（电工理论与新技术专业论文）机载三相电源研究与设计.pdf

西北不业大学硕士论文:斑 匕扮 v , ， 加到r , d ; 两 端的电 压反向 于是电 容器c 向 负 载r 缓慢放电， 随 着放电的 进行， 二 缓慢下降。 当v , 为 负 半 周 期 时 。 当v . 到 v , i 时 ， 整 流 管。 1 , d : 导 通， v 通 过d z , d 。 向c 充 电 ， 电 容 器c 两 端 的 电 压 又 重 新 升 高 到 接 近v 随 后v 开 始 下 降 ， 由 于 v ,. 卜 1 i 西北t业大学硕论文:打或 夕夕 心云 缭 珍 夕 穿夸毋扩 所有的电能转换形式中， a c / d c 变换电路是最早出现的一种，自本世纪 2 0 年 代至今己经经历了以下三个发展阶段， 分别是旋转式变流机组即电动机发动机组、 静止式离子整流器、静止式半导体整流器。旋转式变流机组和静止式离子整流器 的技术经济性能均不及半导体整流器，因而在世界范围内己为后者所取代。通常 整流器包括e m i 抑制电路、整流部分、功率因子效正部分以及滤波部分。其中主 体是整流和功率因子校正两块电路。 如果采用晶闸管作为整流元件，则可以通过控制门极触发脉冲施加的时刻来 控制输出整流电压的大小，这种变流称为可控整流。如果采用大功率二极管作为 整流元件，则获得的是大小固定的直流电压，这种变流方式称为不可控整流，在 交一直一交变频器等电力电子电路中，大多采用不可控整流电路经电容滤波后提 供直流电源给后级的逆变器。根据交流电源相数，整流可分为单相整流和多相整 流，其中多相整流又以三相整流为主。 2 . 2 . 1单相桥式整流电路的工作原理 单相桥式整流电路是由四个整流二极管、滤波电容以及等效负载组成，电路 图如下所示。 图2 - 1单相桥式整流电路 当v为正半周期时， 整流管d - d ; 导通， d z , 氏截止。 v通过d d ; 向c 充电， 由于d d ; 导通时电阻很小，故充电很快，电容器c 两端电压可以充到接近v ， 的 峰 值 , f 2 , , 。 d 、d ., 截止 当v 、 通过峰值开始下降 时， 则v ,. v , ， 加到r , d ; 两 端的电 压反向 于是电 容器c 向 负 载r 缓慢放电， 随 着放电的 进行， 二 缓慢下降。 当v , 为 负 半 周 期 时 。 当v . 到 v , i 时 ， 整 流 管。 1 , d : 导 通， v 通 过d z , d 。 向c 充 电 ， 电 容 器c 两 端 的 电 压 又 重 新 升 高 到 接 近v 随 后v 开 始 下 降 ， 由 于 v ,. 卜 1 i 西北工业大学硕士论文:次绷 汇畜心肩 纷 丈 沙 夕 之 左夕i t d = , d :, 截止，电 容器c 又向负载r 缓慢放电，v缓慢下降。以 后重复上述过程。 输出电压 v d 为: 价 、 ( 1 .2 一 1 .3 ) k 输出电流 工 j 为: 通过整流管的电流有效值 工 。 近似估算为: 1 。 二 ( 1 . 1 一 3 ) 几 整流管承受的最大反向电压 v rm 为: v .二 拒v , 2 . 2 . 2三相整流电路的特点与工作原理 三相整流电路可以分为三相可控整流电路和三相不控整流电路，不控整流电 路具有结构简单，控制容易的优点，其电路如图2 - 2 所示。 图2 - 2桥式整流器电路原理图 西北工业大学硕士论文:次绷 汇畜心肩 纷 丈 沙 夕 之 左夕i t d = , d :, 截止，电 容器c 又向负载r 缓慢放电，v缓慢下降。以 后重复上述过程。 输出电压 v d 为: 价 、 ( 1 .2 一 1 .3 ) k 输出电流 工 j 为: 通过整流管的电流有效值 工 。 近似估算为: 1 。 二 ( 1 . 1 一 3 ) 几 整流管承受的最大反向电压 v rm 为: v .二 拒v , 2 . 2 . 2三相整流电路的特点与工作原理 三相整流电路可以分为三相可控整流电路和三相不控整流电路，不控整流电 路具有结构简单，控制容易的优点，其电路如图2 - 2 所示。 图2 - 2桥式整流器电路原理图 西北工业大学硕士论文:次岩-布心y1i f jy l j 纷l l 图中输入端接由发动机驱动的三相交流发电机，输入的交流电压为: v , = 扼* 3 8 0 s i n o f v 2 一 打* 3 8 0 s in ( rv t 一 1 2 0 ) v , = 拒* 3 8 0 s in ( o t 一 2 4 0 ) ( a ) ( b ) 图2 - 3三相桥式不控整流电路波形 ， 工 作 过程 如 下: 在o f 、 一 。 t 2 期间 ，v , ; : v 2 。 若输 入电 源的 线电 压大 于电 容器c 两端电 压， d - d 。 因 其 承受 正向电 压而 导 通， 于 是v 12 通 过。 、 。 。 向 电 容 器c 充 电 ， v 。 很 快 上 升 到 v iz 的 峰 值 拓* 3 8 0 。 当 v ie 达 到 峰 值 开 始下降时，; 且 2 v 2 v , 。 若 输入电 源的 线电 压 大于电 容 器c 两 端电 压 d d 。 因 其承 受正向电 压 而导 通， 于 是v 13 通 过d d 。 向电 容 器c 充电 ， v 。 很 快上 升 到， 1: 的 峰 值拓* 3 8 0 . 当v 13 达到 峰 值开 始 下降 时，v ia v i v 3 。 若输 入电 源的 线电 压大 于电 容 器c 两 端电 压， d ,., d 。 因 其 承受正向 电 压 而导 通， 于是、 3 通过d z , d 。 向 电 容 器c 充电 ， v 很 快 上 升 到 、 。 的 峰 值 拓* 3 8 0 。 当 v z: 达 到 峰 值 开 始 下 降 时 ， v ii v ， 加 在d l , d 两 端 的电 压反向， d z , d 6 截止，于是电 容器c 向 负载r 缓慢放电，v ,. 逐渐下降。 其他区间的工作过程相同，负载两端电压波形如图2 - 3 所示。整流电路输出 的脉动直流电压都是周期性的非正弦函数，存在较大的谐波电流。该电流函数可 以用傅立叶级数表示整流电路输出的脉动直流电压，可分为直流电压平均值 v d 及各次 谐 波电 压v。 以 三相 整流电 路为 例， 其 输出 直流电 压 波形如图2 - 3 ( b ) 所 不 。 在一个周期内， 输出电压有6 个形状相同、 相位相差6 0 度的电压脉波， 输出 电压的傅立叶级数表达式为 v d ( t ) = v , + 艺a c o s ( n co t ) + b n s in ( n co t ) 式中 。 一 母 护 v, (t)d rot = 互 兀 介 d (t) c o s n oo td o) t = 互 万 介 , (t) sin n co td o)t 由于电路为三相桥式不控整流电路，如果假设v s 为线电压，则v d 可计算如 b v , (t) d co t _ 纽 ， 6 * sin 7t _ 业: 军6才 经分析可知，c o r c二石为电 容滤波的 三相桥式 整流电 路的临界 工作点， 西北工业大学硕士论文:打三柑 c 7ti o fz 公纷 l t rv r c 石时 ， 输 出 电 流 断 续 ， 如 图2 - 4 ( b ) 所 示 。 该 电 路 在 空 载 时 ， 输 出 电 压v d 的 数 值 为 拓鱿 ， 随 着负 载 增大， v d逐 渐下降 ， 当co r c - v , 时， 在两电 压的 交点 处， 给a 相 上 桥臂 元 件q l 导 通 信 号 、 下 桥 臂q 2 关 断 信 号 ， 则a 相 与电 源中 点o 间 的电 压v , , = e / 2 . 当v , - v , 时， 在两电 压的 交点 处， 给a 相 上 桥臂 元 件q l 导 通 信 号 、 下 桥 臂q 2 关 断 信 号 ， 则a 相 与电 源中 点o 间 的电 压v , , = e / 2 . 当v , _ v : 时 ， 在 两 电压的交点处，给b 相上桥臂元件q 3 导通信号、下桥臂q 4 关断信号，则b 相与 电 源中点o 间的电 压v e o . = e / 2 。 当v r r 5 v , 时， 在两电 压的 交点处， 给b 相 上 桥臂元件 q 3关断信号、下桥臂 q 4导通信号，则 b相与电源中点o 间的电压 。 . = - e / 2 e 实际上当 给q 3 或q 4 以 导通 信号时， 可能 是q 3 或q 4 导 通， 也可 能 是与q 3 或 q 4 并联的快速恢复二极管续流导通。 c 相功 率 开关 器 件的 控 制 规 律 则 是当v r c v 7 时， 在 两电 压的 交点 处， 给c 相 上桥臂元件 q 5导通信号、下桥臂 q 6关断信号，则 c相与电源中点o 间的电压 玲 。 二 e / 2 。 当v r c v ， 时， 在两电 压的 交点 处， 给c 相上 桥臂 元 件q 5 关 断 信 号、 下桥 臂q 6 导 通信号， 则c 相与电 源中 点o 间 的电 压科 .1 . = - e / 2 。 实 际上当 给q 5 或 q 6 以导通信号时， 可能是q 5 或q 6 导通， 也可能是与q 5 或 q 6 并联的快速恢复 二极管续流导通，依然是由感性负载中的电流方向 来决定。这种由正弦调制波与 三角载波相交、交点决定开关器件导通时刻而形成s p w m 波形的方法称为采样法。 0r a - - 炸 一_v 3 0 0 刀u 西北工业人学硕 f . 论文:次崖 玄 二 甫/ll 派女 甲 夕 乙 一 今少扩 5 0 0月协 川川匕 讨 5 0 0 . 0 4 t 0 5 0 0 .0 1, 1. 0 m 1 - 5 -z d血 图2 - 9三相s p w n波形 a , b , c 相的s p w m 波调制方法形成了图2 - 1 0 所示的相、线电压波形。可以 看出、 (， 、v g o , , v 二 的p w m 波 只 有1 e / 2 两 种电 平。 线电 压波 形 可由 相 关的 相电 压波形相减得到 v a r = v a o ， 一v y9 o v 1 = 一 v 丫 ) ， v c i=一v a o 骊与 可以看出线电压s p w m 波具有士 e 及零三种电平。 西北工业大学硕士论文:f/ c a -v) l ) ow n 4 = t 8 0 0 .4 k 1 .6 m 2 .4 m 3 .2 m 4 .0 m 0 8 0 0 .4 n 1 6 m 2 . 4 m3 .2 m 4 .0 m 2 - 1 0三相逆变器的线、相电压波形 若设负载中点。 与电 源中点d 之间电 压差为v 0 0 l ，则三相负载相电 压为 v a 0 =v a 0 ， 一v 0 0 v b o=v b 0 ， 一v 0 0 v c ( )=v c 0 -v 0 0 上式相加可求得 v 0 0 ， 二十v b o + 一 ， 一 杏 ( a o+v b 0+v c y ) ) o 月 v 了.气 1一3 对于 三 相对 称负 载 有v a 。 十 v 朋十 v 二 = 0 ， 从 而 有 西北工业大学硕 i:; 论文:斑或三v必么 m m m 与纷i t ，。 ， = 普 a 。 一。，r 二 。 ，) 由 上式 求得， o f) 波形 后， 就可用上式求 得负载相电 压波形， 如图2 - 8 中v a c) 所 2 一 了 v a o 2 = 了 v b o 1 1 3 v e o 一 了 v (， b n 一 了 v a o 1行3 肥那印 vvv 两个桥臂v ， 和v. 。 中， 含有相同的直流分量，因此，在线电压中直流分量被抵 示消 在 三 相 逆 变 器 中 ， 一 般 只 关 心 线电 压 中 的 谐 波， m f 为 奇 数时 ， 任 一 桥 臂 的 输 出电 压谐波状况与v ， 。的 谐波 状况相同， 仅含有以 开 关频率及其倍数为中 心的 边 带 奇 数 次 谐 波 。 在 开 关 频 率 处 ， v a 。 中 的 谐 波 和 v 、 中 谐 波 相 角 差 为 0 2 0 m f ) 度 电 角 度， 如 果; t f 为3 的 倍 数 的 话， 这 一 相 角 将 差3 6 0 度的 倍 数。 也 就是 说 ， v a 。 中 载波频率处的谐波将被抑制，对于开关频率的奇数倍处的谐波同样如此。所以在 单 相 逆 变 器 中 存 在 的 某 些 主 要 谐 波 在 三 相 逆 变 器 中 可 以 被 消 除 。 只 是 。 在 。 厂 较 小 的 时 候 为了 消 除 偶 数 次 谐 波， 应 采 用同 步 脉 冲 宽 度 调 制 控 制， 而 且m r 应 该 为 奇 数， 为 了 进 一 步 消 除 线电 压中 的 谐 波 ， m f 应 该 为3 的 倍 数， 而 且 参 考 波 与 三 角 载 波的 过零点斜率应互为反号。 在电源控制中，要求的是精确的输出 波形， 所以一般采取的是线性脉宽调制 控制。 也就是m a k e j 纷i t 功率变换电路是该电源的关键电路， 实现d c / a c 的功率变换， 功率级采用智 慧型工 p m功率模块，电路简单，可靠性高。 输出电路把前级逆变器的输出电压滤波后成为标准三相正弦波输出供给负 载使用，并实现功率级与负载的隔离。 辅助电源电路给控制电 路提供+ 5 v ，为功率因子校正芯片提供+ 1 2 v ，为 i p m 模块提供+ 2 4 v 低压稳定的直流电源。 控制电路是该电源的核心部分， 采用三相高精度 p w m 波产生器s a 4 8 2 8 与单 片机为主， s a 4 8 2 8 是m i t e l 公司继s a 8 2 8 , s a 8 3 8 p w m 波产生器系列之后， 推出的 新一代性能更优、功能更强的大规模集成电路。它与微处理器连接，完成了所有 外围的检测、 控制和保护等功能， 使系统智能化。 其中整流电路属于a c / d c 部分; 而d c / a c 部分是该电路的核心部分， 它包括 了功率变换部分、输出隔离部分和控制部分。 该电路的技术参数如下: 输入技术参数 输入电压: 三相3 8 0 ( 1 土1 0 %) v ; 输入频率: 5 0 ( 1 士5 % ) h z . 输出技术参数: 输出电压指标: a输出电压:三相 a c 2 0 0 v ; b . 输出 频率:4 0 0 h z ; c .稳态调整率:小于等于4 % d . 输出波形:正弦波; e .失真度:小于等于5 %. 额定输出功率:6 k w . 带载能力: a ) 1 0 0 %负载:连续工作: 西北工业大学硕士论文:斑a匕甫心颇e f 7 i 分 纷d b ) 1 5 0 % 负载: 3 m i n . 3 . 2 a c / d c 电路结构 3 . 2 . 1 a c / d c 基本结构 飞机发动机直接驱动的交流发电 机所产生的三相变频交流电变换为直流电 压，提供给后级的三相逆变器。该部分电路主要由e m 工 滤波电路、三个独立的单 相功率因子校正电路、限浪涌电阻、滤波电容构成。结构框图如下所示。 月 em i卜 匾fc g而差模电路三相的输出 端有c x 电容，单相的输出端无cx 电容。 对比双环单相和三相三线制滤波电路 ( 图 3 - 7 )不难发现，三相中的舒一相 电路和单相电路完全一样。 本文采用双环三相三线滤波电路。 西北工业大学硕士论文次或三褶心i.wl ,w ,9 i 今蹬洋 3 . 2 . 3三相a p f c 电路 该电路由三个独立的单相功率因子校正电路构成，每一相电路由一个电源变 压器，桥式整流器，和b o o s t 功率因子校正电路构成， 电路原理图如2 - 7 所示。 1 、电源变压器 电 源变压器起到电气隔离和变换电压的作用。因为机载电源的输入与负载的 接地点不同，因此电气隔离是必要不可或缺的。而且经过变压器隔离后，每一相 的功率因子校正电路也是相互隔离的，这样就避免了相相之间的电磁干扰，也就 不需要将p f c 电路中的电感和二极管分成两个。 同时该变压器也起到了降压的作用。 由于输入是三相a c ( 3 4 2 v -4 1 8 v ) 电 压， 如果直接整流后会得到最高可达 5 9 1 v的直流电压，又经功率因子校正电路升压 后，电压会过高，这样大大的限制了后面功率开关器件的选择，因此降压是必要 的。使用该变压器将发电机输出的3 8 0 v 三相电压变成三相1 9 0 v 交流电压，供给 后面的整流桥电路。 2 ,整流桥电路 整流桥所承受的最大电压为输入电压最大时的峰值，也就是输入线电压最大 时的峰值，大小为: v . . = 扼x v , = 而x 1 9 0 ( 1 + 1 0 % ) 二 5 9 1 ( v ) 选择整流管的反向峰值电压大于实际承受的最大反向电压， 并留有一定裕量， 通常 v iii.= ( 2 一 3 ) x v . , 、二 ( 2 一 3 ) x 5 9 1 ( v ) = ( 1 0 8 2 一 1 7 7 3 ) v 选择整流管额定电流有效值大于实际通过管子的电流有效值，并留有一定裕 量，即 i , = ( 1 .5 一 2 ) x i , 其中， 1 ,。 是 通 过 整流 管的电 流 有效 值， 它的 计 算 则是 根 据当 输入 交 流电 压最 低且满载输出时电流最大这一原则考虑，同时考虑到功率因素， 假设功率， 所以 通过整流管的最大电流有效值约为 西北下业大学硕 卜 论文:次城三褶心旗耐3 % - 乍少 i f i r, 二 一一 p _ n x 足一 2 0 0 02 0 0 0 0 .9 2 x 扼、 1 9 0 ( 1 一 1 0 % )0 .9 2 x 扼 x 1 7 1 留9 a 因此可以选择反向耐压1 2 0 0 v ，额定电流1 5 a 的管子。 3 、各相的功率因子校正电路 因为3 8 0 v 三相交流电网通过非控整流获取直流电压， 在电力电子技术及电子 仪器仪表中获得了广泛的应用。 但这种非控整流使得输入电流波形发生严重畸变， 并呈脉冲状。 这样， 一方面对电网造成严重污染， 干扰其他电子设备的正常工作; 另一方面大大降低了输入电路的功率因数，如在中、大型非控整流设备中，输入 电路的功率因数大致在0 . 5 -0 . 7 左右， 有的甚至更低。 因此， 必须采取有效的技 术措施来减少输入电流波形的畸变， 提高输入电路的功率因数。 有源功率因数校正法，它是通过在电网和电源装置之间串联插入功率因数校 正装置，其中b o o s t电路因具有效率高、电路简单、成本低等优点而得到广泛应 用， 并称之为有源功率因数校正 ( a p f c ) 电路。 在有源功率因数校正控制芯片中， 其种类繁多，有峰值电流控制法、平均值电流控制法等。本文采用了 m o t o r o l a 公司生产的一种新型高性能、零电流控制模式的功率因数校正控制芯片 m c 3 4 2 6 2 ( m c 3 3 2 6 2 ) ，同时分析了 它在功率因素校正电 路应用中的设计要点。 m c 3 4 2 6 2 系列p f c 控制芯片为8 脚双列直插塑封 ( 亦有表面贴装封装) 器件， 内部含有自 起动定时器、正交倍增器、零电流检测器、图腾柱驱动输出 ( 0 . 5 a ) 以及过压、欠压和过流等保护电路，具体内部结构框图见图3 - 8 a 科 。零龟渡怜制泊入 w 动幼ti t电吹 取1 瞬入电 ! 以 脸 入 幻幸020对汤助呀段 图3 - 8 m c 3 4 2 6 2 系列p f c控制芯片内部结构框图 西北工业大学硕十论文:斑君三 褶心月娇 咬 刁 夕 之 方纷扩 m c 3 4 2 6 2系列 p f c控制芯片的最大特点是采用零电流导通模式控制，图3 - 9 所示即为采用m c 3 4 2 6 2 系列 p f c 控制芯片构成的有源功率因数校正电路框图。 厂一一一一勺 ! x -一一1 p f c 厂一荟簇犷一一丫刁 跳fl ac m - - 2 0 9 生 高 频 旁 .个路电容 l-二二二 图3 - 9 m c 3 4 2 6 2 系列p f c 有源功率因数校正电 路框图 图中， 开关q l 的通、 断受控于m c 3 4 2 6 2 中零电流检测器， 当零电流检测器中 的电流降为零时 ( 即续流二极管d i 中的电流降为零时) ， q 1 导通， 此时电感l 开 始储能。电流控制波形见图3 - 1 0 所示。 这种零电 流控制模式的突出优点是: ( 1 )由于储能电 感中的电流为零时， q 1 才能导通， 这样就二 左 大减小了 开关 的应力和损耗，同时对二极管的恢复时间没有严格的要求，因此选用普通的快恢 复二极管即可满足设计要求;另一方面免除了由于二极管恢复时间过长引起的开 关管损耗，也就大大增加了开关管的可靠性。 电感电流 夕加切懈 图3 - i d 电流控制波形图 ( 2 )由于开关管的驱动脉冲间无死区， 所以输入电流是连续的并呈正弦波， 这样大大提高了系统的功率因数。另外， 由m c 3 4 2 6 2 系列有源功率因数校正 控制 器构成的功率因数校正电路结构简单.外围电路元器件少，这就大大缩小了电路 的体积，降低了系统的成本， 提高了系统的可靠性。 m c 3 4 2 6 2 系列p f c 控制芯片在a p f c 电路各相中的实际应用电 路如图3 - 1 1 所 不 。 西北工业大学硕士论文:a 1 4 0 匕胡 /l / 淤r 一l l 乍 扩1 t 3 - l l m c 3 4 2 6 2 在每一相实际电 路中的 应用 该系统的主要技术要求为: ( 1 )输入电网电压范围三相a c 1 7 1 v - 2 0 9 v ( 2 ) 输出直流电 压d c 6 0 0 v ( 3 )输出功率6 0 0 o w ，每相电路功率是2 0 d o w 根据上述要求，先计算出a p f c电路的主要元件参数。 ( 1 )电感l 中的峰值电流1 ,p 了 /p 2 , f i p i7 气( ( l ) 式中p 一要求的输出 功率2 0 0 0 w r 变换器的效率取0 . 9 2 v a c ( l ) 最低的电网输入电压 工 7 1 v则: j l p 2 拒* 2 0 0 0 =一澎 j 6 a 0 . 4 2 * 1 7 1 考虑到开关管的耐压应降额7 5 %使用， 若升压变换器的输出电压为6 0 0 v ， 则 西北工业大学硕士论文:打# -密 l a j f 9 z 与i9 c i t 应选用耐压至少为s o o v 的开关管，电流的选取应大于峰值电感电流。 ( 2 ) 电感 l l=t v f,f2 一 va c (l) 117 v ,42(乙) 万气 只 式中: t 开关脉冲周期。当输入电网电压的范围为:a c 1 7 1 v -2 0 9 v 时， t 的取值为4 0 u s 。此时: 缨一 ， 7 11 * 0 .9 2 * 17 1 l=4 0 - - z7 1 p h , 1 2 * 6 0 0 * 2 0 0 0 ( 3 ) 式中: r 1 及r 2 的计算 v , -v - f ( r 2 / r 1 ) + 1 v r e f -芯片内部提供的基准电压，取值为 2 . 5 v ,根据上式: r 2 / r 1 二 ( v o / v r e f ) 一 1 = ( 6 0 0 / 2 . 5 ) 一 1 = 2 3 9 令 r 2 = 2 . 6 m 0，则 r 1 = 1 1 k q ( 4 ) 过流电阻 r 7 的计算 当输入电网