（电机与电器专业论文）基于逆变技术的工频磁场发生器的研究.pdf

基于逆变技术的工频磁场发生器的研究 t h er e s e a r c ho fp o w e r f r e i e n c ym a g n e t i cf i e l d g e n e r a t o rb a s e do n i n v e r t e rt e c h i l 0 1 0 9 y a b s t r a c t p 0 w e rf e q u c n c ym a 萨鲥cf l d dg e n e m t o i 。i so n eo ft l l e 砸i i l a 巧t e s t i n ge q u i p l c n t sf b r d e c 仃d m a g l l e t i cc o m p a 曲i l i t y ，w l l i c hs i 删l a t e sp o w e r 矗朗u e l l c ym a g i l 砸cf i e l dm t e i 椭c e s p r o d u c e db yv a r i o u se q l l i p 珈e n t sa l l dp o w e rs o u r c e si nv a r i o u se n v i r o n m e n l s 触ai i l a i n e q u i p m e n to fp o w e rf e q u e n c ym a g n e d cf i e l di m m 吼毋t e s t ，i th a sb c o o i i i ea i li 婶o n a n t i n s m l m e n ti nm ee m cd e s i 驴o ft l l ep r o d u c t sw i t l ln a t i o a lc o m p u l s o f yc 酬：i f i c a d o np u ti n p r a c t i c e p o w e rf e q u e n c y 呦g n e l i c6 e l dg 既e r a t o r sw ec a i l 舶d i i ln l em a 盘e tn o wa l lu s em e b 0 0 s t e rt oa 嘶u s tt t l ev o l t a g ea i l d l 朋u s e 廿l ec o n v e n 口t oc o n v e r tm ec u r r e n tt ot l l ep p e r n u m b 贸7 n l e ya r e m a i m yb i g i i lb u l k ，he a _ v y i n w e i g h t ，t 吐曲i nc o s ta n d h a r d t oc o n 缸o l 锄d i n l p v en l ep r e c i s i o n t t l ep o w e rf e q u e i l c ym 孵l e d c 丘d dg e n 啪t o ri n 删1 1 c e di nt l l i sp a p 口 u s e s 血ep o w e re l e c t r o n i cc o n v e r tt e c t m o l o g yt o 帮咀e r a t em ec 眦吼cn 好d e d i ti se a s yt o c o n 乜o l ，h i g hm 畔i s i o na l l da l s oh a v ea d v a i l t a g e si i lb u l l 【a n dc o s t a c c o r d i n gt o 廿l ev o l t a g ec o n 讯 e dc u 础l ts o u f c ep 血c i p l e ，t t l ed e s i 舻u s e sm e a c d c a ct o p o l o g y i tf o n o w st 量l ec u r r e r l t 删b a c kt oa l t e r 血ep u l s ew i d t i lb yc h a n 萨l l l e d u t y c y d e 吼dc o n s e q l l i e l l ya d j u s ta i l ds 切b i l i z e 山eo u 印u tc u r r e n t t h es m l c t i l r e0 fm em a i n c i r c u i ti s c o m p o s e do fm eu n c o n d 1 l e df u u 一晰d g ed e c 蛀f i e r ，b o o s t 咖v 哪f i l l l m 电e i n v 酬船a n dl cf i l 时w h i c hc h a n g e st l l er e c t a n 甜ew a v ei n t os 协ew a v e h lm ed e s i g no f c o n 廿o ls y s t e m ，m e1 i l i c r 0c i l i pc o i i l p u t e ra n da p p r o p r i a n v ec ：h i p sa r eu s e dt og e n e m t em e p u l s ew i d 血n l o d u l a d o nw a v e ，c o n e c t ，m m 娟) r ma i l dd i s p o s a lt l l es i g n a l s h l t e g r a t e dc h i p sa r e m o r es i m p l e ，r e l i a b l ea n de a s yt od e b u g 血a i ld i s 嘣滟c o m p o n e n t s t h eu s eo fc o m 匿l o i lm o d e r e j e c t i o nc i 枷i t s ，o p t i ) c o u p l e r ，w a t c h d o ga i l dd i 垂t a l 丘l t e rt e c l l i l o l o g i e si 蝉i r o v e s 毛量l e e l e c 曲m a 粤l e t i cc o m p a 曲m t yo f u l ew h o l es y s t 锄a n dg u a r 锄t e e l es y s t e mt 0w o r ks t a b l ei n c o m p l i c a t e dd e c 廿c i m a 驴e t i ce n v i 咖m e n t 1 1 1 ed e s 咖i d e aa n ds t e p so f 出ew h 0 1 es y s t e ma r ed e s 锄e di n 山i sd i s s e n a d o n 1 1 1 e p o w e rc i r c u i tt o p o l o g ys u i tf o rt | l ec u n e n ts o u r c ea l l d c o i 巾f o ls 廿a l e g ya r ei i l 仃d d u c e d ，m e i m p c i n a n tf o 姗u l a sa r ed e d u c e d ，t h em a i np a r 砸n e t e r sa r ec a l c u l a t e d ，a i l dt l l ei d e ao fh o wt o t h ew r i t e 山ep r o g r a mi si n u s 位l t i 甜i nt l l e 碰s s e n a 廿o n a n di nm el a s tp a 吨伽ed e s i g ni s p r o v e d 的b ef 萌s i b l eb ye n 们l a t ea n d t e s t k e yw o r d s ：p o w e rf h q u e n c ym a 印e t i cn d dg 哪e r a t o r ；m c u ；e m c ；i n v e r t e rp o w e r s u p p l y ；s p w m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 年坍彤胃 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编学位论文。 作者签名： 翌型笙 导师签名：轹芥 钲月旦日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 引言 伴随着电子、通信和计算机技术的快速发展和广泛应用以及电子电气设备、产晶的 大量使用，在工业、军事和臼常生活中，电磁环境也随之日渐恶化，电磁干扰及其抑制 问题日益突出。为使各种电子电气设备、产品在目趋复杂恶化的电磁环境中能够安全可 靠工作就必须对产品进行电磁兼容设计。自2 0 0 2 年5 月1 臼起实施的国家强制认证制 度3 c 认证也对产品的电磁兼容标准提出了具体的要求。为了确保电磁兼容设计的正 确性和可靠性，科学的评价设备的电磁兼容性能，就必须在研制的整个过程中对各种干 扰量、传输特性和敏感器( 受扰设备或元器件) 的敏感度进行定量测定，以验证设备是否 符合电磁兼容标准和规范；找出设备设计及生产过程中在电磁兼容性方面的薄弱环节， 为用户安装和使用设备提供有效的数据。因而电磁兼容试验已经成为所有电气和电子设 备厂家所不得不面对的问题。由于电磁噪声的时域、频域特性比较复杂，而且频率范围 经常高达几十g h z ，因而电路或设备中的分布参数对电磁发射与抗扰度的电平值影响都 比较大。目前数学建模计算以及计算机仿真的结果与实际情况之间还存在很大的误差， 该误差往往大到不可接受的地步。最终制定满足系统要求的指标，只有依靠实际测量。 至今在e 眦领域中对大多数情况仍主要依靠试验来分析、判断解决问题。正如国外一些 专家所指出的“对于最后成功的试验，也许没有任何其他领域像电磁兼容领域那样强烈 地依赖于试验”“1 ，因而实际测量对于电磁兼容领域来说，格外重要，并且由于电磁噪 声的特点，对于测量仪表、测量场地与测量方法要求也十分严格“1 。在实际工作中，电 磁兼容试验的范畴非常广泛，电磁兼容试验是涉及领域比较多而且比较深奥的一门科 学。 工频磁场是一种非常常见的电磁干扰信号，它能不同程度地使计算机监视器、电子 显微镜等设备产生电子束的抖动；使电度表等一类设备产生紊乱、内存数据丢失等问题； 使内部有霍尔元件等磁敏感器件的设备出现误动作等。而工频磁场发生器则可以模拟各 种工频磁场干扰信号用以检测处于这种磁场干扰下的电子设备的抗磁能力，因此工频磁 场发生器是工频磁场抗扰度试验的主要设备。它广泛的应用于生物医学、工业电子、通 讯、医疗电子、家用电器、办公室自动化等领域的电磁兼容设计、认证、制造、评估、 诊断和测试”“。 基于逆变技术的工频磁场发生器的研究 1 。2 工频磁场发生器的国内外研究现状 世界各国电磁兼容技术的发展很不平衡，发达国家如美国、英国、德国和日本等， 关于电磁兼容的研究，每年都投入大量的人力、物力和财力，开展很多相应的研究工作， 因此这些国家在关于电磁兼容技术的研究、标准的制定和电磁兼容测试及认证等领域已 处于世界领先地位随着电磁兼容测试技术的发展，工频磁场发生器作为一种重要的电 磁兼容测试设备也得到了不断的发展，已经有许多国外公司研制出成型产品并投放市 场，如瑞士的夏弗纳电子股份公司的i n a 7 1 2 和日本三基公司的n s 6 l o o o 。工频磁场发生 器在国内也有几家公司生产，如杭州远方电子的e m s 6 l o o o 等。但是国内产品性能指标 总体要略低于国外产品。 现行的工频磁场发生器大都采用变流器原理来实现，先利用调压器进行调压，然后 利用变流器产生一个所需的电流通入感应圈以产生磁场”1 。其波形的稳定性较差，糟度 提高非常困难，改变磁场等级的控制也较难实现，且体积庞大，价格昂贵。 1 3 本文的选题意义发讲究内容 本研究的主要工作旨在探讨种新型的工频磁场发生器的设计思路，包括用新的方 法实现所需的恒定交流电流的产生，智能化的控制、数据检测处理、系统的保护等。在 满足性能指标的前提下，其精度要提高，成本、体积和重量都要减小，以期用新方法代 替现行的方法。 本文通过理论分析、计算、仿真及实验研究，探讨了如何利用现代电力电子技术满 足电流源的各种技术指标。电力电子电路有多种拓扑结构，各种拓扑都具有其特定的优 缺点，适用于不同的输入与输出要求。根据稳流源的性能要求，我们寻找到一种合适的 拓扑，即采用b o o s t 升压与全桥逆变两级电路，实际上是一种电压源型电流源方案。3 。 通过对逆变电路的各种控制方法的理论研究、计算机仿真、实际试验，从而确定了最佳 控制方法。由于本研究要完成的设计最终是要面向应用的，所以除了在原理上得到实现 和验证，在确保其可靠性的基础上达到要求的性能指标是必要的。因此本设计对主电路 通过仿真验证了其可靠性，对控制、检测电路等部分做了一块p c b 板，并且编写了控制 程序，通过实验测试了其功能。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 工频磁场发生器设计方案 2 1 工频磁场抗扰度试验简介 工频磁场抗扰度试验是为了检查一些设备或系统当其附近导体有工频电流通过时， 该设备或系统对磁场骚扰的抗干扰能力。试验设备包括：一个用以产生磁场的感应线圈； 一个用以供给线圈电流的工频电源；被测品；一些必要的辅助测试及测量设备。试验时， 用一个o 2 5 m m 以上的铜板或铝板作为接地板，试品放在参考接地板上，其间用o 1 m 厚的绝缘物垫起。试品外壳通过试品本身的接地端子与参考接地板连接。试品应使用一 种适合于试品设备信号的无屏蔽电缆。所有电缆应有l m 的长度暴露在磁场中。如果采 用滤波器，则应接在离试品1 l i l 远的电缆上；滤波器应与参考接地板相接。以浸入法对 试品进行试验，将试品放入感应圈的中央进行测试，然后将感应圈分三次依次向同一个 方向转动9 0 。以测试试品暴露在不同极化方向磁场中的抗干扰能力，再根据产品标准中 的规定判断是否合格【1 0 】。国标g b 仃1 7 6 2 6 9 规定的工频磁场试验的等级如表2 1 所示吲。 表中每一级对应于不同环境下试品的抗磁要求，即一个特定的试品在其所处的环境中具 有表中相应等级的磁场时能够正常工作而不受磁场的影响。其中x 为一开放等级，可根 据试品所处的特殊电磁环境自行确定。 表2 1 工频磁场试验等级 t 曲1 e ，2 1p 0 w e r 雠q n c y m a g c f i e l d t e s t l e v e l 等级稳定持续磁场的试验等级l 3 秒短时试验的等级 磁场强度a m ll 23 31 0 43 03 0 0 5l o o1 0 0 0 x 特定特定 2 2 工频磁场发生器的设计要求 工频磁场发生器是工频磁场抗扰度试验的主要设备，主要包括电源和感应圈，其核 心部分在于如何设计能产生符合国标要求磁场的电流源。本设计中我们选用l m 1 m 的 基于逆变技术的工频磁场发生器的研究 方形感应圈，输入的电流为稳定的工频交流电流，该电流要求能够产生持续稳定条件下 各个等级的磁场。下面对感应圈中的电磁关系进行分析计算，从而得出所需的电流阀值。 感应圈中通入工频电流，根据麦克斯韦电磁场理论，此时场域中既有传导电流，又 有位移电流。由于在电磁场基本方程中存在位移电流这一项，因此时变电磁场具有波动 性。如果将位移电流忽略不计，则场量与源量就可以近似地认为具有同一瞬时变化的关 ) 系。传导电流- ，= y e 和位移电流= ；= f 缱露两个电流大小之比为 i a 西；l 船 i i 7 弦 ( 2 1 ) 其中y 为电导率，为角频率，占为介电常数。 当满足条件里兰l ，即上时，位移电流与传导电流相比足够小，可以忽略不计。 ， 而在本设计中，电流频率为工频5 0 h z ，= 2 矿，= 1 0 0 石，感应圈材料为铜，其电导率 y = 5 8 8 1 m ，因此满足国姜，故可以看成似稳场1 。对于似稳场，根据毕奥一 萨伐定律计算直长载流导线的磁场公式 曰：f 丛掣 ( 2 2 ) o o4 石 r 我们可以算得对于1 m 1 m 的感应圈，线圈中心的磁场b 和i 的关系为 矗：盟( 2 3 ) 石 而1 a 相当于自由空间的磁感应强度为1 2 6 pt ，通过计算可知要产生表2 1 中各等 级的磁场，所需韵电流如表2 2 所示。从表中我们可知需设计最大有效值可达1 1 1 4 a 的稳 流源才能产生满足要求的磁场。为留一定裕量，本系统按照1 4 0 a 的电流有效值进行设计。 大连理工大学硕士研究生学位论文 表2 2 各级磁场所需的电流值 n l b l e 22 1 kc u r r e m f o r e a c h l e v e l 等级 稳定持续磁场的试验等级 l 3 秒短时试验的等级 电流a l1 1 l 23 3 4 3l l _ 1 43 3 43 3 4 5 1 1 1 4 1 1 1 4 x 特定特定 2 3 新型磁场发生器的设计思路 由于传统的用调压器和变流器设计的电流源具有体积庞大，精度不高，价格昂贵等 明显的缺陷和不足，因此我们用新的思路来对系统中的恒流源进行设计。当然，本设计 中所需要的恒流源是指恒定交流电流源。“恒流源”这个术语，原则上是指这样一种稳 定电源：它的输出电流大小与其负载无关。实际上，大多数恒流源是用电子电路实现的， 而且仅当外部条件在一定的范围内变化时，才能保持输出电流基本不变【心。下面我们从 常用恒流源中寻找一种合适的思路。 2 3 1 恒流源的种类 ( 1 ) 用稳压源和电阻构成恒流源 用一个稳压源和一个电阻可以构成最简单的实用恒流源，如图2 1 所示。当串联电 阻r ；的阻值远大于负载电阻r ，的阻值时，通过负载的电流 1 1 护赢。葺僻t 吃) ( 2 4 ) 基于逆变技术的工频磁场发生器的研究 r l 图2 1 稳压源构成的恒流源 f i g 2 1c o 璐t a l l t c u r 北ms a u r c ec o m p o do f v o l t a g es o u r c e 与r 。无关，则虚线框内的电路可作为一个实际的恒流源，其中r 。被看作是该恒流源的内 阻。但是，当要求恒流僮稍大，负载变化范围较宽且惶流精度更高时，就要求输入电压 和串入电阻非常大，这种方法也就失去其实用价值。因此，为了获得高精度、宽范围、大 电流的恒流源，必须另找途径。 ( 2 ) 用恒流器件构成的恒流源 如有一种器件，具有如图2 2 所示的伏安特性，即在它的某一线段内( 图中a b 段) ， o u o u 图2 2 恒流器件的伏安特性 f i g 2 2t l l ev - ac h a r a c t e r i s t i co f c u n n 卜i n v a r i a b l ed e v i c e 通过其中的电流和它两端的电压变化几乎无关时，就可利用它来构成恒流源。 大连理工大学硕士研究生学位论文 由图2 2 可见，在工作点q 处，u 。在较大范围内变化时，只引起1 0 极小的变化， ，r ， 即等效电阻r = 三；挚很大。但是该处的直流电阻= 半较小，无需很高的电源电压， 剖o0 这正是要求的理想恒流器件。但是我们需要电流值为l o o a 以上的恒流源，并且是恒定交 流，我们很难找到满足这样条件的恒流器件，因此这个方法也不可行。 ( 3 ) 用负反馈放大器构成的恒流源 众所周知，电流串联负反馈可以提高放大器的输出阻抗。因此，采用如图2 3 形式 的负反馈放大器可获得恒流特性。 u r l 图2 3 用负反馈放大器构成恒流源 h 鲁2 3c o m t 蛐tc i e ms o n r c ec o m p o s e d0 f 越g 撕v ef 醅曲a c k 卸f l p u 蠡e r 在图2 3 中，r 。，r ，为负载电阻和负反馈电阻，u 。为稳定电压。设i o 为输出电流， 则反馈电压u ，= ，。- b ，放大器输出电压岛= l ( r 。+ 巧) ，而放大器输入电压为 e = 鲁 ：生f 生墨! ( 2 5 ) k 为放大器的电压增益。考虑到放大器输入电压和反馈电压的关系，则有 互= 以一u ，= u 。一，0 墨 ( 2 6 ) 解2 5 和2 6 两式，求得输出电流 ，02 蒜 ( 2 7 ) 与2 4 式比较，这里的( 1 + 置。) 墨相当于电压为茁。u 。的一个电源内阻。一般情况下， 增益置。1 ，即有( 1 + 置。) r = 世。墨吃，于是2 7 式简化为 厶2 素 ( 2 8 ) 可见，输出电流i 。与和负载电阻r 变化无关，因而是一个恒流源电路。本设计所 采用的思路就是由此启发而来的。 基于逆变技术的工频磁场发生器的研究 2 3 2 稳流源整体方案设计 常用的电力电子产品以稳压源居多，各种文献对其研究分析也很多。稳流源的特性 与稳压源相比，有其特殊之处： ( 1 ) 稳流源满载时，负载电阻最大，负载电压最高；轻载时，负载电阻最小，负载 电压最低。稳压源满载、轻载的情况与稳流源相反。 ( 2 ) 逆变输出l c 滤波器与负载构成的二阶振荡环节阻尼比为： 一 万 芒：生：盟至 7 2 r2 r ( 2 9 ) 满载时r 最大，l 最小，系统最不稳定：轻载时r 变小，e 变大，系统较易稳定； 所以闭环稳定性的设计主要考虑满载时的情况。稳压源满载、轻载时的稳定性与稳流源 相反。 ， ( 3 ) 输出开路时，负载为无穷大，电压很高，需要开路保护。而稳压源需要短路保护。 电力电子变换中所谓的电流源输入，通常是对电网电压整流之后，串接一个大电感， 限制电流的变化；电感与等效负载电阻的时间常数远大于一个开关周期，所以相对于一 个开关周期，我们可视之为一个恒流源；如果在数十倍或者数百倍开关周期内考虑电感 电流，电感的伏秒值不平衡，电感电流就会波动，不能再把电感电流认为是恒流源。由 于我们所用电网都是交流电压源，如果在一个相当长的时间内分析，所有电力电子装置 的输入都是电压源性质。本课题所研究的稳流源采用电压源型电流源方案，在常规的 a c - d c a c 变换拓扑中加入级d c - d c 变换，逆变部分的输入为一电压源，利用控制 电路的快速响应迅速调整负载电压，补偿直流母线、载流引线电阻，实现负载电流稳定 的目的。 稳流源工作条件和技术指标如下： ( 1 ) 输入电压：u 。= 2 2 0 v 2 0 ，频率：5 0 h z 。 ( 2 ) 输出电流：l 一1 4 0 a 交流可调。 ( 3 ) 最大输出功率p n = 2 k w 。( 感应圈本身功率较小，考虑到电路中连接部分电阻 相对感应圈不可忽略，故给出了较大的裕量。) ( 4 ) 负载为感性。 ( 5 ) 稳流精度l 、电流波形失真度茎5 。 功率主电路采用a c d c d c a c 拓扑结构。不控整流桥把市电变换为正弦半波。 d c - d c 电路由单相b o o s t 变换器构成，可以提高电网侧功率因数，降低网侧电流的t h d 值，升高整流输入电压，为逆变部分提供一个合适的直流母线电压。逆变电路为单相全 大连理工大学硕士研究生学位论文 桥拓扑，双极性s p w m 输出，完成正弦电压产生，快速调压稳流功能。逆交输出的高 频s 删波经过l c 滤波，得到平滑正弦波。通过电流反馈调节占空比来控制输出，使 负载电流稳定。 基于逆变技术的工频磁场发生器的研究 3 系统主电路设计 3 1 系统总体介绍 本次设计的目的是设计一个在1 1 4 0 a 之间可调的稳流源，设计思路在上一章己做 了介绍，下面就其电路总体结构设计及工作过程进行说明。系统的结构流程如图3 1 所 示。 图3 l 系统结构流程 f i g 3 1 t h e 丑o wc h 毗o fs y s t e ms 咖c 岫 该系统的工作原理是首先把2 2 0 v 市电整流滤波变成直流电压，然后经b o o s t 升压 后进行s p w m 全桥逆变，变成sp w m 波，再经输出滤波电路滤波为1 4 0 a ，5 0 h z 正弦交 流信号电压输出。另外，系统中c p u 根据输出采样电流值来控制s 删波发生器输出 的s 州波形参数，用s p w m 发生器产生的s p w m 波来控制驱动隔离电路去驱动功 率器件，从而把整流滤波后得到的直流电逆变成稳定交流电。该系统c p u 采用a t 8 9 c 5 1 ， s p w m 波发生器采用s a 4 8 2 8 三相s p w m 波发生器，这里我们只使用其一相输出波形， b o o s t 升压控制芯片采用1 1 4 9 4 ，主电路采用高压整流模块、m o s f e t 和p m 功率集成 模块，数据采样模块使用j c 2 5 4 3 。 32 主电路拓扑 系统主电路如图3 2 所示。此主电路主要由以下几部分组成：共模抑制环节，浪涌抑 制环节，b o o s t 升压电路，整流电路，桥式逆变电路和输出滤波电路。下面分别就各部 制环节，b o o s t 升压电路，整流电路，桥式逆变电路和输出滤波电路。下面分别就各部 分做详细介绍。 大连理工大学硕士研究生学位论文 接 卫科：厂 什1 1 掣 市 电 输 入 图3 2 系统主电路 f i g 3 2 碡m a i n c i r c u n 3 3 浪涌电压抑制 由氧化锌压敏电阻组成。当该电阻的端电压小于击穿电压时，其电阻值特别大，接 近断路；其端电压超过一定值后阻值将迅速下降，电阻接近短路，从而允许高达上千安 培的电流流过，起到对后级电路的保护作用。在本稳流源中由于采用2 2 0 v 市电供电， 考虑到市电电压较高时，最大输入电压的峰值约为3 8 0 v ，所以设计时选用4 0 0 v 的压敏 电阻，瞬时可流过电流3 0 0 0 a 。图3 2 中的r 1 即为此压敏电阻。 3 4 输入e m l 滤波器的设计 3 4 1 电源中的噪声问题 电源中，噪声是指直流基础电源输出电压中的脉动成分以及其他的交流分量。有些 噪声来自设备外部，如大负荷用电设备起动造成电网电压瞬时跌落、工频波形失真等。 有些噪声来自设备自身，如在功率转换电路中开关管从导通到截止或从截止到导通的瞬 态过程中，高速脉冲波形的电流、电压，尤其是脉冲上升、下降沿，其中包含丰富的高 次谐波分量易产生噪声，另外，在开关管高速工作耐，非线性元件、传输导线分布电感、 电容容易发生寄生振荡，加上器件本身高频特性的差异均有可能产生噪声。 3 4 2 滤波器设计 在本系统中，为了抑制交流电网和电源之间的相互干扰，在交流电网和电源输入端 之间加上e m i ( 电磁干扰) 滤波器，一方面，加上e m i 滤波器后，可以消除来自电网 的各种干扰对系统的影响，如开关的合闸和关断，雷击等产生的尖峰干扰；另一方面， 该滤波器也可以防止系统产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。勘m 滤波器主要由 工频低通滤波器和共模抑制元件组成，在系统设计中可以选用现成e m i 滤波器，考虑 到本系统的负载为感应圈( 无负载变化) 且电源频率较低故自行设计一个共模抑制环节 来进行滤波。 基于逆变技术的工频磁场发生器的研究 本电源的共模抑制环节如图3 j 3 所示，采用如下方法设计：把两个线圈和t 都绕 图3 ，3 共模抑制电路 f i g 3 3c o 删o nm o d es i g n a lr e s 订a i nc i r c u i t 在同一只磁环上，两组线圈匝数相同，线间排列均匀一致，绕组绕向相反，电流走向一 致。用m x 0 2 0 0 0 0 1 8 十8 4 5 ( 单位为m i l l ) 的磁环作磁芯。厶和l 绕组各绕7 0 圈，导线线 径为中o ，6 蛐，电感量为6 6 m h ，线圈外部用屏蔽层封装，交流电源从左端输入，从右 端送出至电子设备。由于输入电流通过两绕组所产生的内磁通是互相抵消的，磁芯不会 饱和，而加入高导磁磁芯后，电感量大大提高( 可很方便的做到毫亨级) ，抑制干扰能力 大大增强。当然，两根电源线上的差分干扰信号在磁芯内所产生的磁通并不能互相抵消， 但这类信号绝大部分被电容c 旁路( c 1 为o 3 3uf c 2 为o 4 7uf ) ，危害不大。对于其它 干扰信号( 如共模信号) ，由于自感电势和互感电势是相同的，如同接入高阻抗器件，故 能起到普通高频扼流圈的作用。 3 5 输入整流电路的设计 本课题设计的电源在额定状态下的技术要求为：输出电流1 4 ；o 从c ，输出功率5 k w ， 属于大功率电源，为了保持三相交流电源的对称性和减小电源的输入滤波电容等原因， 大功率电源一般采用三相电源作为供电电源。因此，本系统中采用三相桥式整流，滤波 电感和滤波电容组成输入整流滤波电路。 3 5 1 桥式整流电路的设计 ( 1 ) 整流桥的耐压： 整流二极管的峰值反向电压为： u * m ，2 = 2 2 0 ( 1 + 1 0 ) 2 = 3 4 2 v 取5 0 的裕量，则： u h 麟。= 3 4 2 x ( 1 + 5 0 ) = 5 1 3 v ( 2 ) 整流桥的额定电流 大连理工大学硕士研究生学位论文 电源的输出功率设计为2 k w ，电源的输入功率就随着电源的效率变化而变化，计 算时取电源效率最差时的值，设刀= 8 0 ，此时电源的输入功率 r 一= 只。8 0 = 2 5 0 0 w 最大输入电流 k 一2 磋= 志以凹a 根据以上计算我们选用上海整流器公司的型号为m d q 一1 0 0 a 的单相整流模块构成 整流回路。其反向重复耐压值为8 0 0 v ，平均电流为1 0 0 a 。 3 5 2 输入滤波电容的设计 输入滤波电容的值决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，而且要 在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进行设计。 三相电源经过整流后，输出直流电压，此时通过直流回路的平均电流最大值k 一为 k 2 跨= 篙州m a 其中u 。为交流输入电压最低时整流输出的直流电压的平均值 u 如棚= o 9 2 2 0 ( 1 一l o ) = 1 7 & 2 v 计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式是 c = 4 0 0 6 0 0 ，女一 ( 3 1 ) 所以c = 6 0 0 1 4 0 3 = 8 4 0 0 “f 因为本系统前面已经加入了滤波环节，其整流后纹波较小，所以本系统中输入滤波 电容取8 0 0 0u f ，实际中我们用一个4 7 0 0 肛f 电容和一个3 3 0 0 u f 电容串联组成。【1 3 】 3 5 3 输入滤波电感的设计 我们可以根据保持负载电流连续的要求来选择滤波电感l 。设最小负载功率 。= 5 0 0 w ，则： 矗= 岛。8 0 = 6 2 5 w = 志- 2 8 7 a 所以 l = q ：旦! ! 兰竺蛐b 唑! 兰兰! 壁兰! ：! ：3 - 4 9 m h 州d 。 3 1 4 2 8 7 基于逆变技术的工频磁场发生器的研究 取3 5 m h 。 3 6b o o s t 电路的设计 3 6 1 b o o s t 电路原理分析 b o o s t 变换器又叫升压变换器，其基本电路如图3 4 所示由开关s 、电感l 、电容c 组成，用以完成把电压v 升压到v o 的功能。 l 图3 4b o o s t 电路示意图 f 培3 41 ks k e 蛐m a po f b o o s t c 妇疽t r b o o s t 电路的工作过程是这样的：当t 导通时，如图3 4 所示，电流f ，流过电感线 圈l ，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈l 中。此 时，电容c 放电，r 上流过电流1 0 ，r 两端为输出电压v 0 ，极性上正下负。由于开关管 导通，二极管阳极接v s 负极，二极管承受反压状态。所以电容不能通过开关管放电。t 关断时，由于线圈中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保持i 不变。这样线圈l 磁能转化成的电压v i ，与电源v s 串联，以高于v 0 电压向电容c 、负载r 供电。高于v 0 时， 电容有充电电流；等于v 0 时，充电电流为零；当v n 有降低趋势时，电容向负载r 放电， 维持v 0 不变。 设开关动作周期为t ，d 1 为接通时间的占空比，职为断开时间的占空比，它4 | 】各自 小于1 ，连续状态时d 1 + d 2 = 1 。则闭合时间为五= 日t ，断开时间为五= d ，t 。在输入 输出电压不变前提下，当t 导通时，i 。线性上升，其增益为： 肾睾d 】i t 断开时，f l 线性下降，其增益为 ( 3 2 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 f l ：一毕d i ( 3 3 ) 由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等l 垃。l - | f ：【，所以 导d l i ：嫂) 二堕d 2 l ( 3 4 ) 化简得： 11 2 t 二酉k2 亩e ( 3 5 ) 3 6 2 b o o s t 电路元件参数的计算 为了分析问题的方便，把主电路中b o o s t 环节抽象出来，并将b 0 0 s t 电路的输入、 输出电压分别用u 和v 0 表示，b 0 0 s t 电路的等效电阻r 为5 0 q ( 此逆变电源负载电阻 极小，桥式电路的等效电阻约为5 0 q ) ，其等效电路原理图如图3 4 所示，其中v = 2 0 0 v ， k = 3 0 0 v 。本节所绘出的各点的工作电压、电流波形都是建立在上述分析的基础上的， 并且其中的参数在上节都有了说明。 按l 在周期开始时是否从零开始，可分为连续工作状态或不连续工作状态两种模 式。在连续状态下，输入电流不是脉动的，纹波电流随l 增大而减小。不连续工作状态， 输入电流i 。是脉动的。所以在设计l ，时要尽量使电路工作在连续状态，这就是设计电感 时的要求。为了节省篇幅，现仅给出连续工作状态时的主要工作点波形如图3 5 所示。 在i 。连续工作状态，开关周期t s 最后的时刻电流1 0 值就是下一个t 周期中电流i 。的 开始值。但是，如果电感量太小，电流线性下降快，即在电感中能量释放完时，尚未达 到m 。重新导通的时刻，因而能量得不到及时的补充，这样就出现了电流不连续的工作 状态。在要求相同功率输出时，此时开关管和二极管的最大瞬时电流比连续状态下要大， 同时输出直流电压的纹波也增加。因此我们要选择合适的电感值，使电路工作在电流连 续状态。由临界状况可推得l 的公式1 1 5 】 厶业笋强 ( 3 6 ) 薹三垄燮塑三塑堑垄竺矍箜塑壅 蟛 ili l1 一v 卜个叫 图3 5 主要参数各点波形 f i g 3 5w a v e f o 咖o f t i l em a i np a 娜七t e f s r 回惩仃具俘阴计算。田u 。2 0 0 v ，v 0 = 3 0 0 v ，由公式( 3 5 ) 司得d l = 0 3 3 又，= l o k h z ，可得：i = 1 0 0 邺，同时r = 5 0 q 。将上述公式代入式( 3 6 ) 可得 l 掣魍塑掣5 0 x 1 0 0 捌棚 输出电压纹波要求小于1 ，则由式 学：d l 善：之 ( 3 7 ) k1 工工舟c 、7 得f ：去罂监塑掣：3 0 0 h z “ r cd0 3 3 1 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 所以c = 击= 二一= 6 7 u f 尺厶3 0 0 5 0 由式 ，。，d 一2 老d ( 1 _ d ) 2 ( 3 8 ) 得，。= 志吾( - 一； 2 = s s 6 a u t m 。= = 3 0 0 v 3 6 3 b o o s t 电路元件的选择 在本设计中，b o o s t 电路只是作为系统的中间级，用来抬高逆变直流输入侧的母线 电压，也并非根据反馈信号调节输出的控制级，因此对器件要求相对逆变环节较低。本 设计选用m o s r 玎作为开关器件，以降低系统成本。 由前面分析可知，m o s h 强的最大反向电压为3 0 0 v ，通过的最大电流为5 5 6 a 。 留出5 0 以上的裕量，则m o s h 玎最大反向电压为4 5 0 v ，通过最大电流取1 0 a 。我们 选用s 田m c r o d e c 咖i c s 公司的m f p 4 6 0 ，其最大反向电压为5 0 0 v ，最大漏源电流为2 0 a ， 导通电阻为o 2 2 q 。 3 7 s p 洲逆变电路设计 3 7 1 s p 嗍技术的基本原理 p w m 控制就是将正弦波看成由n 个脉宽相等，但幅值各不相同的脉冲组成的波形， 根据冲量相等原理，用等幅而不等宽的矩形脉冲进行等效，使矩形脉冲的中点和相应正 弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积( 冲量) 相等，如图3 6 所示。 按照p w m 的基本原理，在给出了调制波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，p w m 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的 通断，就可以得到所需要的p w m 波形。 但是，这种计算是很繁琐的，调制波的频率、幅值变化时，结果都要变化。较为实 用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为 载波，通过对载波的调制得到所期望的p w m 波形。通常采用等腰三角形作为载波，因 为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制 信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信 号波幅值的脉冲，这正好符合p w m 控制的要求。 基于逆变技术的：【频磁场发生器的研究 s p w m ( s i n u s o i d a lp u i s ew i d t lm o d u l a t i o n ) 技术，是指调制信号正弦化的p w m 技 术。由于其具有开关频率固定、输出电压只含有固定频率的高次谐波分量、滤波器设计 简单等一系列优点，s p w m 技术成为目前应用最为广泛的逆变用p w m 技术。 1 、 图3 6p 眦原理示意图 f i 吕3 6s k 鼬c hm 印o f p w mm e o l y 3 7 2p w m 逆变电路的控制方式 根据三角波载波在半个周期内方向的变化，p w m 调制方法哥以分为两种情况。三 角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的p w m 波形也只在一个方向 变化的控制方式称为单极性p w m 控制方式，如图3 7 所示。 毵 、吨u 锱一 ；娜m 一 r轧一 帆w i 图37 单极性p 删控制原理 f g 3 7s i n g 】ep o l a r t yp w m c o n l r o lm e c h o d u“c 懒八八人k 。 vvvm 吼t _ 桶而 ， o 0 刨廿 u d 一 t t 图38 双极性p 州控制原理 f i g 3 8t w op o l a r i t yp w m c o n 仃0 im e t h o d 大连理工大学硕士研究生学位论文 如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的p w m 波 形也是在两个力向变化的，这时称为双极性p w m 控制方式，如图3 - 8 所示f l6 j 。 3 7 3 逆变电路参数设计 ( 1 ) 功率器件的选择 由于i g b t 把m o s h 强和g t r 的优点集于一体，既有输入阻抗高、速度快、热稳 定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、反向耐压高、承受电流大、对温度 不敏感等优点，而本设计对逆变输出波形要求较高，器件承受电流很大，因此，本设计 中的逆变桥用两对i g b t 来进行控制【l 8 1 。 i g b t 耐压 当输入电网电压为最高输入电压时，经b o o s t 升压后输出的最高直流电压为 u d c = 3 0 0 1 1 = 3 3 0 v 考虑各种因素的影响取5 0 的裕量，则i ( m t 的最低耐压为 u = u d c 堋；( 1 + 5 0 ) = 3 3 0 x 1 5 = 4 9 5 v i g b t 的电流 在一些参数未知的情况下，我们需要估算i g b t 的电流，以便选择i g b t 管。 输入电网电压经输入整流滤波后，直流母线上的最大直流电流为： h 一= 恕= 等观从 喜e 中u d c 。= 2 0 0 ( 1 1 0 ) = 1 8 0 v 所以可选择i g b t 的额定电流为2 5 a 。 i g b t 的抗干扰能力较弱，工作在复杂的电磁环境下容易损坏。尤其在高频情况下 对其驱动、保护电路，抗干扰设计都有很高要求。现在广泛应用的i g b t 驱动模块如默b 系列都有负偏压较低，过流保护阀值电压过高等缺点。考虑到本设计所处的电磁环境干 扰严重，为了提高系统的安全性，采用m m 集成功率模块来代替i g b t 。m 模块采用 i g b t 为核心器件，保留了i g b t 的所有优点，并