（电力电子与电力传动专业论文）交流稳流源控制技术相关问题研究.pdf

a b s t r a c t d e t a i l e dr e s e a r c ho nt h ec o n t r o lo fc u r r e n tr e g u l a t e di n v e r t e ri s p r e s e n t e d i nt h i st h e s i s c o n t r o lt e c h n o l o g i e so ft h ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o ns t a g ea n dt h ei n v e r t e rs t a g ei m p l e m e n t e db yb o t ha n a l o ga n d d i g i t a lc o n t r o lm e t h o d sa r ed i s c u s s e d t h em i x e dc o n t r o ls t r a t e g yw h i c h i sb a s e do nt h ea n a l o gc o n t r o lf o rc o n v e r t e r sa n dt h ed i g i t a lc o n t r o lf o r t h es y s t e mi sp r o p o s e d ，a sw e l la st h ed i g i t a lr e a l - t i m ec o n t r o ls t r a t e g yf o r c o n v e r t e r so f t h ec u r r e n tr e g u l a t e di n v e r t e r t h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o na n a l o gc o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e d f o r t h ea n a l o gc e n t r e lo ft h ei n v e r t e r , ad u a m o o pc o n t r o ls t r a t e g yw i t h a v e r a g el o a dc u r r e n tf e e d b a c ki si n t r o d u c e df i r s t ；t h e ni no r d e rt os o l v e t h ep r o b l e m so ft h i ss t r a t e g y , a n o t h e rd u a l l o o pc o n t r o ls t r a t e g yw i t h i n s t a n t a n e o u sl o a dc u r r e n tf e e d b a c ki sp r o p o s e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l t h et w oc o n t r o lm o d e sa r e c o m p a r e d ，a n dt h e s i m u l d t t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ea n a l y s i s t h em i x e dc o n t r o ls y s t e mo ft h ec u r r e n tr e g u l a t e di n v e r t e r , w h i c h e m p l o y sa n a l o gc o n t r o lc i r c u i t s t of u l f i l lt h ec o n t r o lo ft w o - s t a g e c o n v e r t e r sa n du t i l i z e sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mt oi m p l e m e n tt h em o n i t o ro f t h ec u r r e n tr e g u l a t e di n v e r t e ra n dt h et h e r m a lt e s t ，i s d e s i g n e da n d d e v e l o p e d t h er e a l t i m ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hw i l ls u b s t i t u t ea n a l o g yc o n t r o l f o rt h ec u r r e n tr e g u l a t e di n v e r t e r , i n c l u d i n gt h ec o n t r o lf o rb o t hp f ca n d i n v e r t e r , i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s a tl a s t , ad s p b a s e dl o wp o w e r p r o t o t y p eo f c u r r e n tr e g u l a t e di n v e r t e ri sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d k e y w o r d s ：c u r r e n tr e g u l a t e di n v e r t e r , p f c ，i n v e r t e r , d s p 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1交流稳流源介绍 l 。1 1 低压电器及其温升试验 如图( 1 1 ) 所示的断路器，以及其它热继电器、熔断器等低压电器广泛的 应用于输、配电网络。低压电器一般都有过流、短路、过载保护功能，保护功能 的实现过程为；检测元件实时监测电压、电流，如果超过预设阀值，断路器的脱 扣器动作，触点分开，分断电流。低压电器的温升试验如长延时热脱扣试验是每 一台低压电器出厂试验和型式试验的必做项目，试验的目的是考核产品的热效 应；电流与热量之间是平方关系，为保证温升试验的准确性，测试正弦电流必需 稳定、精确。根据国家标准g b l 4 0 4 8 2 - 9 4 要求，长延时热脱扣试验的电流误差 不大于2 ，正弦波失真度小于5 ，测试电流波形如图( 1 2 ) 所示。 图( 1 1 ) 三相断路器 = a 、 1 图( 1 ，2 )测试电流波形 1 1 2 传统的温升试验方法 为了达到稳流的目的，以进行温升试验，传统的测试方法是通过变压器对 断路器施加一个测试电压来获得一个测试电流。但在测试过程中，由于电网电压 的波动、载流回路中引线电阻变化、负载本身电阻变化，测试电流随之变动，不 能满足国标要求，所以稳流过程必须通过闭环反馈来实现。目前交流稳流主要采 塑垩查兰堡主兰堡堕奎 用如下方法j ( 1 ) 采用反馈系统控制何服电机，通过机械传动系统调节自耦调压器来实 现调压稳流。由于电机和传动系统的机械惯性调整速度较慢且易产生 振荡，很难实现稳定的调节。 ( 2 ) 用具有反馈系统的可控硅调相电路来实现稳流。但该方法通过调整可 控硅截止角实现调压稳流，正弦波将严重畸变，不能满足波形精度要 求。 ( 3 ) 以铁磁元件为调整元件( 磁放大器) 的稳流线路。它的不足之处：因为 磁惯性大，响应时间较长：磁系统的线性工作区小，一般情况下只能 实现小范围定点稳流；磁系统会产生严重的波形畸变，功率因数低。 ( 4 ) 采用电压分节网络。使用一个多绕组变压器，反馈系统通过双向可控 硅在正弦电流过零点切换绕组调压，实现稳流。缺点在于：稳流精度 取决于绕组间的最小变比，不能消除电网电压的畸变的影响。 ( 5 ) 采用模拟的功率放大器，其优点是波形的线性度好、稳定度高、失真 度小、波形平滑，但它的缺点是效率低下、发热量大、严重影响整机 的工作。 1 1 3 新型的交流稳流源 如上所述，传统的电流稳流与温升试验方法都存在着各种各样的问题，难 以满足国家标准中有关温升试验的各项技术指标，还存在着测试效率低下、操作 人员工作量大等的问题。 电力电子技术是采用功率半导体器件对电能进行高效率地转换：控制和优 化利用的技术，半个世纪以来，飞速的发展已经使其与工农业生产、通信、航空 航天、国防以及人们的日常生活密不可分，日益成为国民经济的支撑技术和产业 基础之一。由于新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的 软件不断应用到开关功率变换器中，加速了电力电子技术的发展，使电力电子装 置具有频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高等显著优点。 新型的交流稳流源是一种采用电力电子技术研发而成的、应用于低压电器 温升试验( 如长延时热脱扣实验) 的设备。利用现代电力电子技术研制出的交流 稳流源，具有高功率密度、工作稳定可靠、输入功率因数高、输出精度高、波形 失真度小、效率高的优点，可以解决( 1 1 2 ) 中各种方法的缺陷，并能同时对多 台低压电器自动进行温升热测试试验，使测试效率大大提高。一种基于开关功率 变换技术的交流稳流源的系统如图( 1 3 ) 所示，其工作条件和技术指标如下： 2 浙江大学硕士学位论文 市矿7 输 空气 开关 一 i 。卜、 一f 土一一 j l j 泛1 * l jl 币控整流 s p 删逆变升流变压器 四釜 国 图( 1 3 ) 交流稳流源系统 输入电压：u a c = 2 2 0 v a ：2 0 ，频率f = - 5 0 h z 士5 。 输出电流：1 6 1 6 0 a ，线性可调。 最大输出功率p o = 5 k w 。 开关频率：乓_ 2 0 k h z 。 负载为纯阻性，六个工位断路器串联。 稳流精度兰l 、电流波形失真度s 5 、响应速度s o 0 4 s 。 1 2 交流稳流源控制技术的相关问题与研究意义 1 。2 1 电力电子控审4 技术 电力电子装置的控制技术是与电力电子技术同步发展起来的。从学科方面 来分，电力电子学由电力、电子与控制这三大部分组成；从组成来分：电力电子 技术主要分为功率器件、电路拓扑和控制三部分。目前电力电子器件方面的发展 主要表现为m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等现代电力半导体器件的广泛应用，电路 拓扑的发展主要集中在p w m 拓扑和软开关技术方面，传统模拟控制技术仍然成 为变流器的主流控制技术，但是数字控制技术则是控制方面发展的方向，并将随 着信息技术的突飞猛进，对电力电子技术的发展起到巨大的推进作用。 传统的变流器模拟控制技术具有它自身的一些优点，例如，可以通过小信 号建模对系统进行比较深入地分析，可以利用非常成熟的控制理论和分析手段 ( 如波特图、根轨迹等) 对控制环节进行设计，可以选用大量的专用控制芯片， 成本低等等，使得模拟控制技术仍然是当前主流的变流器控制手段，特别是在中 小功率以及一些要求成本低、体积小的应用场合，比较典型的例子有电源适配器 a d a p t e r ，d c d c 模块b r i c k 等。 随着信息技术和微电子技术的迅猛发展，近年来数字技术得到的飞速的发 展，已经深入到工业生产和人们生活的各个领域。数字技术也逐渐向电力电子技 塑鋈奎兰垦主兰堡丝兰 术中渗透。电力电子数字化首先从系统开始，并逐濑向开关功率交换器的实时控 制深入。电力电子装置的数字化控制应用类型如图( l 4 ) 所示。电力电子装置 的数字化大致可以分为两类：装置系统的数字化控制和开关功率变换器的数字 化，其中前者中又可分离出系统间及人机的通讯数字化【2 j 。开关功率变换器的数 字化是指对功率开关的状态实时控制，它极大地简化了变换器控制的硬件，并且 由于数字控制系统自身所具有的受元器件参数变化影响小、抗干扰能力强等特 点，从而提高了系统的长期稳定性、可靠性和控制精度。高频开关功率变换器的 数字化至少还具有以下优点：易于实现片上系统，易于实现生产标准化，控制 参数灵活，可以采用先进算法以提高控制性能等。 国( 1 4 ) ：电力电子装置的数字化应用 文献 2 l 】、 2 2 中描述了一些在电力电子系统级别上所做的数字化工作，包 括开关电源并联系统数字均流技术、电源模块智能监控、u p s 的数字控制系统、 电源的网络化通讯问题等。文献 2 1 、 2 2 、【5 _ 【8 、 1 0 】- 1 2 中描述了一些在开 关功率变换器数字实时控制方面所作的工作，包括b o o s ta p f c 交流器的数字控 制、移相z v sp w m 全桥d c d c 变流器的数字控制、单相逆变器的数字控制、 直流电机的数字控制等。从这些文献中可以看出，当前电力电子装置数字化的工 作仍然集中在两个方向：系统级的监控与通讯，以及单一变流器的数字实时控制。 近年来，为了使变流器获得更好的性能，一些先进的控制技术被应用到了开关功 4 浙江大学硕士学位论文 率变换器中，包括无差拍控制( d e a d b e a tc 咖r 0 1 ) “1 8 1 、模糊控制8 】【l j 1 6 1 、重复 控制【1 7 】、滑模变结构控制1 5 l 、神经网络、专家系统等，由于能达到更好的性能， 先进控制技术是未来电力电子装置数字化的个发展方向。 1 2 2 交流稳流源控制技术的相关问题 交流稳流源本质上是由两级开关功率变换器组成的电力电子装置，它包括 了前级的功率因数校正电路和后级的逆变电路，因此，对交流稳流源控制技术的 研究依赖于电力电子变流器的控制技术。如( 1 2 1 ) 中所述，开关功率变换器的 控制技术又可分为模拟控制技术和数字控制技术，这两种控制技术中各自又有多 种控制策略和不同的实现方式，因此，需要从这些控制技术当中选择出一些控制 策略来进行分析、实验和对比，以满足交流稳流源装置控制的需要，以及优化交 流稳流源的性能。交流稳流源的控制主要包括了以下几个方面的问题： ( 1 ) 交流稳流源前级功率因数校正电路控制策略的选择、控制电路的设计 与实现； ( 2 ) 交流稳流源后级逆变电路控制策略的选择与比较，如何保证技术性能 指标得到满足，以及控制电路的设计与实现； ( 3 ) 交流稳流源如何自动完成温升热测试试验； ( 4 ) 如何发挥数字控制技术的优势，实现交流稳流源的数字化控制。 1 2 3 研究意义 目前全国生产低压电器的工厂，都没有生产稳流源和长延时热脱扣试验台 产品。现有的稳流源是8 0 年代产品，技术落后，并且只能单工位试验，生产效 率低；而且出口的低压电器不允许用调压的办法代替，必须用稳流源进行长延时 热脱扣试验。因此有必要采用更为先进的技术生产新一代的交流稳流源。 通过对交流稳流源控制技术相关问题的研究，首先可以推动达到具有实用 水平的交流稳流源装置的研发和生产，尽快实现产品化，摆脱当前长延时热脱扣 试验用调压器人工手动调压，电流误差不能达到国家标准、测试效率低下等现状。 其次，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，可以确定交流稳流源的最佳控制方法，使交流稳流源的性能得到进一步的优 化，严格满足国家标准规定的技术指标。 再次，通过对交流稳流源数字化技术的研究，数字控制系统的建模、分析、 设计及实现，可以发挥数字控制技术的优势，对于电力电子装置数字化技术的应 用与发展具有一定的贡献。 i 3 论文的框架与研究内容 论文的框架结构如图( 1 5 ) 所示。 交流稳流源控制技术相关问题研究 模拟控制技术i | 系统级数字控制技术i l 变流器数字实时控制技术 功 奎 因 数 校 止 控 制 逆 变 器 平 均 值 控 制 逆 变 器 瞬 时 值 控 制 人 机 界 面 及 系 统 监 控 p f c 电 路 的 d s p 控 制 p f c 电 路 的 d s p 控 制 基 _ 丁 d s p 的 小 功 蛊 样 机 图( 1 5 ) ：论文的框架结构 本文对交流稳流源功率因数校正电路进行了设计，在逆变器的模拟控制技 术研究中，首先介绍了外环平均值反馈的双环控制策略，针对该策略出现的失真 度问题，将外环瞬时值反馈的双环控制策略应用于稳流源逆变器的控制中，进行 了详细地分析、仿真与实验，并对这两种控制策略进行了比较。 设计并研制了新型的交流稳流源数模混合控制系统，采用模拟控制技术来 实现对二级变流器的控制，利用系统级数字控制技术来完成交流稳流源的监控和 温升试验。 研究了交流稳流源的数字实时控制技术，包括数字功率因数校正技术和逆 变技术，以取代模拟控制技术对二级变流器的实时控制。设计并调试了一台新型 的基于d s p 的小功率交流稳流源装置。 浙江大学硕士学位论文 2 相关技术研究文献综述 交流稳流源控制技术主要包括了前级功率茵数校正电路的控制和后级逆变 电路的控制，从实现方式上来讲又包括模拟控制技术和数字控制技术，本章中对 这些技术的相关背景和研究现状进行了介绍。 2 1 功率因数校正技术 在开关电源中不控整流电路的大量使用，给交流电网带来了太量电流谐波， 严重畸变的非正弦电流会对电网产生很大危害，甚至产生严重后果。理想的公共 电网所提供的电压应该是恒频恒压的正弦波，谐波电流的出现对电网是一种污 染，它使用电设备的工作环境恶化，也对通信系统和电网以外的系统造成影响。 谐波对电网和其他系统的危害大致有以下凡个方面：谐波使电网中的元件产生附 加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波电流会使电 网中线过热甚至起火。谐波影响各种电气设备的正常工作，对电机和变压器的影 响除了引起附加损耗之外，还会产生机械震动、噪声和过电压，使电机或变压器 局部过热：同时，谐波还会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以 至损坏；引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波被放大，形成恶性 循环，大大增加上述危害。谐波会导致继电保护和自动装置受到干扰而误动作， 并会影响电气测量仪表的准确性。谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生 噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失。 2 1 1 功率因数、畸变因数和t h d 的定义 通常电网中电压畸变很小，而电流畸变较大，因此可以认为电压波形为正 弦波。对于功率因数的定义可以研究在电压为正弦波时，分别为线性负载和非线 性负载下的两种情况。 在线性负载的情况下，电路中的电压和电流均为正弦波。设电压和电流可 分别表示为： “：以d s i n ， 一一 ( 2 1 1 i = 、2 i s i n ( m t 一= 2 ，c o s 平s m ( 1 ) f - , 2 1 s i n 9 c o s c o t = i 。+ 屯 。 式中妒是电流滞后于电压的相角。 电路的有功功率j d 就是其平均功率，即： 肚去f = u i d ( m t ) 2 去知扫州b ) d ( m t ) 堋c o s ( p ( 2 - 2 ) 工程上把电压和电流有效值的乘积称为视在功率，用s 表示，所以有： 浙江大学硕士学位论文 s ：明( 2 3 ) 因此，有功功率的最大值就是视在功率s ，为了反映p 接近s 的程度，定义 有功功率和视在功率的比值为功率因数a ，所以 五：一p ：u t c 0 s f o ；c o s ( 2 4 ) 五= 一= 一= l * ， su i 正弦电路的功率因数是由电压和电流的相角差决定的，在线性负载情况下， 功率因数就是c o s p 。 在非线性负载的情况下，电流中含有谐波，不再是正弦波形。 非正弦的周期函数可以用傅立叶级数表示，由此可得出电压和电流的有效 值为： u = 1 3 v f 2 5 1 k 、f 0 v = ， 在电压波形为正弦波时，有功功率为： 肚去fu i d ( c o t ) 2 善c o s 旷u 1 1 c o s 吼 ( 2 石) 因此，视在功率为： s = u i = 辱辱 ( 2 7 ) 这时功翠凼数为： p f ：! ：塑：量c o s 9 ，：k dcos吼(2-8) su 1i 。1 其中t g = i i 1 是基波电流有效值和总电流有效值的比，称为畸变因数，而 c o s 6 p 1 称为相移因数。由上述推导可见，功率因数是由电流波形畸变、基波电流 与电压的相角差两个因素共同决定的，而总电流可以看作由基波有功电流、基波 无功电流和谐波电流三个分量组成。 通过上述推导，可引入总谐波畸变t h d ，定义为谐波电流有效值和基波电 流有效值之比，即： 一 、f l 2 t h d ：卫生_ 1 0 0 ( 2 - 9 ) l 而畸变因数k d 和t h d 之间的关系为： 浙江太学碗士学位论文 岛= 争志 ( 2 1 0 ) 2 1 2 有源功率因数校正( a p f c ) 电路 为了改善网侧电流波形，抑制谐波污染，提高功率因数，可以采用无源滤 波器和有源功率因数校正两种主要方法。无源滤波器是在不控整流电路的整流桥 和电容之间串联一个滤波电感或在交流侧接入滤波器，其主要优点是方法简单、 低成本、低e m i 和高可靠性。但缺点也很明显，主要有体积大、重量大、负载 适应性差，获得的功率低等等。 有源功率因数校正( a p f c ) 则是在整流桥和负载之间接入一个d c d c 变换 器，应用电流反馈技术使输入端电流波形跟踪输入的正弦电压波形，其输入电流 t h d 可以达到5 以下，而功率因数可提高到o 9 9 以上。由于采用了有源器件， 因而这种方法被称为有源功率因数校正。这种方法的优点主要在于体积小、重量 轻、可以得到很高的功率因数和很小的t h d 、负载适应性高、输入电压适应性 高等。而它也存在一些缺点，如电路复杂、成本高、效率低和e m i 高等。随着 电力电子器件成本、体积的降低，制造工艺水平的不断提高，有源功率因数校正 技术正被越来越广泛的采用。 与通常的高频功率变换器一样，有源功率因数校正装置也由主电路和控制 电路组成。三相或单相的交流电经过整流后变成脉动的直流电压。后级的滤波器 与传统的工频滤波器不同，由于它主要是甩来滤除后级功率变换器产生的高频分 量，所以滤波器的截止频率较高，从而可以保证电流波形仍能较好地跟随电压波 形变化。控制电路通过电压和电流传感器采集各融电量的值，并依据一定的控制 策略对功率主电路的开关管进行控制，从而保证单位功率因数的实现。 功率因数校正的控制方案针对所处理的功率等级大体上包括连续导通模 式控制( c c m ) 和不连续导通模式控制( d c m ) 两大类。8 0 年代，对于有源p f c 技术的研究主要集中在工作在c c m 模式的b o o s t 变换器上，通常这类p f c 都是 基于所谓“乘法器”原理【”。由于这类p f c 的主电路工作电流连续，因此可以处理 较大的功率容量，但通常控制电路都比较复杂。属于这类控制策略的包括：电压 控制方式、峰值电流控制方式、平均电流控制方式等多种，其中以平均电流控制 方式应用最为广泛。8 0 年代末提出了利用工作在d c m 方式下的p f c ，有文献称 之为“电压跟随器”( v o k a g ef o l l o w e r ) ，大大简化了控制电路的复杂程度，但一般 允许处理的功率较小，通常在2 0 0 瓦以下。最近，各种更为简单和实用的控制方 案被提出，如非线形载波控制( n o n l m e a rc a r r i e rc o n t r 0 1 ) ，通用脉宽调制控制器 ( g e n e r a lp u l s e w i d t h m o d u l a t o r ) 等。 9 浙江大学硕士学位论文 2 2 正弦波逆交电路介绍 随着电力电子技术的发展，目前已经出现了众多的逆变器调压方式，主要 可以分为三大类：直流端调压、逆变器内部调压和输出端调压。其中直流端调压 主要指相控式和斩控式两种调压方式；逆变器内部调压又有各种组合调压方式， 按输出电压极性有单极性p w m 和双极性p w m ，按调制信号形状有矩形波p w m 和正弦波p w m ( s p w v 1 ) ，按开关频率有同频式和倍频式。各种调压方式各有优 缺点，因而适用于各种不同的场合。本文的工作主要是针对正弦波稳流源逆变器， 因此这里着重讨论逆变器的s p w m 调压方法。 如图( 2 1 ) 是电压型全桥逆变电路的主电路，其中输入直流母线电压为魄， 输入母线电流为，输出滤波电感上的电流为i ，滤波电容上的电压为。两组 桥臂的中点为订和b ，两点的电压差为配6 ，称为逆变桥的输出电压； 图( 2 1 ) 全桥逆变电路 r 在s p w m 调制方式中，载波信号电压酢为三角波，其频率为五，幅值为 。；调制波信号电压为正弦波，频率为石，幅值为，跚。定义两个反映载波 和调制波相互联系的物理量：幅度调制比辨定义为正弦调制波的幅值与三角载 波的幅值之比，小= 以配。；频率调制比足定义为三角载波的频率与正弦调制波 的频率之比：k = f j f 。 ( 1 ) 单极性s p w m 调制方式 1 单极性是指在一个载波周期内，逆变桥的输出龟压( 即两桥臂中点间电压) 【k 只有0 和正电压或0 和负电压。图( 2 2 ) 为单极性s p w m 调制方式的脉冲 分布图，从图中可以看出，单极性s p w m 调压方法下，t 1 和t 2 的门极控制信号 工作于三角载波的频率f c ；t 3 和t 4 的门极控制信号的频率与正弦调制波的频率 e 相等。 1 0 一 耕 -专也一 -一降卜 浙江太学硕士学位论文 ，a i 舻7涮洲珊於八房 二 vvvvi 7 f * 过毕7 j 。 l ；l l 一 一 hi矗 ：； l ；三；l ； 1 。一 h_l l l l i 一： 一： 碡 川 图( 2 2 ) 单极性s p 珊调压方法 ( 2 ) 双极性s p w m 调制方式 图( 2 3 ) 为双极性s p w m 调制方式的脉冲分布图。从图中可以看出，双极 性s p w m 调压方法下，t 1 、t 2 、t 3 、t 4 的门极控制信号工作于三角载波的频率 f c ；t i 和t 4 门极控制信号相同，t 2 和t 3 门极控制信号相同；t 1 、t 4 与t 2 、t 3 门极控制信号互补。 根据平均值模型，假定一个载波周期内的电压平均值等于基波电压的瞬时 值，可得： u a b l2 m u d s i n m t 因此在双极性s p w m 调压方法中，逆变桥的直流母线电压的利用率为： a ，= m u d ( 4 2 u d ) = 0 7 0 7 m 根据理论和计算机数值分析可得： 输出电压基波幅值a 。随调制比m 的变化连续可调输出，在k 值较高条 件下，aj 和历问有线性关系，且与岸值无关。 当k 值较低时，调压的线性度变差，a l 的实际值高于线性值，且册值 越高，偏差量越大，这种现象可以通过输出电压频谱分析得到解释。 塑望奎兰堡主兰堡堡兰 f硎耐 虬 舰f 八狐a 纱 vvv 、 弋( 土铲 ， j； il 厂 一 几n 。- - 。一 几r。一 h _ 。一广 。一 0 了 图( 2 3 ) 双极性s p 咖调压方法 如图( 24 ) 所示，频率最低的一个频带，其中心频率为0 9 。，中心频率与基 频相距为( k - 1 ) ，由于边频谐波幅值自中心频率向两侧衰减，因此，若世值 较高，相当于c o 。远离c o ，边频谐波幅值在接近以前就衰减为零，无混叠现象 产生，基波幅值完全由m 控制并呈良好的线性关系。相反，在若k 值较低时，。 接近c o ，这时产生混叠现象，尤其卅较大时，边频谐波较高。这就破坏了基波 幅值随m 线性变化的规律，出现了m 值越高，向上偏离值a t 越大的现象。 上面的两个结论对于上面的单极性s p w m 都是适用的，只是具体的频谱图 有稍微的差别。 图( 2 4 ) 逆变桥输出电压的频谱图 与双极性s p w m 调制方法相比，单极性s p w m 调制方法下，由于t 3 和 -+1 浙江太学硕士学位论文 t 4 两个开关管的工作频率为低频( 调制波频率) 所以可队选择要求较低的低频 开关管，同时开关损耗也大约只有双极性调制方武的1 2 。对予逆变桥输出电压 的谐波含量，通过计算机数值分析得到的结论是单极性调制小于双极性调制。不 过值得注意的是，在单极性调制的工作方式下，当负载比较轻的时候，可能出现 电感电流断续现象，而在双极性调制方式下不会出现电流断续。 ( 3 ) 倍频单极性s p w m 调压方法 八 4。，# 醅涨蹶孙谳_ ：心l 一，州i v ； j ： 瓷 一 f 一， ? i ￥ aa 扒 a 漶 i 雕j i ： jj ! 。l ：l ji l ：1 i i i l i 一- i l - 1 ：广 n几 。_ ： n 1n 厂1 厂_ 呻 i ：l 广- - i ：； ： - - 、： l_ ： i 广h ： l ：1 1几nh _ l 彳 世 图( 2 5 ) 倍频单极性s p w l d 调压方法 图( 2 5 ) 是倍频单极性s p w m 调压方法的示意图，所谓倍频是指逆变桥的 输出电压6 的脉动频率五与逆变器中开关元件的开关频率五间存在以下关系： ( 2 1 1 ) 在倍频单极性s p w m 调压方法中，包含两个载波信号和一“。，各个开关管 的门极控制信号的产生逻辑如图( 2 5 ) 所示。在前两种s p w m 的调压方法中， 元件的开关频率与桥臂中点闻电压的脉动频率相等；在倍频s p w m 电路中，桥 臂中点间电压的脉动频率是开关频率的两倍。倍频单极性s p w m 调压方法的优 浙江大学硕士学位论文 点就在于同样的开关频率石下( 意味着开关损耗相等) ，6 的脉动频率提高了一 倍，谐波含量减少了1 ，2 ，输出滤波电感的纹波电流频率提高了一倍。因此，只 需要较小的电感和电容滤波器件，就可以起到同样的滤波效果。 倍频单极性输出电压频谱如图( 2 6 ) 中( b ) 所示，与双极陛s p w m 输出 电压频谱( a ) 相比，其谐波分布频率更高，幅值更小，有利于输出滤波器的设 计。 c ” 1 _卜| l | _ 1 1h 2 3 电力电子数字控制技术 电力电子数字化首先从系统开始，并逐渐向开关功率变换器的实时控制深 入。电力电子装置的数字化控制应用类型如图( 2 7 ) 所示。电力电子装置的数 字化大致可以分为两类：装置系统的数字化控制和开关功率变换器的数字化，其 中前者中又可分离出系统间及人机的通讯数字化【2 l 。开关功率变换器的数字化是 指对功率开关的状态实时控制，它极大地简化了变换器控制的硬件，并且由于数 字控制系统自身所具有的受元器件参数变化影响小、抗干扰能力强等特点，从而 提高了系统的长期稳定性、可靠性和控制精度。高频开关功率变换器的数字化至 少还具有以下优点： ( 1 ) 整个控制系统有望在单个芯片上实现( s o c 系统：s y s t e mo nc h i p ) ， 系统可靠性大大提高，且易于标准化； ( 2 ) 使功率变换器的控制更具灵活性，只需修改程序就可以轻易地改变控 制参数或控制方法，无需改变硬件，大大缩短产品设计周期，并符合集成电力电 浙江大学硕士学位论文 子部件模块化( i p e m ) 趋势： ( 3 ) 便于采用更先进、更复杂的控制方案，如模糊控制、重复控制、神经 网络控制等，提高输出电能的质量而不增加硬件复杂性： ( 4 ) 可以方便实现变换器的多重化、多电平、串并联等，从而可以在扩大 容量、提高性能、增强可靠性、降低电磁干扰( e m i ) 等方面发挥作用： ( 5 ) 电力电子产品的一致性好( 受器件参数分散性及漂移影响小) ，生产 制造方便，综合成本低； ( 6 ) 容易实现系统运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力 电子装置运行的智能化。 图( 2 7 ) ：电力电子装置的数字化应用 然而，高频开关功率变换器要实现数字化仍有相当的难度，需要有大的突 破。其难点主要包括： ( 1 ) 现有开关功率变换器数字控制系统由于采样、计算和数据处理时间的 存在，其开关频率收到限制，对处理器硬件要求较高，且仍然难以与模拟控制技 术所能达到的开关频率水平相比； ( 2 ) 变换器开关动作对采样的严重干扰：由于在一个开关周期内仅仅来得 及采样- - n 两次，变换器的瞬间开关噪声采样影响严重，对于那些需要快速反应 一 塑坚查堂堡圭堂竺笙壅 一一 的信号来说，模拟和数字滤波器均难以奏效。因此，必须探索符合开关功率变换 技术特点的简单有效的新的采样方法。 ( 3 ) 关功率变换器的数字控制的数学模型理论研究不够深入；目前在高频 功率交换器中所用的许多概念和方法犬都是直接从模拟控制中移植过来的，开关 功率变换器的数字控制设计大多数是基于或类似于模拟系统叫、信号状态空间变 量平均法”等线性连续模型的离散化；一些先进的数字信号处理技术在电力电子 领域罩应用极少。 ( 4 ) 高速运行下数字脉宽调制( p w m ) 分辨率的不足：在数字化的控制 中，p w m 的分辨率定义为p w m 输出的最小变化萤与输出满幅值的比值。若开 关频率为5 0 k h z ，d s p 的速度为2 0 m 口s ( 百万指令每秒) ，则p w m 的分辨率为 1 4 0 0 ，这一分辨率往往不能满足变换器的控制要求。如果要求对称 p w m 的相 对分辨率达到1 2 b i t ，即1 2 1 2 ，则d s p 的速度要达到4 0 0 m 1 p s 。 ( 5 ) 检测和计算的量化误差导致控制精度的显著下降：通常高速模数转换 器( a d c ) 的位数比较有限( 例如1 0 、1 2 b i t ) ，这个精度一般能达到变换器的控 制要求。但开关变换器若仅仅采用传统模拟控制的离散化控制方式，检测和计算 过程中都存在截尾或舍入的量化误差，很容易导致输出响应的极限环振荡，从而 会大大降低控制精度。 然而，电力电子系统数字化和开关功率变换器的数字实时控制仍具有重大 意义，是国际电力电子技术的研究热点和发展趋势之一，预计今后功率变换的数 字化控制将逐步取代模拟控制，占据功率变换控制技术方面研究和产品开发的主 导地位。当前，数字控制技术至少在下面8 个电力电子相关的应用领域具有重要 影响和产品商业价值： d c - d c ，v r m ，b o a r d m o u n t e dp o w e rs u p p l y ，p o i n t o f - l o a dp o w e rs u p p l y a c d c 变流器( 单相、三相功率因数校正) 电力系统灵活交流输电，有源电力滤波器 不间断电源( u p s ) ，变频器 照明电子 旋转、直线电机驱动 运输系统、电梯系统 高保真音频系统 浙江太学硕士学位论文 3 交流稳流源模拟控制技术研究 3 1 系统组成与结构 传统上对交流器的控制一般采用模拟控制技术来实现，模拟控制技术在数 模混合控制的结构中仍然具有相当重要的地位。数模混合控制数模混合控制技术 的基本思想就是充分发挥在电力电子技术中模拟控制技术的优势和现代数字控 制技术的优点，从而使整个系统的性能得到优化。开关功率变换器的模拟控制技 术是随同电力电子技术一起发展起来的，到目前为止已经是一种非常成熟的控制 技术，并成为绝大多数电力电子装置或产品的控制方式。众多的集成电路制造商 也推出了许多性能优良的模拟控制芯片，极大方便了对开关功率变换器的控制。 但是，对于许多电力电子装置而言，仅仅采用模拟控制技术难以实现系统功能， 如开机关机的时序控制、人机界面、系统状态监控等等，而这些功能采用数字控 制技术是很容易实现的。因此，当前在许多电力电子装置与设备中，广泛采用了 数模混合控制技术，即运用模拟控制技术实现对变流器的控制，采用数字控制技 术来实现系统级的控制，从而使装置的性能得到了优化。 市 输 lji 。1 恪r f j i 、 一 0 t i 】 一 l s p 删逆变 图( 3 1 )基于数模混合控制的交流稳流源结构 u 曩 罔 基于数模混合控制技术方案的交流稳流源的系统组成与控制结构如图 ( 3 1 ) 所示。功率主电路采用a c d c a c 结构，不控整流桥把单相交流市电变换 为正弦半波。p f c 电路由单相b o o s t 变换器构成，可以提高网侧功率因素，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。逆变电路为单相全桥拓扑，双极性s p 唧输出；完成正弦电压产生，快速调 压稳流功能。逆变输出的高频s p w m 波经过l 、c 滤波，得到平滑正弦波。由于负 载电阻小，电压低、电流大，采用升流变压器对负载进行降压升流。输出变压器 原边有3 个绕组，不同型号断路器选用相应的绕组，以适应负载的大范围变化。 塑墅兰堡主兰些堡壅一。 系统输入级与p f c 电路工作条件、技术指标和规格如表( 3 1 ) 所示 表( 3 ，1 ) ：p f c 电路技术规格 输入电压u n c = 2 2 0 v a c ：1 ：2 0 f = 5 0 h z 5 输出电压u o = 3 8 0 v d c 输出功率 p o = 5 k w 输入功率因数 p f 三o 9 开关频率f 0 = 2 0 k h z 不控整流桥 m d q - 1 0 0 a 斩波模块s k i v l 7 5 g a l 0 6 3 d内含i g b t 和快恢二极管 滤波电感 l = o 4 7 血h 微晶材料s n c l 0 1 铁基磁芯 输出电容 c = 2 2 2 0 0 u f h c g f a 系列电容 稳流源逆变器的工作条件、技术指标和规格如表( 3 2 ) 所示 表( 3 ，2 ) ：逆变电路的技术规格 输入电压u d = 3 8 0 v d c 输出功率p o = 5 k w 开芙频率 。= 2 0 k h z 变压器变比k t = 6 ，1 0 ，1 5 负载电流 1 6 1 6 0 a n m s f o = 5 0 h z 逆变输出电流 k t = 6 时，i o = 2 7 2 7 a k t = 1 5 时，i o = 1 1 1 1 a 斩波模块 s k m l 0 0 g a l 0 6 3 d2 只i g b t 组成的半桥 输出滤波电感 l = l m h 微晶材料s n c l 0 1 铁基磁芯 输出滤波电容c = 1 6 u fc b b 电容 p f c 电路的控制采用电感电流平均值反馈，可以工作于c c m 与d c m 两种状 态。稳流源通过对逆变电路输出电压的快速调整来实现稳流，所以逆交电路控制 性能优劣对于系统性能影响非常显著。逆变电路采用双环控制方案，内环为电感 电流反馈、比例校正，以提高系统的动态特性，外环为负载电流平均值反馈、p i 校正，以减小系统稳差。输出变压器的偏磁校正通过对电感电流的直流分量积分 实现。 稳流源的负载实际上是断路器的触点电阻，为了提高工作效率，一般采用 多个工位测试。在实际测试的试验台中共有6 个工位，六个断路器的1 8 个触点 串联工作；每个断路器的三个触点可以等效为一个电阻( 即为某工位的等效电 阻) ，某个工位断路器过热跳开后，与此工位并联的接触器将此工位短路，稳流 源继续对剩余断路器测试，直至所有的6 个工位均被短路，完成次测试。负载 浙江大学硕士学位论文 等效电路如图( 3 2 ) 所示。 图( 3 2 ) 负载等效电路 不同型号断路器特性差别很大，本稳流源所要测试的断路器特性为：触点 电阻阻值范围为0 0 2 0 1 6 0 h m ，测试电流范围为1 6 a 1 6 0 a ，通以相应的测试 电流后，电压范围为0 6 6 7 v 。在运行过程中，断路器从6 个工位逐一跳开， 直到空载，负载电压逐渐减小，测试中要经历多次动态过程。 数字控制部分由以m c s 5 l 微控制器为核心的电路组成，主要具有两个功 能。其一，作为人机接口界面，带有键盘输入和液晶显示模块，实现给定值设定、 负载电流显示等功能；其二，单片机与控制电路接口，实现标准正弦波的给定、 逆变电路的软启动、主电路起动时序控制、负载开路检测与保护等诸多功能。 整个电路的工作过程如下所述：首先安装好各个工位断路器后，根据断路 器型号人工选择合适的升流变压器变比；合上市电，辅助电源工作，分别给数字、 控制、驱动、检测电路上电；合上空气开关，整流部分空载启动，逆变直流母线 充电到3 0 0 v 左右；数字部分通过j d 0e n a 信号短接起动电阻，通过p f ce n a 信号允许p f c 电路软起动，逆变直流母线电压升到3 8 0 v ：数字部分通过 i n ve n a 信号允许逆变电路工作，正弦波幅值给定信号r e f 幅值从小到大变化， 逆变电路的软启动，输出电压逐渐增大，直到负载电流达到预定值。负载经过_ 段时间工作后，各个工位断路器过热逐一跳开，逆变输出电压相应变化，保持负 载电。流稳定。 3 2p f c 电路的模拟控制电路设计 在p f c 技术发展初期，保证p f = 1 的要求被普遍采用。为了满足这种要求， 就必须采用能量双向流传的电路，而这种电路最简单的形式也必须采用半桥电 路。实际上i e c 5 5 5 2 标准本身只是限制电流谐波含量而不是要求纯正弦电流， 因此能保证网侧电流谐波含量能复合i e c 标准，即网侧功率因数p f 接近于l 的 单管p f c 方案应运而生，并成为a p f c 的重要形式。这方面技术的发展相当迅速， 各个半导体公司都竞相开发生产各种单管电路用的a p f c 专用模拟控制芯片，如 s e i m a n c e 公司的t d a 4 8 1 9 , t d a 4 8 1 7 ，m o t o r o l a 公司的m c 3 4 2 6 1 ，t i ( 收购