；电机与一同轴直流发电机相连，将电动机旋转产生的动能重新 转换为电能；用一个d c d c 电路将发电机所输出的直流电压提高 到符合能馈逆变电路的要求；利用能馈逆变电路将能量反馈回电 网。 系统工作时的能量流动情况如图2 2 所示。 2 2 2 制动工况 电 网 。堕霎流动左塑 一、 0 二 | 刀：艮眙岭 直能 一 流馈 变逆 换变。 i 电 网 图2 - 3 制动t 况下的能量流动方向 f i g i l r e 2 - 3e n e m y f l o wd i d o ni nb r i n g 删i f i o n 在被测试的设备处于制动工况时，控制交流试验系统的三相逆 变器工作在电压一电流坐标的第三象限，即电压为正，电流为负。 此时，逆变器向输入侧回馈能量，可通过控制系统a 的工作模式使 其工作在逆变工况下，就实现了将试验能量回馈给电网的目的。同 时，在制动时，需要控制同轴发电机提供一个制动力矩，因此，发 北京交通大学硕士学位论文系统分析 电机要通过系统c 和系统d 从输出侧电网吸收能量。 系统在制动工况时的能量流动情况如图2 - 3 所示。 2 2 3 零转速恒转矩工况 在考核交流电机时，经常要测试它的启动特性，其中最重要的 就是测试其在启动时能否实现零转速一叵转矩。一般的试验系统无 法模拟这种负载特性，在本系统中，通过对系统各部分的协调控制， 可以使交流电机工作在零转速恒转矩共况。 并励式直流发电机励磁方式的简化电路如图2 4 所示。由并励 直流电机的的特点可知，电机的电磁转矩与电枢电流的关系为： t d 也小 m 。凹s ( 2 1 ) i 图2 _ 4 并励式直流发电机的励磁方式 f i g u r e 2 - 4p a r a l l e lf l u x - e x c i t e dm e t h o do f d c g e n e r a t o r 由式( 2 - 1 ) 可知，在零转速一匾转矩工况下，控制系统d 使其工 作在整流工况下，即由电网获得能量，并控制输出电压与电流，使 北京交通大学硕士学位论文 系统分祈 发电机产生一个恒定的反力矩。要使试验电机启动工作，必须克服 这个力矩，也就使电机工作在零转速一恒转矩工况下。 在这种工况下，能量流动情况如图2 5 所示。 电 网 能量流动方向 = ) 4 - - | 刁：囡 直能 一 流馈 变逆 换变 。 abcd 电 网 图2 - 5 零转速恒转矩工况下的能量流动方向 f i g u r e 2 - 5e n e r g yf l o wd i r e c t i o n i nz e f or o t a t es p e e d - c o n s t a n t t o r q u ec o n d i t i o n 2 3 能馈逆变部分 在本试验系统中，输入整流部分、交流调速部分、升压部分以 及能馈逆变部分都是相对独立的系统，各个部分都可以独立设计实 现，只是需要考虑控制芯片与上位工控机通讯，在试验时，根据系 统的工况协调工作。 本文的工作重点是第四部分：输出能馈逆变电路。本部分是本 论文的重点部分，对于能馈逆变有很多中实现方式，有四象限脉冲 整流器、逆变器等方式，但是由于本系统要使用于大功率的场合， 而由于开关器件耐压、耐流的限制，导致这些逆变方式都无法实现 大功率。目前，在大功率场合，多采用多级变换器并联或串联的方 北京交通天学硕士学位论文 系统分析 式实现大功率。 本文采用一种多级h 桥并联变换器，即使用九个h 桥并联工作， 然后通过输出侧的工频变压器的叠加，输出要求的电压和功率；同 时，可以通过合理地控制开关管的触发脉冲和变压器的变比可以消 除低次谐波。在下面几章中，将就多级h 桥并联变换器进行深入的 分析和研究。 一1 2 北京交通大学硕士学位论文 多毁h 桥变换器分析 第三章多级h 桥并联变换器分析 3 1 系统特点 电力电子器件随着容量的增大，其所容许的开关频率越来越低， 所以在大容量变换器中面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。解 决此矛盾的方法有三种：一是用容量小但开关速度相对较快的器件 进行串并联已达到容量和开关频率的要求：二是用多台独立的小容 量变换器并联使用；三是用多重化主电路实现大容量变换器。其中 第三种方案最为合理有效。与第一种相比，第三种方案在满足容量 要求的同时，还可以提高等效开关频率。与第二种相比，除可提高 等效开关频率外，只需一套控制电路，在设计上更为简单、经济。 基于以上分析，本设计采用多重化实现大容量电压型变换器。 系统主电路主要由1 8 脉冲电压型逆变器、直流储能电容器及系统 的输出变压器组成，可控制工作在整流工况、逆变工况、无功超前、 无功滞后四个象限；能够独立快速地按照命令在2 0 m s 内改变有功 或无功：可实现模块化设计，并把电能反馈回电网。因此，这种变 换器可广泛应用于电网的无功补偿和能量反馈。采用电压型逆变器 是因为它只需开关组件具有单向阻断能力，而电流型逆变器需要开 关组件具有双向阻断能力。 目前，这种变换器主要应用在能源调节系统( p c s ) ，如燃料 电池能源系统、储能系统、无功补偿、有源滤波、电源稳定控制系 统( 如u p s ) 、变频器、电压控制等。尤其广泛应用在柔性交流输 电( f a c t s ) 中的无功补偿，如新型静止无功发生器( a s v g ) 。 1 3 北京交通大学硕士学住论文 多级h 桥变换器分析 1 9 8 8 年以前，只有容量在1 4 5 m w 问的p c s 得到应用。1 9 8 8 年，美国电力研究所( e p r i ) 成功研制1 0 m wg t op c s ，并由g e 公司生产，在美国加州作为负载水平测量和能量管理系统应用于加 州南部埃迪森电网，以此鼓励储能电池向电网反馈系统的商业应 用。 由于其具有工程上易实现大功率、批量生产；维护维修性强， 可不停机进行局部维护维修；有很强的故障诊断、有功无功电量统 计功能等优点，在其它国家也得到了青睐。 在国外，日本关西电力公司与三菱电机公司于1 9 9 1 年研制出 8 0 m v a r 的a s v g 装置并投入实用；此外，日本日立公司叶开发出 了5 0 m v a r 的a s v g 装置，并已运行于东京电力新信浓变电站；美 国电力研究所( e p r i ) 目前与西屋公司共同开发t 0 0 m v a r 的a s v g 装置。 在国内，在这方面至今还没有较全面的研究成果。1 9 9 4 年研制 大容量a s v g 被列为电力部重点科研攻关项目，同年在电力部的支 持下，河南省电力局决定和清华大学共同研制一台3 0 0 m v a r 的中 间工业试验装置。该装置已于1 9 9 5 年8 月在清华大学并网运行， 并在河南孟岩经受了电弧炉冲击负荷和1 0 电压不对称工况的考 验。 多级h 桥并联变换器系统具有以下优点： 1 、系统逆变时，运行在功率因子约等于一1 的工况下，不污染 电网，并可以对电网上的谐波进行补偿。 2 、开关管上通过的都是方波，_ 歼关损耗小，系统效率高，可达 9 5 以上。 3 、以d s p 为主控芯片，系统具有良好的动态特性及较快的响 北京交通大学硕士学位论文 ；级h 桥变换器分析 应速度。本系统采用公司的d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 为主控芯片， 4 、采用集中分布式控制，具有很强的故障检测和有功、无功 电量统计功能。 5 、每个h 桥与系统为触点式连接，可以在不停机的状态下进 行局部的维护、维修。 6 、可以通过增加h 桥的数目提高输出功率，在工程上易于实 现。 7 、系统采用冗余设计，在局部开关管出现问题时，系统可正 常工作。 8 、电压等级较低，使开关管具有较低的d v d t 值，开关管及续 流二极管上的损耗较小。 3 2 主电路原理 主电路原理图如图3 - 1 所示。t 。为变压器( 左边为原边，右边 为副边) ，c 和c d 为支撑电容，c f 与变压器副边漏感构成l c 低通 滤波器。 每个开关管的漏源极间反并联一个快恢复二极管，以保证续流 的可靠性、减小恢复损耗( m o s 管内部寄生的反并联二极管不宜 用作续流二极管，因为它的反向恢复时间较长，尤其是高耐压的 m o s f e t ，有时长达1 1 ts 。当然，在大多数的m o s 管中，厂家已 经在其内部封装有一个快恢复二极管，与m o s 管管芯反向并联， 这在使用时就方便多了) 。 北京交通大学硕士学位论文多级h 桥变换器分析 0 。超前0 。滞后 + 辑喇_ 出揣揣一品一 c f = 十耢喇 揣描揣哥 c f = 、氛广r 氕j 钳1 1 一、j 1 1 1 a j a - y 、一 删。 图3 - 1 多级h 桥电路原理图 f i g u r e3 - 1s i m p l i f i e dc i r c u i td i a g r a mo fc o n v e t e r 整个系统由上、中、下三个p c m ( p o w e r c o n v e r s i o nm o d u l e ) 构 成，每个p c m 结构完全相同，不同的是三个部分的电压控制向量 依次相差2 0 。；每部分由三个h 桥构成，每个h 桥独立工作，三 个h 桥之间电压相位依次相差1 2 0 。：每个开关管的触发信号为 5 0 h z 、1 8 0 。导通型的方波；每个h 桥的两臂之间接变压器的原边， 共计9 个单相变压器，其中变压器t l l 、t 1 2 、t 1 3 的副边由一个绕 组构成，变压器t 2 1 、t 2 2 、t 2 3 、t 3 1 、t 3 2 、t 3 3 的副边由两个绕 组构成。对每个h 桥进行适当的控制，就可以在变压器副边叠加出 一个十八阶梯波，等效为正弦波。 9 个变压器的副边采用“曲折连接”方式，如图3 一l 右边所示。 每个变压器的变比按以下原则选择：“每个阶梯的电压值应和该阶 梯相对零电压的相移的余弦值成正比。”该系统中的相移为2 0 。， 所以变压器副边匝数按以下比值选择： 北京交通大学硕士学位论文 多级h 桥变换器分析 t 2 1 ( 两副边之和) = k + c o s l 0 。 t l l ( 单个副边1 = k + c o s 3 0 。 t 2 1 ( 高压副边) = k + c o s 5 0 。 ( 3 1 ) t 2 1 ( 低压副边) = k + c o s 7 0 。 k 值的大小按输出电压的要求而定。 3 3 电压控制原理 0 ：卜y _ 叫 m ：歪：l 疖 厂_ 豆r ! ! ! 厂 m 銎e d - ：扭二：f ： | ：ll 一一l - - - - - - - - ji l _ j 图3 - 2 单个h 桥的矢量叠加 f i g u r e3 - 2o p e r a t i o no fhb r i d g ev e c t o ra d d i t i o n 为了便于理解，可以将系统看作两个1 8 脉波逆变器，一个为 萨 北京交通大学硕士学位论文 多叛h 桥变换器分析 超前逆变器、一个为滞后逆变器。这两个逆变器产生的1 8 脉波互 相叠加，就得出输出波形，且随着两个逆变器间的控制相移的变化 而变化，即可通过控制两逆变器间的相移实现对输出电压幅值的控 制。下面以一个h 桥为例进行分析。 在图3 - 2 中，a 、v r a 分别表示h 桥逆变器的相应点电位， v t a 为变压器原边电压，由向量图可知，通过调节1 3 角可以控制h 桥的输出电压值。将所有的九个h 桥的电压按照一定的规律调节， 即可得到电压可调的十八阶梯电压输出。输出电压的幅值与h 桥的 电压幅值之间符合余弦定律，即有以下关系： k i = 2 + 限i c o s 必卢 ( 3 2 ) 其中，v j 为输出的十八阶梯波电压 v l 为h 桥超前桥臂的峰值电压 以u 相输出为例说明其实现方法：由图3 - 1 可知，u 相输出是 由t l l 、t 2 1 、t 3 1 的副边同名端相连，再与t 2 2 、t 3 2 的副边反同 名端相连。以t l l 的副边输出波形为基准，由上述的控制方法可得 t 2 1 副边、t 3 1 副边及t 2 2 、t 3 2 的副边反向后分别滞后基准2 0 。、 4 0 。、6 0 。、8 0 。设每个h 桥的超前桥臂与滞后桥臂的导通角相 差0 ，令1 3 = 8 0 。，可得下列波形，如图3 3 所示。 1 8 北京交通大学硕士学位论文 ；级h 桥变换器分析 i 几 一l 、_ 厂一l 一 _ |lj u 图3 3u 相输出波形 f i g u r e3 - 3o u t p u tw a v e f o r mo fup h a s e 3 4 相位控制原理 由输出的十八阶梯波的特性可以将变换器等效为一幅值和相 北京交通大学硕士学位论文多级h 桥变换器分析 位可调的电压源，它通过变压器副边的漏感( 也可另加电抗) 及引 线电阻与电网相连，等效电路及向量图如图3 - 4 ( a ) 所示。 其中，v s 为逆变装置输出向量，、，n 为电网电压向量，v l 、v r 分别为p c m 中的超前电压和滞后电压，x o 为电抗的电感量( 或变 压器漏抗) ，r o 为线间电阻量，x o 和r o 合为阻抗z o ，如果不考 虑电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如管压降、线路电阻等) ， 则r o = o 。 网流的基波分量i n ，( t ) 应与网压v n l ( i ) 相位相一致。如v s 。( t ) 为变 换器交流侧脉冲电压v s ( t ) 的基波分量，忽略线间电阻r 0 则有下面 的栩量方程式成立： v u ；v s t + c o v l i m ( 3 3 ) 其中变换器为整流( 牵引) 工况时，v w 和j ”- 同相位，变换器的输 出电压与网压关系如图3 4 ( b ) 所示；变换器是逆变( 再生) 工况，v 。 和一z 相位相反，变换器的输出电压与网压关系如图3 - 4 ( 0 所示。 k 图3 4 变换器与电网连接的等效电路及矢量图 f i g u r e3 4 m o d e la n d v e c t o r d i a g r a m o f c o n v e r t e r c o n n e c t e d t o g r i d 蔼 峨7儿， ，一 。z 膨 r隧 +叫 北京交通大学硕士学位论文 ；级h 桥变换器分析 1 、y 和b 的关系 图3 - 4 ( b ) 、( c ) 表示系统作整流和逆变运行的电压和电流的向量 关系。y 为逆变器输出电压与网压的相位差，0 为控制信号相移。 y 和b 的关系可以表述为：t 3 可以在不改变输出电压v 。相位的情 况下实现对v 。幅值的调节；同样，y 可以在不改变v 。幅值的情况 下实现对v s 相位的调节，即两者是相互独立的。 2 、功率因数控制原理 由前面的叙述可知，通过控制y 和b 可以实现对v s 相位和幅 值的任意可调，从而控制网压v w 与网流i n 的相位关系，以此实现 对电网的无功超前或无功滞后补偿。图( b ) 表示i n 与v n 相位相 同，变换器工作在整流( 牵引) 工况；图( c ) 表示i n 与v n 相位相 反，变换器工作在逆变( 再生) 工况。因此，通过控制各个开关管 的通断，可以得到理想的向量，使得电网的电压向量v n 与电流 向量i 。的相位相同或相反，使系统的功率因子在整流工况下约等于 1 ，逆变工况下约等于1 。 3 5 谐波补偿原理 3 5 1 单个h 桥变换器的谐波分析 单个h 桥的原理图及输出波形如图3 - 5 所示。对于单个h 桥而 言，以输入直流电压v d 的的中间电压端为基准，对a 点的电压进 行傅立叶分解，可得： 屹。i 等卜+ _ s 1 耐+ 扣一】 。， 北京交通大学硕士学位论文 多级h 桥变换器分析 同理，b 点电压为： 一v b = ? 。一妒 = 钟岍蛎1 s i n 删+ - s 1i n 5 叫 。巧 由式( 3 4 ) 和( 3 - 5 ) 可知，加在变压器原边上的电压，也就 是a 、b 两点的电压差v a b ： 得 叱叱= 盖鲁凼 一争c o s 警 a ， 稠 l li 乃 i 卜1 一竽l l_lt _ 一。 ；i 广 illi ll 图3 5 单个h 桥原理图和输出波形 f i g u r e3 - 5p r i n c i p l ed i a g r a m a n d o u t p u tw a v e f o r m so fo n ehb r i d g e 对于h 桥幅边的电压v a b ，可通过原幅边匝数比与原边电压求 2 。匕一2 瓦n s 。磊。等s ；n n 一参c 。s 譬 c s 其中，n p 为变压器原边匝数，n s 为副边匝数。 3 5 2 系统谐波分析 北京交通大学硕士学位论文 多级h 桥变换器分析 。乍鼍广邕j t 巷r 茜j 下西“ 图3 - 6u 相连接图及其电压矢量台成示意图 f i g u r e3 - 6c o n n e c t i o no fup h a s e a n d c o m p o s i n go f v o l t a g ev e c t o f s 以u 相为研究对象，其输出绕组的连接关系及其电压矢量合成 如图3 - 6 所示。设变压器t l l 所对应的输出电压相位移为o o ，为便 于计算，假设变压器原边匝数为1 ，则根据单个h 桥的傅立叶分析 结果可得各幅边绕组的输出电压： “。：c o s 3 0 。坐s i n 月似一嬖) c o s - 砷5 - ( 3 - 8 ) l i 22 。憋 呓。，= c 。s 5 0 。l 鲁s i n n 似一号一2 0 0 ) c 。s 掣2 ( s _ 9 ) t 略，l 丌 z 电一一s 盖4 v d 协( 耐一芝。炳警 呓。：= c 。s 7 0 。4 v d n t fs i n n 似一生2 4 0 。) c 。s 韭2 ( 3 1 1 ) 。彳五 = s 7 0 。 一4 。v 玎ds i n 啦1 4 0 0 ) c o s 譬( 3 _ ，2 ) 所以，u 相的输出相电压v u o 为： ! ! 童奎垩查兰翌主兰堡丝圭 兰竺旦竖壅堡墨坌堑 v u o = 嵋1 + v ：1 一l + 嵋2 一l + v 3 l 一2 + v 乞一2 = 盖4 州v a c o s 爿 1 盖4 州v a c o s 爿 硼0 。 s i n n ( 耐一争+ c o s 5 0 0 卜缸一芝捌m 胁t 叫 + c o s 7 0 。- 卜一芝一蛐。卜m 似一芝。叫 c 。s 3 0 。s i n n ( 耐要p + c o s s 。2 c o s n 一芝q 0 0 ) s i n ( ”，旷) + c o 栅。2 c o s , , 9 0 0 ) s 妯0 0 ) 磊盟m rf c o s 钟州耐一批加。 ( 3 1 3 ) + 2 c o s 5 0 。s i n ( n 7 0 。) + 2 c 。s 7 0 。- s i n ( n 5 0 。l 当n - - - - - 2 , 5 。9 , 1 3 。磊鲁 c o s 譬卜n 似一詈) b s 如。- 2 c o s 5 0 。s i n b 例) 一z c o s 加。嘶n o - s o o ) 当n = 3 ，7 , 1 1 , 1 5 定义上式中随n 变化的乘积因子为m ，则m 可表示为 ， c o s 3 0 6 - i - 2 c o s 5 f f s i 出7 f f ) + 2 c o s 7 0 s i 如5 f fi 当剐，9 ，1 王 m 。1 c o s 3 口_ 2 c o s 5 盯s 乏7 f f ) _ - 2 c o s 7 f f s i n ( n 5 f f i 三弓7 a 】，1 l ( 3 1 4 ) 由于v 相的各绕组的相位延迟u 相各个对应绕组1 2 0 。，可知 v 相的输出电压延迟u 相1 2 0 0 ，可得 。一，加。磊等 c 。s 警 s t ”似一芝一- z o m c ，出， 输出线电压为： 哳2 一2 。磊等 c 。s 譬 s i n n 似一参“n n 一芝一，z o 。，】m 2 4 - 北京交通大学硕士学位论文 多级h 桥变换器分析 由式( 3 - 1 5 ) 可以计算出：当n 等于5 、7 、1 1 、1 3 、2 3 、2 5 、 2 9 、3 1 ”时，m 的计算结果为0 ，即在相电压中不含有n = 6 m 1 ( m e n 且m 3 k ，k = l ，2 ，3 ，) 次谐波；当n 为其它奇数时，m 的计算结果 不等于o ，即在相电压中，除了基波外，还有3 、9 、1 5 、1 7 、1 9 等谐波。 由式( 3 1 6 ) 可知，当n 等于3 、9 、1 5 等3 的倍数时，输出 线电压为0 ，即在线电压中只含有5 、7 、1 l 、1 3 等6 k 1 ( k = l ，2 ，3 ，) 次谐波。由于相电压中不含有n = 6 m l ( n 且m 亨e 3 k ，k = l ，2 ，3 ，) 次谐波，因此线电压中也没有n = 6 m l ( m n 且m 3 k ，k = l ，2 ，3 ，) 次谐波，只含有n = 6 m 1 ( m = 3 k ，k = l ，2 ，3 ，) = 1 8 k 1 ( k = l ，2 ，3 ) 次谐波，各次谐波有效值为： ”竺= 宾；( 1 8 k 兰钺m 圳刍仔mu 。2 1 丽j f 上”“【( 1 8 “1 ) 争1 式中：e d 一直流侧电压( 1 l o v ) ，n p 一原边绕组匝数，k = l ，2 ，3 ， 由上述分析可知，在回馈电网的线电压中仅有n = 1 8 k 1 ( k = 1 ，2 ，3 ，) 次谐波，而高次谐波可以通过变压器副边漏感和电 容c ，组成的l c 低通滤波器消除，这样就可以保证变换器的输出电 压对电网基本没有污染。 北京变通犬学硕士学位论文 主电路与驱动电路的设计与实现 第四章主电路与驱动电路的设计与实现 从第三章的论述中得知多级h 桥具有易并联、易实现大功率等 优点，在电力系统中多用于兆瓦级的应用场合。本系统的设计与实 现主要为了验证本文提出的控制策略和同时驱动3 6 个开关管的控 制方法，因此本文设计了一套小功率系统，功率为i k w 。本章主要 讨论系统主电路的设计，并根据系统的要求设计了一套适合系统要 求的辅助电源系统和驱动电路。 4 1 主电路结构与参数选择 系统的工作条件如下所示： 输出功率：额定1 k w 输入电压：额定直流1 i o v ( 8 0 v 一1 5 0 v ) 输出电压：额定交流3 8 0 v ( 线电压) 输出电压频率：5 0 h z 拓扑形式：多级h 桥并联 冷却方式：强迫风冷 图4 - 1 单个h 桥电路图 f i g u r e4 - ic i r c u i td i a g r a mo fo n eh b r i d g e 在本系统中，共使用9 个h 桥，每个h 桥即为一个全桥变换器， 北京交通大学硕士学位论文 主电路与驱动电路的设计与实现 每个h 桥和一个工频变压器构成一个相对独立的系统，如图4 一l 所 不。 由于本系统为小功率系统，选用m o s f e t 管即可满足设计要求， 选择m o s 管时，主要考虑以下几方面因素： 1 、耐压要求：主要考虑开关管上浪涌电压不应超过开关管源 级和漏级的额定电压y 。； 2 、电流要求：源级峰值电流必须处在开关管开关安全工作区 以内( 即小于两倍的额定电流i ，) ； 3 、散热条件：在良好的冷却条件下，可选用额定值较小的开 关管模块。 根据系统的电流、电压等级，选用i r 公司的i r f p 4 6 0 ，耐压5 0 0 v ， 允许通过最大电流2 0 a ，通态阻抗0 2 7 欧。 4 2 驱动电路设计 功率m o s f e t ( 以下简称m o s 管) 为单极型器件，没有少数载漉 子的存储效应，输入阻抗高。因而开关速度可以提高，驱动功率小， 电路简单。但其级间电容较大，因而工作速度和驱动源内阻抗有关。 和g t r 相似，m o s 管的栅极驱动也需考虑保护、隔离等问题。 ( 1 ) 在逆变电路中，电路参数一般正常工作时能限制提供给m o s 管的d ，不致产生太大的位移电流而使m o s 管误导通。尽管如 此，为了抵抗不正常的电压尖峰( 如雷击等) ，还是采取定的措 旖，如在g 、s 间并5 1 2 0 k 的电阻，必要时并两只反串的稳压二 北京交通大学硕士学位论文主电路与驱动电路的亟计与塞堡 极管或一只齐纳二极管，以保证在任何时候都在土2 0 v 之间。 ( 2 ) 不同功率的m o s 管有不同的极间电容量，功率越大，极间 电容也越大，在开通和关断驱动中所需的驱动电流也越大。系统采 用的开关器件型号是i r f p 4 6 0 ，则开通驱动电流为 - 譬、，。一鱼y 。= 笔警* 1 0 v - o s ，2 a ( 4 - 1 ) 东芝公司生产的光耦t l p 2 5 0 的最大驱动电流可达1 5 a ，具有 直接驱动m o s 管的能力。 根据( 1 ) 、( 2 ) 所述，设计出m o s 管的驱动电路如图4 2 所示。 芦-j刮 时 j 亚释茄 t l d r i v ec i r c u i t ij s n u b b e r i l 一i一一j 图4 - 2 驱动及缓冲电路 f i g u r e4 - 2 d r i v ea n ds n u b b e rc i r c u i t 4 3 辅助电源设计 本试验系统的开关管驱动采用光耦隔离驱动，要使用较多的驱 动电源。基于此，设计了适合本系统控制电路的辅助开关电源。 控制系统中，d s p 和p i c 以及其它控制芯片需要+ 5 v 电源，同时 其它的控制及采样芯片需要+ 1 5 v 和一1 5 v 电源。主电路每个h 桥的 开关器件需要开关电源提供至少三路相互隔离的+ 1 5 电源作为驱动 北京交通太学硕士学位论文主电路与瞿动皇堕塑垦堕苎墨墨 电源。本文所介绍的开关电源利用一个控制芯片和一个变压器实现 了同时输出多路电压的目的。 4 3 1 反激变换器工