（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的大功率可控硅整流系统的设计.pdf

摘要 随着数字控制技术越来越普遍的使用，传统的采用模拟触发和稳流 控制的整流装置显然己不适应发展的需要。本文摒弃了传统方法的缺 点，采用d s p 数字控制的方法实现对s c r 的控制，针对地铁逆变器试验 直流电源的需要，设计并研制了一台1 6 0 k w 的整流电源。 本文首先从研制的成本、周期、难度系数和功能性能出发，对几种 方案进行了比较论证，设计出一套适合该项目的系统方案。该方案采用 s c r 作为主开关管，触发电路采用c a 6 1 0 0 触发板，既保证可靠而且有 效的传输控制信号，又大大减轻了主电路对控制器的干扰，采用d s p 对 可控硅进行相控，同时它还完成了对输入输出的采样、温度检测、保护 逻辑、显示等功能。 论文对系统的主电路进行了详细设计，包括主电路拓扑结构、变压 器设计( 功率、变比、绕组方式) 、开关管选择、滤波电路参数等，为 整个系统的研制提供了重要依据。 论文采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为主控芯片，结合液晶显示、 温度传感器等设计了控制系统。采用数字p i 控制实现了输出电压的稳 压控制，并对主要的器件功能和与本系统相关的设计作了详细说明，包 括原理框图、软件流程图和具体的软件设计方法。此外，论文对温度检 测、液晶显示、操作界面等也作了论述。 基于m a t l a b s i m u l i n k 对系统的主电路参数和控制策略进行了仿 真，仿真结果表明论文提出的方案和控制策略的可行性，为系统的研制 提供了基础。 最后，对本文研制的系统进行了试验，给出了实验现场情况。 关键词：可控硅整流大功率c a 6 1 0 0 驱动板d s p 数字p a b s t r a c t r e c t i f i e rw i t ht r a d i t i o n a la n a l o gc o n t r o la n dc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o l h a sa l r e a d yb e e nu n s u i t a b l ea n ym o r et o d a y , w h e nd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y i sw i d e l yu s e d 1 1 1 i sp a p e rg i v e su pt h et r a d i t i o n a lm e t h o db ya d o p t i n gd s p c o n t r o l l e rt oc o n t r o ls c r , b a s e do nt h ed i g i t a lm e t h o d , a1 6 0 k wr e c t i f i e ri s d e s i g n e d t of u l f i l lt h en e e do f e x p e r i m e n t a ld cs u p p l yo f s u b w a yi n v e r t e r f i r s t l y , f r o md e s i g nc o s t ，p e r i o d ，d i f f i c u l t y , f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e ， s e v e r a ls c h e m e sa r ec o m p a r e da n dam o s ts u i t a b l es c h e m ei sc h o s e n t h i s s c h e m eu s e ds c ra sm a i ns w i t c h e s d s pa n dc a 6 1 0 0a sm a i nc o n t r o l l e r a n dd r i v e ri n d i v i d u a l l y , w h i c hm a k es y s t e mw o r ks t a b l ya n dk e e ps y s t e m f r o me m i d e t e c t i o n so fi n p u ta n do u t p u t t e m p e r a t u r es e n s o r , l c dd i s p l a y , i n t e r f a e e ，e t e a r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e l 1 1 他m a i nc i r c u i ti sd e s i g n e di nd e t a i l i n c l u d i n gm a i nc i r c u i tt o p o l o g y , t r a n s f o r m e r d e s i g n ( p o w e r , r a t i o ，w i n d i n g ) ，s w i s hc h o o s i n g ，f i l t e r p a r a m e t e r s ，e t c ，a l lt h e s eg i v ei m p o r t a n tp r o m o t i o nt ot h ew h o l es y s t e m d e s i g n d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7b vt ic o m p a n yi su s e da sm a i nc o n t r o li c a n d l c d t e m p e r a t u r es e n s o r sa r ea l s ou s e dt od e s i g n e dc o n t r 0 1s y s t e m t h e m a i nc o n t r o lm e t h o di sd i g i t a lp i w h i c hu s e dt oc o n t r o lt h eo u t p u td c v o l t a g et ob ed y n a m i c a l l ys t a b l e t h ef u n c t i o n so fm a i ni c sa r es i m p l y d e s c r i b e d s o f t w a r ed e s i g nm e t h o da n dr e l a t e df l o wc h a r t sa l eg i v e n ， t e m p e r a t u r es e n s i n g ，l c dd i s p l a ya n di n t e r f a c ed e s i g na r ea l s o # v a n n 圮m a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa n dc o n t r o lm e t h o da r cs i m u l a t e db y m a t l a b s i m u l i n k w h i c hu s e dt ov e r i f yt h es y s t e md e s i g n a n dt h er e s u l t s v a l i d a t et h es y s t e md e s i g na n dg i v er e f e r e n c et or e a ls y s t e md e s i g n l a s t l y , ar e a ls y s t e mi sd e s i g nb a s e do nt h em e t h o da b o v ea n d e x p e r i m e n t a lf i e l di sg i v e ni nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：s c rr e c t i f i e rl a r g ep o w e r c a 6 1 0 0t r i g g e rd s p d i g i t a lp i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文基于d s p 的大功率可控 硅整流系统的设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 ，- ，m 作者签名：丝上丝：盟年兰月同 长春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“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春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 长春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：鲴2 丝i1 2 年望月上日 指导导师签名：二五l o 髦如年车月上日 第一章绪论 1 1 课题的工程背景 在对轻轨、地铁、火车等大型设备进行调试时往往需要大功率且电 压在一定范围内可调的大功率电源。本课题是根据伊朗地铁调试时需要 给逆变器提供电源的目的而设计制造的。 系统的技术要求为容量1 6 0 k r a ：输入为3 8 0 v 4 0 0 v 的三相交流电； 输出为额定电压7 5 0 v d c 在5 0 0 v 9 0 0 v 内可调的大功率电源，而且要求 电压波动小、动态响应侠。 根据以上要求并从成本方面考虑本课题采用可控硅进行整流。可控 硅电源的输出特性大大的优于以往的半导体器件，在额定负载情况下， 往往能获得令人满意的精度、纹波和效率，特别是在效率上，比过去的 半导体器件有了显著的提高，功率范围也很宽，但可控硅整流器也存在 直流电流纹波系数大，谐波对电网侧的污染严重，且不易治理等诸多问 题。且对于这种大型的电力电子装置与系统，触发电路的可靠性和稳定 性是能够正常而有效的工作的关键。 本课题的触发电路采用c a 6 1 0 0 触发板，它在控制电路与大功率主 电路之间形成了一个良好的缓冲界面，既保证可靠而且有效的传输控制 信号，又大大减轻了主电路对控制器的干扰，在控制电路失控时能够自 动保证主电路安全，提高系统工作的可靠性。控制部分采用d s p 对可控 硅进行相控，解决了以往用模拟电路进行相控所带来的效率低、纹波大 的缺点，且速度快、精度高，除了进行相控外，它还完成了对输入输出 进行采样、检测温度、对电路保护、显示等功能。 1 2 国内外发展现状 电子学的发展史表明，一种新器件的出现，将对整个技术领域产生 深远的影响。1 9 4 6 年，晶体管的诞生开始形成固体电子学。1 9 5 8 年， 从美国通用电气公司研制成功第一个工业用的普通晶闸管开始，大大扩 展了半导体器件功率控制的范围。电能的变换和控制从旋转的变流机 组、静止的离子变流器进入以电力半导体器件组成的变流器时代，这标 志着电力电子技术的诞生。 随着电力电子技术和控制技术的不断发展，电力电子技术的应用已 深入到工业生产和社会生活的各个领域，其典型的用途包括：电化学、 直流传动、交流传动、电镀及电加工、电机励磁、中频感应加热、直流 输电及无功补偿等，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技 术。 国内外整流电源的发展是与电力半导体器件制造技术和电力电子 技术的发展紧密相关的。随着大功率半导体器件制造技术的不断进步， 我国在有色冶会、氯碱化工、电化学工业中所用的大功率整流电源也取 得了较大的发展，尤其通过引进、消化、吸收国外大功率半导体器件的 制造技术和测试技术以及整流设备的设计技术、制造技术和控制技术， 使我国整流电源的设计制造水平迅速提高，整机的可靠性水平已达到国 外同类产品九十年代切期的先进水平，并完全可以替代进口。 整流方式也发展为从二极管加调压器的不可控整流到可控硅的相 控整流再到i g b t ( 隔离栅双极管) p w m ( 脉宽调制) 整流等。 随着半导体器件设计和制造水平的不断发展，大功率整流元件的发 展也日新月异。目前在国外大功率电整流电源中，已采用4 英寸 ( 巾l o o r m ) 硅片的大功率整流二极管或晶闸管的设备。如a b b 、f u j i 等公司，国内仅有西安电力电子技术研究所采用4 英寸( 牵l o o n l l t i ) 硅 片的大功率整流二极管青4 造的整流电源，用于焦作万方铝业公司十三点 六万吨电解铝整流装置，装置单柜容量为4 2 0 0 0 k v h ，属目前国内最大 容量。国内其它的大功率整流电源多为采用3 英寸( 由7 7 舢) 硅片的大 功率整流二极管或晶闸管的设备，如西安电力电子技术研究所、西安电 力整流器厂、九江整流器厂等。目前3 英寸整流二极管、晶闸管的制造 水平为：电流1 6 5 0 h 3 0 0 0 a ，电压1 0 0 0 v 5 0 0 0 v ，器件特性及工艺水 平完全可以替代国外产品，主要生产厂家有西安电力电子技术研究所、 株洲田心机车车辆研究所等单位。近几年来，经过生产、制造厂家，相 关设计院及广大直接使用大功率整流电源厂家的技术人员，领导及专 家、学者的不断努力，采用4 英寸元件完成整流电源的时机已经成熟。 目前，我国还完成了4 英寸整流二极管、晶闸管的设计和制造，并开 始逐步应用，随着配套器件的不断完善，4 英寸功率器件的应用必将开创 电化学整流电源发展的第二个春天。目前4 英寸整流二极管、晶闸管的 生产水平为：电流3 0 0 0 a 5 0 0 0 a , 电压3 0 0 0 v 6 0 0 0 v ，生产和应用厂家 为西安电力电子技术研究所。 晶闸管触发系统及控制系统的可靠性和稳定性对整流电源来说也 是十分重要的。目前国外f u j i 、a b b 等公司既有数字控制，也有模拟控 制，互为备用。国内制造厂家一般为模拟控制，也有采用数字控制的。 提高触发回路、控制回路、保护回路的智能化、故障自诊断能力、 2 自保护能力，是国内外整机制造厂家开发应用努力的方向。 综合自动化控制系统己成为整流电源发展的方向，包括高压部分、 整流变压器、整流装置、纯水装置、直流刀开关、控制系统、检测系统、 电解槽等，均纳入计算机监控范围。包括图形画面显示；电流、负荷棒 图；工作状态指示；遥控、遥测；电压小时、电流小时、功率计算；日 报表、月报表等。目前丹江铝业公司、锦化( 化工) 集团十二万吨离子 膜烧碱、焦作万方铝业公司、青铜峡铝厂、苹果铝厂等工程均已采用综 合自动化控制系统。 随着半导体器件制造水平不断提高，预期未来十年大功率整流电源 采用的功率器件将是3 英寸、4 英寸并存，并逐渐向以4 英寸或更大直 径器件为主的大功率整流电源方向发展。 随着科学技术的进步，特别是计算机技术的提高，预期未来大功率 整流电源的控制系统将向智能化、数字化、模块化方向发展。 随着对供电电网质量管理的进一步严格及计算机控制的普及，“绿 色电源”已成为未来整流电源使用厂家追求的目标，预期未来的谐波补 偿装置将是无源和有源共存，并将通过计算机检测并监控，充分提高电 源的可靠性。 1 3 课题的主要研究内容 ( 1 ) 根据阅读的资料，阐述了国内外大功率整流电源的发展现状 及未来的发展趋势。 ( 2 ) 完成了系统的硬件电路设计，介绍了系统的方案选择、器件 参数的选择等，本课题采用可控硅进行相控整流，设定负载为阻感负载。 给出了系统的主电路原理图，包括：主控制板、驱动触发板、温度检测、 显示、操作界面等。 ( 3 ) 在控制系统设计方面，介绍了控制系统的组成包括：电压电 流采集、温度采集、脉冲模块、驱动模块、保护逻辑电路、显示模块等。 在控制软件设计中主要讲述了p i 控制算法、温度采集原理、液晶显示 软件设计、保护滤波软件设计等。 ( 4 ) 仿真及试验研究，本课题采用m a t l a b s i m u l i n k 作仿真工具， 搭建仿真模型，对系统主电路型式和控制策略进行仿真验证，并根据不 同的负载情况对仿真结果进行了比较分析。最后，根据研制的需要，对 本文研制的系统进行试验。 3 第二章系统硬件电路设计 本章叙述的主要内容包括：系统设计方案的选择、器件的选择、整 流原理的介绍等，并给出了主电路图以及相关的说明。 2 1 方案选择 本节主要讲述了几种整流器的设计方案，介绍了各自方案的优缺 点，并最终选择了适合本课题的设计方案。 2 1 1 整流方式选择 以下介绍了三种整流方式。 方式一：基于调压器的二极管整流，如图2 1 所示。 输入 闰2 1 二极管辖流 方式二：可控硅相控整流，如图2 2 所示。 输入 圈2 2 可控硅整流 4 负戴 负载 方式三：基于脉宽调制( p 删) 的i g b t ( 隔离栅双极管) 整流，如图 2 3 所示。 输入 图2 3i g b t 整流 负载 方式一中的二极管整流器属于早期的整流器，由于采用调压器手动 调压，所以易受外界干扰，动态响应差、误差大、稳流精度低，而且噪 音大、损耗大。 方式二为可控硅整流，它的特点是容量大、功率范围宽，在额定负 载情况下，能获得令人满意的精度、纹波和效率，特别是在效率上，比 过去的半导体器件有了显著的提高。而且价格不高，研制周期短。 方式三为目前比较先进的整流方式i g b t ( 隔离栅双极管) 整流器， i g b t 是一种m o s 与双极管结合的产物，既有m o s 管开关频率高，驱动 简单等优点，也有双极管导通压降小，耐压高等优点。p w m 整流方式简 化了主电路和控制电路的结构，更好的减少了谐波分量，调节速度快。 但是这种整流器价格较高、驱动与保护电路要求复杂、生产周期长。 根据本课题的项目参数、生产周期，以及从成本方面上的考虑，本 课题选用方案二可控硅整流器。 2 1 2 本文的设计方案 根据系统的技术参数特点，要求直流输出电压较高，主电路可考虑 两种设计方案来实现。 方案一：此方案在交流输入侧接升压变压器，将三相交流电压升至 6 8 0 v ，然后对其进行相控整流，其方案设计框图如图2 4 所示。 、广n+ l 厂 i - 厂v y v 、 态 c j 。- 。一 l l 厂y y v 、 图2 4 变压器升压电路图 方案二：方案二采用两个可控硅整流桥串联，将输出电压进行叠加 为1 2 脉波。其电路原理框图如图2 。5 所示。 倒2 5 两个整流桥串连电路图 方案一的优点为电路简单，但输出波形较差，管子耐压较高，直流 侧滤波电容值需很大；方案二的优点是输出波形较好，管子耐压相对较 低，缺点是所需的可控硅增加一倍，电路较为复杂。综合各自的优缺点 及系统设计要求，选择方案一，电路简单可靠，所需s c r 较少。 2 2 可控硅整流 由于可控硅器件具有电压、电流容量很大这一其它器件所无法比拟 的优势，可控硅整流器更是具有容量大、效率高、输出特性好等优点， 因此e 1 前其应用领域最为广泛。 6 习 2 2 1 可控硅元件 在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件 ( 俗称“死硅”) 更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。 可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率， 因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电 流应降级使用。 可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高 达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、 无噪音；效率高，成本低等等。 可控硅的弱点：静态及动念的过载能力较差；容易受干扰而误导通。 下面介绍一下可控硅的基本伏安特性。 可控硅的基本伏安特性如图2 6 所示。 图2 6 可控硅基本伏安特性 ( 1 ) 反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时( 见图2 7 ) ，j 2 结正偏，但 j 1 、j 2 结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提 高到j 1 结的雪崩击穿电压后，接差j 3 结也击穿，电流迅速增加，图 2 6 的特性开始弯曲，如特性o r 段所示，弯曲处的电压u r o 叫“反向 转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 n 】2j 3 图2 7r l 极加反向电压 ( 2 ) 正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时( 见图2 8 ) ，j 1 、j 3 结正 偏，但j 2 结反偏，这与普通p n 结的反向特性相似，也只能流过很小电 流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图2 6 的特性发生了弯曲，如特 性0 a 段所示，弯曲处的是u b o 叫：正向转折电压。 j l 】2b 幽2 8 阡l 极加正向电压 由于电压升高到j 2 结的雪崩击穿电压后，j 2 结发生雪崩倍增效应， 在结区产生大量的电子和空穴，电子进入n 1 区，空穴进入p 2 区。进入 n l 区的电子与由p l 区通过j 1 结注入n 1 区的空穴复合，同样，进入p 2 区的空穴与由n 2 区通过j 3 结注入p 2 区的电子复合，雪崩击穿，进入 n 1 区的电子与进入p 2 区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在n 1 区 就有电子积累，在p 2 区就有空穴积累，结果使p 2 区的电位升高，n l 区的电位下降，j 2 结变成j 下偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降， 出现所谓负阻特性，见图2 6 的虚线a b 段。 这时j l 、j 2 、j 3 三个结均处于正偏，可控硅便进入j 下向导电状态 通念，此时，它的特性与普通的p n 结证向特性相似，见图2 6 中 的b c 段。 ( 3 ) 触发导通 在控制极g 上加入正向电压时( 见图2 9 ) 因j 3j 下偏，p 2 区的空 穴时入n 2 区，n 2 区的电子进入p 2 区，形成触发电流i g t 。在可控硅的 内部正反馈作用的基础上，加上i g t 的作用，使可控硅提前导通，导致 图2 6 的伏安特性o a 段左移，i g t 越大，特性左移越快。 j l 咒】3 图2 9 阳极和控制极均加正向电压 2 2 2 三相桥式全控整流电路 ( 1 ) 三相桥式全控整流电路带阻感负载时的工作原理 三相桥式全控整流电路带阻感负载时电路原理图如图2 1 0 所示。 8 v t l v t 3 v ld l f 一 一 “ 1 zz a b f 一 一 zz v t 4 v t 6 v t 2d 图2 1 0 三相桥式全控整流电路阻感负载原理幽 当触发延迟角a 6 0 。时，假设将电路中的晶闸管换作二极管进 行分析。对于共阴极阻的3 个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个 导通；对于共阳极组的3 个晶闸管，阴极所接交流电压值最低( 或者说 负得最多) 的导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处 于导通状态。图2 1 1 为电路带阻感负载n = 0 。时的波形。 渐 “c 厂、厂、厂 ， 、：、，0 、 ch 、j ：、 、 ，7i 、 ， 、i 冷、厂函 r 7i 、 i ： ， ii i v； i i i 7 、 、 旷 、 藉 、 ，、 i ；。 j、j，、 ，、 i ! i i ；i i i l 腻 、 ， 、 、 数j i ? 爱j 、 凇、，、 、 ， 、， 、 、 v x ，、 ，、 、 i 、 、一h 、。i 、一 图2 1 1 三相桥式全控整流电路带阻感负载a = o 。时的波形 9 从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，为相电压的正包络线， 共阳极组导通时，池为相电压的负包络线，曲= 弛一如是两者的差值， 为线电压在正半周的包络线；直接从线电压波形看，曲为线电压中最 大的一个，因此粕波形为线电压的包络线。 表2 - 1 三相桥式全控整流电路阻感负载a = 0 。时品闸管导通情况 时段 ii ii i ivv i l l 导通的晶 v t ，v t el l 闸管编号 v t v t tv t i v t2v t 。v t2v t 。v t 。v t5 v t4 l 曲波形连续，阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变 得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。 图2 1 2 为电路带阻感负载a = 3 0 。时的波形。 旷撼1 弋7 i 一 ， 一 c o t 、 i 、：、 、。， 、 翻 、：、!、 ，、 、 7、 ， 、 、 、 r i ：i i ：i ：；v ：v i i i 漱 夭 伏 豁黔一 l 、7、i、。7、，0、7、， |、 、，i、， a 、l， ，、 “、 ， 、扩、 叠要8 ： ，、 越i i !i ，、 ， 、 、 ， 、， k i i l i i l 耐 lt i i i i i l i 研 图2 1 2 三相桥式全控整流电路带阻感负载a = 3 0 。时的波形 o = 3 0 。时曲波形仍由6 段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号 1 0 与d = 0 。时一致。区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了3 0 。，组成 地的每一段线电压因此推迟3 0 。 当n 6 0 。以后，在电感负载的情况下，电感中存在感应电动势， 当线电压进入副半波后，电感中的能量维持电流流通，晶闸管继续导通， 直至下一个晶闸管的导通才使前一个晶闸管关断。这样，当q 6 0 。 时，电流仍将继续，当a = 9 0 。时，整流电压的正负半波相等，输出 电压平均值为零，因此电感负载时移相范围为9 0 。n 9 0 。时输出 电压仍为零，电压波形出现断续。图2 1 3 为电路带阻感负载a = 9 0 。 时的波形。 - * 凑澜闲焖x i 瓷 甜f i 茨 ，矶 7 。 ： h i1 i ：i ：f v 以理 ； ，k 多。 u “! 夕“! 夕“ ， 一 ，一、 。一、，7 t 、 、7 ，7 、 ，7 、j ，、 、 卜 ，一7 | 一卜卜，7i ?7 ，7 1 ii ：| j ， j ，i 。j 1 i i ，7 * 、商 j ，o ：7 、， ，、 。 7 + ，：t ： ，、 ，。 x ，、一 ( 二 j ： 曩 、 | ， 、： 、v a 7 ， 、， ：，、，7 、， ：， 。 ： ，7 r 、厂i ? x 、 j l l | 、沙、j 7， ：、 ， 、 ， 个 ，、，7 ，l 涨j n 1 、 、 j ” 、f 、k ，_ 、 ：7 、，、 j 沁 ，j 、 、 、x j、x 7、7 j x 、。，： 6 0 。时，整流电压平均值为： 卟善, g v 2 s i nc a mc c a t ) = 2 3 4 u 2 。“弘， 汜2 ， 输出电流平均值为： 厶= 警 ( 2 3 ) 当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波 形如图2 1 2 中所示，为j 下负半周各宽1 2 0 。、前沿相差1 8 0 。的矩形波， 其有效值为： l ：瓜碡碉：每一o s 。q _ 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足 以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路 中各处电压、电流波形均相同，仅在计算五时有所不同，接反电势阻感 负载时的五为： 小 ( 2 5 ) 式中斤和f 分别为负载中的电阻值和反电动势的值。 1 2 2 3 系统主电路设计 2 3 1 系统技术参数 容量：1 6 0 k v a 输入：3 8 0 v 4 0 0 v a c 输出：额定7 5 0 v d c5 0 0 v 9 0 0 v 可调 冷却方式：强迫风冷 2 3 2 器件参数选择 ( 1 ) 变压器t r i 可控硅触发角a 的变化范围为5 。1 7 5 。，根掘技术参数可得负 载电压平均值髓的最大值是9 0 0 v ，由式( 2 6 ) 可得此时变压器二次侧 绕组相电压有效值雎为3 8 9 v ，线电压有效值为6 7 4 v 。 = 2 3 4 c o s 口 ( 2 6 ) 根据以上值可确定变压器的参数为： 额定功率：2 0 0 k v a 变压器变比：原边副边= 3 8 0 v 6 8 0 v 连接方式：d y n l l 频率： 5 0 h z 绝缘标准：l 1 6 0 一a c 2 0 a c 3 冷却方式：强迫风冷 防护等级：i p 4 4 ( 2 ) s c r ( t i t 6 ) 根据参数的要求可知整流电流平均值五的最大值为3 2 0 a ，由式 ( 2 7 ) 可得在三相全控桥式整流中流过晶闸管的电流有效值 t 最大值 为1 8 5 a ，而工程上的值应为计算值的2 3 倍，本课题选为7 0 0 a i = i d 3 ( 2 1 ) ，。= 1 5 7 , ( 2 8 ) 虽然整流器的最大输出为9 0 0 v ，但在试验中由于过冲最大可达 1 i o o v ，所以根据式( 2 9 ) 可得反向重复峰值电压臁r h 应为2 2 0 0 v 左右。 u 删2 ( 。缸1 ( 2 9 ) 综上所述，本课题的s c r 选用s e m i k r o n 公司的s k k t 4 3 0 2 2 e h 4 双 晶闸管模块，其技术参数： 反向重复峰值电压( 瞩) ：2 2 0 0 v 通态平均电流( v ) ：4 3 0 a 通态电流有效值( 矗m ) ：7 0 0 a ( 3 ) 支撑电容( c i c 3 ) 直流侧滤波电容的选择主要由电压纹波指标决定，再结合直流电压 波动应尽量减小的因素，选用同立公司生产的h c g f 5 a 2 w 1 0 3 y f 2 0 r ，9 个 电容采用三并三串的连接方式，与电容并联的放电电阻选l o o k 2 0 w 规 格。支撑电容参数： 电压：3 4 5 0 v 容量：1 0 0 0 0 uf ( 4 ) 滤波电抗l 电感量：1 5 m h 电流容量：3 5 0 a 根据三相全桥相控整流的谐波分析，我们知道当触发角越大( 0 。 o 9 0 。) ，谐波分量越大，根掘项目要求，可得最大相控角am a x = 5 7 。，这时，6 次谐波( 以工频5 0 h z 为基波) 幅值为2 6 5 v ，1 2 次谐 波幅值为7 0 3 1 v ，1 8 次谐波幅值为6 7 6 3 v 。我们选用单级l 、c 滤波。 单级滤波器的衰减系数为： 土 ( 2 1 0 ) 1 一“2 ：旦( 2 1 1 ) - - 去 c 2 j z ， m 为进入滤波器的谐波角频率，。o 是滤波器的谐振角频率。由上 述公式，可得滤波器的参数( m 取6 次谐波的角频率) 。1 2 次，1 8 次 谐波经过滤波器后，其衰减系数将更小，可忽略不计。 而且滤波器的l 过大，会造成负载电压波动，c 过大，会造成晶闸 管的电流增大。要合理选择滤波器的l 和c 值。 1 4 表2 - 2 单级滤波器中电感、电容、衰减系数三者之间的关系 衰减系数( )m i n ( l * c )l ( m h )c ( uf ) 170 3 6 1 2 4 = 4 1 7 7 0 3 6 2 x 1 0 。6 o 888 0 0 l1 00 0 0 1 3 5 = 2 8 6 1 0 1 3 2 1 2 1 0 5 o 81 30 0 0 11 40 0 0 1 4 8 = 2 0 8 1 3 7 9 0 9 4 1 0 5 o 8 1 70 0 0 11 80 0 0 1 6 3 = 1 5 9 1 8 0 1 2 6 5 1 0 - 5 0 82 25 0 0 根据表2 2 选择平波电抗为l m h ，3 5 0 a ，滤波电容为1 8 0 0 0uf 。 由于电容的电压和容量都达不到所需的数值，所以用电容的串连和并联 的组合满足要求。选用同立公司生产的h c g f 5 a 型，电压4 5 0 v ，电容1 0 0 0 0 pf ，三串四并或五并。放电电阻选l o o k 2 0 w 。 ( 5 ) 晶闸管r c 吸收回路 根据书上的近似公式和实际应用的参数，c = ipf ，耐压2 5 0 0 v ，r = 1 0q ，p = 5 0 w 。 ( 6 ) 散热器 根据通态电流大小以及器件的参数，选择北京瑞阳达公司生产的 s f l 4 型风冷散热器，采用强迫风冷。 ( 7 ) 空气开关q 1 三相3 8 0 v 交流6 0 0 a ( 8 ) 交流接触器k m l 三相3 8 0 v 交流6 0 0 a ( 9 ) 直流接触器k m 2 d c l 0 0 0 v 4 0 0 a ( 1 0 ) 熔断器f u s e l f u s e 4 5 0 0 a 2 3 3 整流系统主电路图 系统的主电路原理图如图2 1 4 所示。 图2 1 4 摧流器主电路原理幽 在上图中，q l 是空开；k m i 为交流接触器；f u s e i f u s e 4 为电流 熔断器，在整流器不正常时起保护作用；t r i 是整流变压器，把电网电 压( a c 3 8 0 v ) 升到所需的电压值；t 1 t 6 采用s c r ，组成三相整流网络； l 为输出滤波电抗，c l 、c 2 、c 3 串连构成输出滤波电容；整流器的输入 输出有电压检测模块( 电压l e m ) 和直流电流检测模块( 电流l e m ) ，检 测值传输到控制系统进行处理，用于控制、显示和保护；开关电源负责 给整个控制系统供电；控制系统采用数字信号处理芯片( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 为主控芯片，它通过对整流器的输出电压的采样，并进行软件p i 调节， 给出电压给定值信号，c a 6 1 0 0 驱动板根据电压给定值，给出相应的触 发脉冲，从而实现输出直流电压的闭环控制；l c d 用于显示整流器的输 出电压和输出电流，以及异常情况时系统的状态。 1 6 第三章控制系统设计 本章主要介绍了控制系统的结构、功能，以及各部分的组成。 3 1控制系统功能及原理框图 控制系统包括：主控制板( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 、c a 6 1 0 0 驱动板、数字 温度传感器( d s l 8 8 2 0 ) 、开关电源、显示部分( l c d ) 、电压电流采集、 脉冲模块、驱动模块、保护逻辑电路等。 主控制板的功能包括以下几部分： ( 1 ) 直流电流检测：对输出直流电流进行检测，用于显示和过流 保护。 ( 2 ) 直流电压检测：对输出直流电压进行检测，用于闭环控制、 显示和过压保护。 ( 3 ) 交流电压检测：对输入交流电压进行检测，用于显示和过压 保护。 ( 4 ) 散热器温度检测：对散热器温度进行检测，用于显示和过温 保护。 ( 5 ) 电压给定检测：电压给定用于p i 运算的给定量，决定输出直 流电压值。 ( 6 ) r u n s t o p ：通过检测r u n s t o p 按钮的状态，决定整流器运行 和停止。 ( 7 ) 显示部分：显示部分包括电压电流表、电源指示灯、故障显 示灯以及报警器，显示直流电压值、直流电流值，同时在异常情况发生 时，显示故障的性质；电源指示灯用于表示整流器是否正处于运行状态 ( 绿色灯光) ，故障显示灯在整流器处于故障状态时亮( 红色灯光) ，报 警器发出报警声，用于提醒工作人员整流器出现故障状态。 ( 8 ) 接触器的控制：k m l 、k m 2 都由控制系统进行控制。 ( 9 ) p 1 闭环控制：主控制板根据电压给定值和直流电压反馈值进 行p i 运算，给出玩，信号，并传输到c a 6 1 0 0 驱动板。 控制系统原理框图如图3 1 所示。 图3 1 控制系统原理框幽 3 2d s p 控制电路 d s p 是整个控制系统的核心，它完成了对可控硅进行相控、对输入 输出进行采样、温度检测、保护电路、显示等功能。其特点是能够处理 的运算量大，能满足较高的速度要求。 3 2 1d s p 2 4 0 7 概述 本课题选用了美国t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片，2 4 0 7 具有强大 的数字处理能力，主频4 0 m h z ，内置a d 采用模块、d a 输出模块以及 丰富的i 0 接口。t m s 3 2 0 系列d s p 专为实时信号处理而设计，该系列 d s p 控制器将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系 统应用提供了一个理想的解决方案。芯片系列具有灵活的指令集，高速 的运算能力，改进的并行结构和有效的成本。其中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 尤其 适用于电力电子、电机控制等领域。 除了以上特点外，2 4 0 7 还具有以下优势“”，使之成为本控制器的 首选。 ( 1 ) 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序 r 删，5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 ( 2 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定 时器；8 个1 6 位的p w m 通道，它们能够实现p _ | v m 的对称和非对称波形； 1 6 通道a d 转换器；p 1 】m 可编程死区控制等。事件管理器模块丰富的资源非 常适用于控制各种电机、逆变器和电力电子装置。 ， ( 3 ) 可扩展的外部存储器共有1 9 2 k 字：6 4 k 程序存储器；6 4 k 数据 存储器；6 4 k 字i o 寻址空间。 ( 4 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，触发灵活，响应时间 迅速。 ( 5 ) 中断资源丰富。 与系统中控制软件设计相关的重要的c p u 内部功能模块主要有： ( 1 ) 累加器a c c ，3 2 位寄存器，用来保存c a l u 计算结果并为下一次 计算提供输入，是最重要的运算模块。 ( 2 ) 中央算术逻辑单元c a l u ，芯片主要算术逻辑单元，一个单机 器周期内执行3 2 位操作。 ( 3 ) 数据存储页面指针d p ，9 位，加上一个指令字的低7 位形成1 6 位的直接寻址地址。 ( 4 ) 中断屏蔽寄存器i m r ，各位分别屏蔽或使能对应的7 个中断。 ( 5 ) 中断标志寄存器i f r ，用于标志2 4 0 7 已进入t 6 个可屏蔽的中 断中的任意一个。 ( 6 ) 输入数据定标寄存器i s c a l e ，它能将输入的1 6 位数据的o n l 6 位在本周期内向左移位得到犯位输出，其操作不需要额外的周期。 ( 7 ) 输出数据定标寄存器o s c a l e ，将3 2 位累加器输出左移o n 7 位， 以实现数据的归化管理和运算。 3 2 2 d s p 数据存储器和寻址方式 d s p 数据存储器和其寻址方式是编程的重要基础，因为所有的数据、 完成指定功能的状态寄存器都有特定的地址。 数据存储器空间的寻址范围高达6 4 k 字，其中b 0 块既可配置为数据 存储器，也可配置为程序存储器，b 1 和b 2 块只能配置为数据存储器。可 以看出，d s p 有很宽的数据寻址范围。 同时，d s p 指令为之提供了灵活的寻址方式“”： ( 1 ) 立即寻址方式：在指令字中包含指令所需的8 位、9 位或者1 3 9 位立即数。 ( 2 ) 直接寻址方式：最常用的寻址方式。数据存储器地址以1 2 8 为 单位分成6 1 2 个数据页，寻址时，用状态寄存器s t o 中的9 位数据页指针 d p 指明数据页，然后由指令寄存器的7 位最低有效位提供7 位偏移量。为 了得到这个1 6 位地址，处理器将9 位的d p 值和7 位偏移量连接起来。在编 程时必须初始化d p 。这是使用最多的寻址方式。 ( 3 ) 间接寻址方式：用8 个辅助寄存器a r o a r 7 提供1 6 位地址，可 以访问6 4 k 数据存储器空间的任意单元。而选择a r o a r 7 由状态寄存器 s t o 中的3 位辅助寄存器指针a r p 选择。 3 2 3 中断问题 d s p 处理器有强大而灵活的中断资源，满足程序设计的大量的外设 中断需要“”。本系统的控制软件就必须利用其中断资源完成相应的功 能。 c p u 支持6 个可屏蔽中断和一个不可屏蔽中断。6 个可屏蔽中断t n t 1 i n t 6 有各自的优先级和中断入口地址向量。 d s p 为了扩充系统可响应的中断个数，中断请求应答硬件逻辑和服 务软件都是两级的层次。先由外设向中断控制器产生一级中断请求，在 外设配置寄存器有中断标志位和使能位与之对应，然后再向c p u 产生请 求。c p u 按照优先级顺序响应中断请求。 每个外设中断向量请求都会产生一个唯一的外设中断向量，装载在 外设中断向量寄存器( p i v r ) 里面，供c p u 辨认不同的外设。然后c p u 产生 一个转到该中断服务子程序入口的向量。 因此在中断软件结构上就要设计两级：通用中断服务子程序g i s r 和特定中断服务子程序s i s r ，在g i s r 中保存上下文，从p i v r 中读取外设 中断向量，用来产生转移n s l s r 的入口，在s i s r 中执行对外设事件的响 应。 c p u 的中断标志寄存器i f r 和中断屏蔽寄存器i m r p i v r 等都有响应 的地址映射。 3 2 4i o 端口概述 d s p 2 4 0 7 系列有多达4 1 个通用、双向的数字i 0 弓) 脚，大多数都是基 本功能和一般i 0 复用引脚。d s p 数字端口