三相PWM整流器研究

毕业设计 论文 毕业设计 论文 题题 目目 PWM 整流器的设计 学院 系 学院 系 专业班级 专业班级 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包括任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进 行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密囗 在 10 年解密后适用本授权书 2 不保密囗 请在以上相应方框内打 作者签名 年 月 日 导师签名 年 月 日 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 本科生毕业设计本科生毕业设计 论文论文 任务书任务书 学生姓名 专业班级 指导教师 工作单位 设计 论文 题目 PWM 整流器的设计 设计 论文 主要内容 熟悉整流的原理 对整流技术进行综述 比较 并设计出整流器硬件电路和软件程 序 要求完成的主要任务 1 外文资料翻译不少于 20000 印刷符 2 查阅相关文献资料 中文 15 篇 英文 3 篇 3 掌握整流的原理 4 撰写开题报告 5 熟悉整流技术国内外的研究现状 目的意义 6 对整流技术进行综述 比较 7 计出整流器硬件电路和软件程序 8 绘制的电气图纸符合国标 9 撰写的毕业设计 论文 不少于 10000 汉字 必读参考书 1 王兆安 黄俊 电力电子技术 第4版 北京 机械工业大学出版社 2007 2 杨荫福 段善旭 朝泽云 电力电子装置及系统 北京 清华大学出版社 2006 3 张崇巍 张兴 PWM 整流器及其控制 北京 机械工业大学出版社 2003 指导教师签名 系主任签名 院长签名 章 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 本科学生毕业设计 论文 开题报告本科学生毕业设计 论文 开题报告 20 世纪 90 年代发展起来的智能型功率模块 IPM 开创了功率半导体开关器件新的 发展方向 功率半导体开关器件技术的进步 促进了电力电子变流装置技术的发展 出现了以脉宽调制 PWM 控制为基础的各类变流装置 如变频器 逆变电源 高频开 关电源以及各类特种变流器等 这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用 但是 目前这些变流装置很大一部分需要整流环节 以获得直流电压 由于常规整 流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路 因而对电网注入了大 量谐波及无功 造成了严重的电网 污染 治理这种电网 污染 最根本措施就是 要不变流装置实现网侧电流正弦化 且运行于单位功率因数 PWM 控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段 结合 PWM 控制技术的新型整流器成为 PWM 整流器 根据能量是否可双向流动 派生出两类不 同拓扑结构的 PWM 整流器 即可逆 PWM 整流器和不可逆 PWM 整流器 能量可双向流动的 PWM 整流器不仅体现出 AC DC 变流特性 整流 而且还可呈 现出 DC AC 变流特性 有源逆变 因而确切地说 这类 PWM 整流器实际上是一种新型 的可逆 PWM 整流器 经过几十年的研究与发展 PWM 整流器技术已日趋成熟 PWM 整流器主电路已从 早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路 其拓扑结构已从单相 三相电 路发展到多相组合及多电平拓扑电路 PWM 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关 调制 功率等级从千瓦级发展到兆瓦级 而在主电路类型上 既有电压型整流器 Voltage Source Rectifier VSR 也有电流型整流器 Current Source Rectifier CSR 并且两者在工业上均成功地投入了应用 由于 PWM 整流器实现了网侧电流正弦化 且运行于单位功率因数 甚至能量可双向传 输 因而真正实现了 绿色电能变换 由于 PWM 整流器网侧呈现出受控电源特性 因 而这一特性使 PWM 整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽 并取得了更为广泛 和更为重要的应用 如静止无功补偿 SVG 有源电力滤波 APF 统一潮流控制 UPFC 超导储能 SMES 高压直流输电 HVDC 电气传动 ED 新型 UPS 通信 电源以及太阳能 风能等可再生能源的并网发电等 将 PWM 控制技术应用于整流器始于 20 世纪 70 年代末 但由于当时谐波问题不突 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 出 加上受电力电子器件发展水平的制约 PWM 整流器没有引起充分的重视 进入 80 年代后 由于自关断器件的日趋成熟及应用 推动了 PWM 技术的应用与研究 1982 年 Busse Alerfd Holtz Joaehim 首先提出了基于可关断器件的三相全桥 PWM 整流器拓扑 结构及其网侧电流幅相控制策略 并实现了电流型 PWM 整流器网侧单位功率因数正弦 波电流控制 1984 年从 Akgai Hiorufmi 等提出了基于 PWM 整流器结构的无功补偿器装 置 这实际上就是电压型 PWM 整流器的早期设计思想 到 20 世纪 80 年代末 随 A W Green 等人提出了基于坐标变换的 PWM 整流器连续 离散动态数学模型及控制策 略 PWM 整流器的研究发展到了一个新的高度 进入 90 年代 三相 PFC 技术的研究成 为电力电子技术和电能变换领域中最具重要意义的研究方向之一 经过国内外专家学 者多年的研究 PWM 整流器在电路拓扑结构 数学模型 控制方法 电网电压不平衡等 方面取得了丰硕的研究成果 随着研究的深入 基于 PWM 整流器拓扑结构及控制的拓 展 相关的应用研究也发展起来 如有源滤波器 超导储能 交流传动 高压直流输 电以及统一潮流控制等 这些应用技术的研究 促进了 PWM 变换器及其控制技术的进 步和完善 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 2 基本内容和技术方案 2 1 设计任务 1 外文资料翻译不少于 15000 印刷符 2 撰写开题报告 3 查阅相关文献资料 4 设计出基于单片机系统结构图 5 完成基于单片机不间断电源系统设计 6 绘制的电气图纸符合国标 7 撰写的毕业设计 论文 不少于 10000 汉字 2 2 技术方案 本设计为 PWM 整流器的设计 最终是要得到小功率等级电压源型双闭环控制系统 的 PWM 整流器 主电路采用的是三相半桥型 VSR 拓扑结构 由于电能的双向流动 当 PWM 整流器从电网吸取电能时 其运行于整流工作状态 而当 PWM 整流器向电网传输电 能时 其运行于有源逆变工作状态 为了使电压型 PWM 整流器网侧呈现受控电流源特 性 其网侧电流控制策略的研究非常重要 直接电流控制 策略由于引入交流电流 反馈作为内环 直流电压外环构成整流器控制系统 既可实现单位功率因数 又可控 制直流电压恒定 本设计采用的就是固定开关频率且与电网电动势前馈结合的 SPWM 控 制 其控制系统以 DSP 芯片为核心 驱动器件则是以 IR2130 为主 2 3 系统结构组成 系统由软件和硬件两部分组成 软件和硬件都将按照框图总系统的设计方法进行 设计 1 硬件部分主要分为两大部分 即主电路 图 1 和控制电路 图 2 而控制 电路还可以细化为 智能功率模块电路 IPM DSP 芯片作为控制电路的处理器 检测 电路 主要有网侧三相电压检测 电抗器交流电流检测 直流侧电容电压检测 A 相 B 相电网电压同步信号检测 驱动电路等 其中 DSP 芯片采用 TMS320LF240 IPM 选用 三菱公司的 IPM50RSA060 2 软件部分主要通过系统的流程图描述来对基于 F240DSP 芯片的 VSR 控制系统 进行软件设计 包括了主程序模块和中断服务程序模块 中断服务程序中主要有以下 几个模块构成 直流电压检测模块 交流电压检测模块 电压外环调节器计算模块 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 电流指令计算模块 电网频率检测模块 电流检测模块 电流内环调节器计算模块 指针计算模块 图 1 主电路图 图 2 控制电路框图 2 4 本文主要内容 论文结合等离子体位移快控电源的设计 提出基于电压源型 PWM 整流器循环变流器拓 扑的控制方案 为三相电压源型 PWM 整流器建立了开关仿真模型 并利用此开关仿真 模型进行仿真设计 进而以 TI 公司的处理器芯片 DSP240 为核心设计控制器 分别对 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 系统的硬件和软件进行设计 最终实现了小功率等级电压源型 PWM 整流器的双闭环控 制系统 最后简单做出了一些结论 2 5 技术路线 1 收集资料并进行归纳 分析 2 电路连接及分析 3 进行系统集成 4 软件 硬件设计 2 7 设计的技术难点 1 主电路的设计 2 控制系统的确定 3 DSP 芯片的应用 包括硬件与软件两个方面 3 设计的进度安排 第 1 周 英文翻译 第 3 周 毕业实习 第 4 周 查阅文献资料 第 5 周 开题报告 第 6 周 系统的方案设计 第 7 周 硬件电路设计 第 10 周 系统软件设计 第 11 周 撰写论文 第 13 周 论文修改 第 14 周 论文定稿 第 15 周 上交毕业论文 答辩准备 第 15 周 答辩 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 4 指导教师意见 指导教师签名 年 月 日 目录 摘要 I AbstractAbstract II 绪论 1 1 三相电压源型 PWM 整流器工作原理及数学模型 2 1 1 PWM 整流器工作原理 2 1 1 1 PWM 整流电路基本特性 2 1 1 2 PWM 整流电路工作原理 2 1 2 PWM 整流电路基本特性 5 2 三相 VSR 控制策略及控制系统设计 7 2 1 VSR 的电流控制方法 7 2 1 1 间接电流控制和直接电流控制的比较 7 2 1 2 三相 VSR 在 dq 坐标系下的直接电流控制 8 2 2 三相 VSR 控制系统的设计 9 2 2 1 电流内环控制系统设计 9 2 2 2 电压外环控制系统设计 11 2 3 三相 VSR 的仿真 12 3 硬件设计 17 3 1 主电路的设计 17 3 1 1 主功率开关器件的选择 17 3 1 2 交流侧电感的设计 18 3 1 3 直流侧电容的设计 19 3 2 基于 DSP 的控制电路硬件设计 20 3 2 1 TMS320F2407 芯片的介绍 20 3 2 2 IGBT 驱动电路 22 3 2 3 信号检测电路 23 4 软件设计 25 4 1 主程序设计 25 4 2 中断服务程序设计 25 4 3 直流侧电压检测模块 25 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 4 4 交流侧电压检测模块 28 4 5 电流指令计算模块 28 4 6 网测电流检测模块 29 结束语结束语 31 致谢致谢 32 参考文献参考文献 33 附录 系统结构图 34 精品文档 I欢迎下载 摘要 随着绿色能源技术的快速发展 PWM整流器技术己成为电力电子技术研究的热 点和亮点 PWM整流器可成为用电设备或电网与其它电气设备的理想接口 因为它 可以实现网侧电流正弦化和功率因数可调整 本文介绍一种基于TMS320F2407DSP芯片控制的三相电压型PWM整流器的控制系统 完成了从系统结构 硬件 软件到控制策略等方面的设计 本文首先分析了PWM整流器的基本原理 然后根据三相电压源型PWM整流器各相电压 电流之间的关系和桥路的工作状态建立了它的数学模型 给出系统在三相ABC坐标系和两 相dq坐标系中的数学模型 利用电流反馈解耦控制 以及系统的基本控制框图 并设计 了电压环和电流环数字化PI调节器 结合理论分析和实际对其参数进行了优化整定 然 后在Matlab的集成仿真环境Simulink下搭建了仿真模型 通过仿真 验证了理论的可行 性 根据以上控制思想 设计了以数字信号处理器 DSP TMS320F240为核心的数字化的三 相电压型PWM整流器的硬件和软件 论文最后对全文所作的工作进行了总结 并指出了未来的研究方向 关键词 三相电压型PWM整流器 数学模型 DSP Matlab 精品文档 II欢迎下载 AbstractAbstract With the fast developing technology of green energy an ever enhanced attention has been focused to the PWM rectifier in the field of power electronics PWM rectifier might become an ideal electric appliance or a linkage between grid line and other electric facilities characterized of nearly sinusoidal current and adjustable power factor This dissertation is devoted to the theory and application of Three Phased Voltage Sourced PWM Rectifier which is controlled by the DSP chip TMS320F2407 and the design of the system structure the hardware and the software is discussed This paper analyses the basic principe of the PWM rectifier Based on the relations between the vo1tages and currents in accordance with the states of the rectifier topology the switching function model was first established It presents mathematical model for the system both in ABC coordinate and d q coordinate And then it also analyses the decoupling control of voltage feed forward and current feedback of system in d q coordinate Based of the theory mentioned above control block diagram of system is deducted Also designs the current loop and voltage loop digital PI regulators adjusts the parameters based on theoretical analysis and practical test The theory is feasible through simulation with software Matlab Based a control scheme above it introduces the design of hardware and software for fully digital Three Phased Voltage Sourced PWM Rectifier based on the DSP chip TMS320F2407 Eventually the conclusion of the research work in this dissertation is made and the future research directions ale also given out Keywords Keywords Three Phased Voltage Sourced PWM Rectifier mathematical model DSP Matlab 精品文档 1欢迎下载 绪论 随着电力电子技术的发展 电力电子变流技术也得以迅速发展 出现了以脉宽调制 PWM 控制为基础的各类变流装置 如变频器 逆变电源 高频开关电源以及各类特种变 流器 这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用 但是 目前这些变流装置 很大一部分需要整流环节 以获得直流电压 由于常规整流环节广泛采用了二极管不控 整流电路或晶闸管相控整流电路 因而对电网注入了大量谐波及无功 造成了严重的电 网 污染 治理这种电网 污染 最根本措施就是要求交流装置实现网侧电流正弦化 且运行于单位功率因数 因此 作为电网主要 污染 源的整流器 首先受到了学术界 的关注 并展开了大量的研究工作 其主要思路是将 PWM 技术引入整流器的控制中 使 整流器网侧电流正弦化 且可运行于单位功率因数 经过多年的研究和发展 PWM 整流器的主电路己从早期的半控型器件桥路发展 到如今的全控型器件桥路 其拓扑结构已从单相 三相电路发展到多相组合及多电平拓 扑电路 PWM 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制 控制策略从 间接电流控制发展到了直接电流控制 而主电路类型上 既有电压型整流器 也有电流 型整流器 自 20 世纪 90 年代以来 PWM 整流器的研究主要集中在以下几个方面 PWM 整流器的 建模与分析 电压型 PWM 整流器的电流控制 主电路拓扑结构研究 系统控制策略研究 电流型 PWM 整流器研究 由于 PWM 整流器网侧呈现出受控电流源特性 因而这一特性使 得 PWM 整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽 并取得了更为广泛和更为重要的 应用 如静止无功补偿 有源电力滤波 统一潮流控制 超导储能 高压直流输电 电 气传动 新型 UPS 以及太阳能 风能等再生能源的并网发电等 本课题的研究对象是三相电压型 PWM 整流器及其控制策略 第一章分析了 PWM 整流 器的基本原理 并且讨论了三相电压型 PWM 整流器的数学模型 包括在 ABC 坐标系下的 数学模型和在 dq 同步旋转坐标系下的数学模型 第二章讨论了三相电压型 PWM 整流器的 控制策略 在其双闭环控制系统的基础上建立电路 并作了仿真 第三章着重于系统的 硬件设计 包括主电路的设计和基于 DSP 芯片 TMS320LF2407 的控制系统硬件设计 第四 章通过程序流程图的方式 对系统的软件设计做了详细分析 1 三相电压源型PWM整流器工作原理及数学模型 1 1 PWM整流器原理 精品文档 2欢迎下载 1 1 1 PWM整流电路基本特性 PWM整流器与以往的整流器相比 具有以下的优良性能 1 网侧电流为正弦波 2 网侧功率因数可控制 如单位功率因数控制 3 电能双向传输 4 较快的动态控制响 应 由于PWM整流器电能可双向传输 当PWM整流器从电网吸收电能时 其运行于整流工 作状态 而当PWM整流器向电网传输电能时 其运行于有源逆变状态 所谓单位功率因数 是指 当PWM运行于整流状态时 网侧电压 电流同相位 正阻特性 当PWM运行于有源 逆变状态时 其网侧电压 电流反相位 负阻特性 进一步研究表明 由于PWM整流器其 网侧电流及功率因数均可控制 因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等其它一 些非整流器应用场合 由此可见 PWM整流器实际上是一个其交 直流侧可控 可以在四 象限运行的变流装置 图1 1为PWM整流器模型电路 该电路由交流回路 功率开关桥路 以及直流回路组成 其中交流回路包括交流电动势 以及网侧电感等 直流回路包括负eL 载电阻及负载电动势 等 功率开关管整流电路可由电压型或电流型整流电路组成 L Re 图1 1 PWM整流器模型电路图 当不计功率管损耗时 由交 直流侧功率平衡关系得 11 DCDCv iiv 式中 模型电路交流侧电流 电压 iv 模型电路直流侧电流 电压 DC i DC v 由上式不难理解 通过对模型电路交流侧的控制 就可以控制其直流侧 反之亦然 以 下从模型电路交流侧入手 来分析PWM整流器的运行状态和控制原理 1 1 2 PWM整流电路工作原理 将普通整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT或MOSFET等自关断器件 并将SPWM技 术应用于整流电路 这就形成了PWM整流电路 通过对PWM整流电路的适当控制 不仅可 以使输入电流非常接近正弦波 而且还可以使输入电流和电压同相位 功率PWM整流电路 由于需要较大的直流储能电感以及交流侧LC滤波环节所导致的电流畸变 振荡等问题 精品文档 3欢迎下载 使其结构和控制复杂化 从而制约了它的应用和研究 相比之下 电压型PWM整流电路以 其结构简单 较低的损耗等优点 电压型PWM整流电路的成功应用更现实鸭故选择电压型 PWM整流电路进行研究 下面分别介绍单相和三相PWM整流电路的拓扑结构和工作原理 图1 2 单相PWM整流电路 图1 2为单相全桥PWM整流电路 交流侧电感包含外接电抗器的电感和交流电源内 s L 部电感 是电路正常工作所必需的 电阻包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻 s R 同SPWM逆变电路控制输出电压相类似 可在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦调 制PWM波 中除含有和开关频率有关的高次谐波外 不含低次谐波成分 由于电感 AB u AB u 的滤波作用 这些高次谐波电压只会使交流电流产生很小的脉动 如果忽略这种脉 s L s i 动 当正弦信号波的频率和电源频率相同时 为频率与电源频率相同的正弦波 s i 图1 3 单相PWM整流电路等效电路 PWM整流电路的单相等效电路如图1 3所示 其中为交流电源电压 当一定时 s u s u 的幅值和相位由中基波分量的幅值及其与的相位差决定 改变中基波分量的 s i AB u s u AB u 幅值和相位 就可以使与同相位 图1 4给出了单相PWM整流电路的相量图 其中以 s i s u 表示电网电压 表示PWM整流电路输出的交流电压 为连接电抗器的电压 s UABU L U s L 为电网内阻的电压 在图1 4a 中 滞后的相角为 与的相位完全相 R U s R ABU s U sI s U 精品文档 4欢迎下载 同 电路工作在整路流状态 且功率因数为1 在图1 4b 中 超前的相角为 ABU s U 与的相位相反 电路工作在逆变状态 这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个sI s U 方向的流动 既可以运行在整流状态 从交流侧向直流侧输送能量 也可以运行在逆变 状态 从直流侧向交流侧输送能量 而且这两种方式都可在单位功率因数下运行 图1 4 PWM整流电路两种运行方式向量图 a 整流运行 b 逆变运行 图1 5 三相PWM整流电路 三相PWM整流电路主要结构如图1 5所示 其工作原理和单相PWM整流电路类似 通过 对电路进行SPWM控制 就可以在桥的交流输入端ABC产生一个正弦调制PWM波 A u 对各相电压按图1 4a 的向量图进行控制 就可使各相电流 为正 B u C u sA i sB i sC i 弦波且和电压相位相同 功率因数为1 1 2 三相电压型PWM整流器数学模型 系统模型是分析和设计三相电压型整流器的基础 从不同角度出发可以建立不同形 式的系统模型 而且不同模型往往适合的控制方法也不尽相同 1 在abc坐标系下的数学模型 所谓三相电压型整流器 VSR 在abc坐标系下的一 般模型是根据三相VSR拓扑结构 在三相abc静止坐标系中 利用电路基本定律对其建立 精品文档 5欢迎下载 的一般数学描述 针对三相VSR一般数学模型的建立 通常作以下假设 1 电网电动势韦三相平稳的纯正弦波电动势 2 网侧滤波电感L是线性的 而且不考虑饱和 3 开关器件为理想开关 没有过渡过程 其通断状态由开关函数描述 4 开关频率远大于电网频率 定义单极性二值逻辑开关函数为 21 0 1 通上桥臂关断 下桥臂导 断上桥臂导通 下桥臂关 cbaksk 利用开关函数模型得到三相VSR在abc坐标系下的一般数学模型为 2 1 3 3 3 Lccbbaa dc cbak k dc cdccc c cbak k dc bdcbb b cbak k dc adcaa a isisisi dt dv C s v sveRi dt di L s v sveRi dt di L s v sveRi dt di L 2 在dq坐标系下的数学模型 虽然VSR在abc坐标系下一般数学模型具有物理意 义清晰 直观等特点 但是在这种模型中 VSR交流侧均具有一定频率 幅值和相角的正 弦时变交流量 一般的VSR采用电压电流双闭环控制 当电流内环采用PI调节器时 三相 静止坐标系中的PI调节器无法实现电流无静差控制 通过坐标变换将三相abc静止坐标系 转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系 通过这样的变换 静止坐标系中的基波正 弦量将转化成同步旋转坐标系中的直流量 对直流给定PI调节器则可以实现无静差控制 从而提高稳态电流控制精度 而且旋转坐标系中存在有功电流和无功电流的解耦 有利 于实现VSR的控制 三相VSR在两相dq同步旋转坐标系下的数学模型为 41 2 3 Lqqdd dc ddcqqd q ddcddq d isisi dt dv C sveRiLi dt di L sveRiLi dt di L 精品文档 6欢迎下载 2 三相VSR控制策略及控制系统设计 2 1 VSR的电流控制方法 VSR的工作原理分析表明 当其正常工作时 能在稳定直流侧电压的同时 实现网侧 正弦波形电流控制 另一方面 当VSR应用于注入有源电力滤波器等领域时 其网测电流 的控制性能决定了系统性能指标的优劣 因此 VSR的电流控制策略是十分重要的 2 1 1 间接电流控制和直接电流控制的比较 为了使PWM整流电路在工作时功率因数近似为1 即要求输入电流为正弦波且和电源 电压同相位 可以有多种控制方法 根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为 精品文档 7欢迎下载 两种 没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制 引入交流电流反馈的称为直接电流 控制 间接电流控制也称为相位和幅值控制 其实质是 通过PWM控制 在VSR桥路交流侧 生成幅值 相位受控的正弦PWM电压 该PWM电压与电网电动势共同作用于VSR交流侧 并 在VSR交流侧形成正弦基波电流 而谐波电流则由VSR交流侧电感滤除 由于这种VSR电流 控制方案通过直接控制VSR交流侧电压进而达到控制VSR交流侧电流的目的 因而是一种 间接电流控制方式 这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控 制 因而是一种VSR简单控制方案 间接电流控制的优点在于控制简单 一般无需电流反 馈控制 另外 间接电流控制还可分为稳态间接电流控制和动态间接电流控制 间接电 流控制的主要问题在于 VSR电流动态响应不够快 甚至交流侧电流中含有直流分量 且 对系统参数波动较敏感 因而常适合于对VSR动态响应要求不高且控制结构要求简单的应 用场合 相对于间接电流控制 直接电流控制以快速电流反馈控制为特征 在这种控制方法 中 通过运算求出交流输入电流指令值 再引入交流电流反馈 通过对交流电流的直接 控制而使其跟踪指令电流值 这种直接电流控制与间接电流控制在结构上的主要差别在 于 前者具有网侧电流闭环控制 而后者则无网侧电流闭环控制 由于采用网侧电流闭 环控制 使VSR网侧电流动 静态性能得到了提高 同时也使网侧电流控制对系统参数不 敏感 从而增强了电流控制系统的鲁棒性 直接电流控制可以获得较高品质的电流响应 但控制结构和算法较间接电流控制复杂 直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法 常用的有 固定开关频率PWM电流控制 滞环PWM电流控制 空间矢量PWM电流控制等 这些电流控制方案各有其优缺点 本文主要研究基于 d q 坐标系的固定开关频率PWM电流控制策略 1 固定开关频率PWM电流控制算法简单 物理意义清晰 且实现较方便 2 由于开关频率固定 因而网侧变压器及滤波电感设计较容易 并且有利于 限制功率开关损耗 3 两相同步旋转坐标系 d q 中的指令电流为直流时不变信号 4 在两相同步旋转坐标系 d q 中 电流控制方案易于有功和无功电流的 解耦控制 2 1 2 三相VSR在dq坐标系下的直接电流控制 对于dq同步旋转坐标系 不考虑前馈解耦时的三相VSR固定开关频率PWM电流控制原 理如图2 1所示 精品文档 8欢迎下载 图2 1 dq坐标系下三相VSR直接电流控制原理图 显然 电流指令来自电压外环PI调节器输出 而且表示三相电流的有共分两 而电流指 d i 令则表示三相电流的无功分量 且可以独立给定 若是要求单位功率因数运行 则可以 q i 将其给定设为0 在dq同步坐标系中 指令电流是直流信号 其电流内环PI调节器可以实 现无静差控制 稳态性能好 在两相dq同步旋转坐标系中 易于有功电流和无功电流的 独立控制 也即解耦控制 2 2 三相VSR控制系统的设计 在三相VSR控制系统设计中 一般采用双环控制 即电压外环和电流内环 电压外环 作用主要是控制三相VSR直流侧电压 而电流内环作用主要是按电压外环输出的电流指令 进行电流控制 2 2 1 电流内环控制系统设计 精品文档 9欢迎下载 1 电流内环的简化 由前面叙述可以知道 三相VSR的dq模型可以描述为 12 2 3 Lqqdd dc qqqd q dddq d isisi dt dv C veRiLi dt di L veRiLi dt di L 式中 电网电动势矢量的 分量 d e q edqE dq 三相VSR交流侧电压矢量的 分量 d v q v dqV dq 三相VSR交流侧电流矢量的的 分量 d i q idqI dq 从三相VSR的dq模型方程式 2 1 可以看出 由于VSR的d q轴变量相互耦合 因此 给控制器的设计造成一定困难 为此 可以采用前馈解耦控制策略 当电流调节器采用 PI调节器时 则 的控制方程如下 d v q v 22 qdqq iI iPq eLiii s K Kv 32 dqdd iI iPd eLiii s K Kv 式中 电流内环比例调节增益和积分调节增益 iP K iI K 和的电流指令值 q i d i q i d i 由此可以画出电流内环的解耦控制结构 如图2 2 精品文档 10欢迎下载 图2 2 三相VSR电流内环解耦控制结构 2 电流调节器设计 由于两电流内环的对称性 因而下面以控制为例讨论电流调节器的设计 考虑电流 q i 内环采样信号的延迟和PWM控制的小惯性特性 已经解耦的电流内环结构如图2 3所示 图2 3 电流环结构 q i 图2 3中 为电流内环电流采样周期 为桥路PWM等效增益 为简化分析 且 s T PWM K 将PI调节器传递函数写成零极点形式 即 精品文档 11欢迎下载 42 1 i iP iI i i iP iI iP K K s s K s K K 将小时间常数 2 合并 得到简化的电流环结构 如图2 4所示 s T s T 图2 4 无扰动且忽略R时的近似电流内环结构 由此可以按照典型 型系统设计电流内环调节器 从图2 4得到电流内环开环传递函数为 52 15 1 1 2 sTs s L KK sW s i i PWMiP oi 为了尽量提高电流响应的快速性 对典型 型系统而言 可设计适当的中频宽 工 i h 程上常取 按照典型 型系统参数设计关系有55 1 sii Th 62 2 1 2 i i i PWMiP h L KK 解得 72 5 112 6 15 6 2 1 2 PWMsi iP iI PWMsPWMi i iP KT LK K KT L K Lh K 2 2 2 电压外环控制系统设计 三相VSR的电压环简化结构如图2 5所示 精品文档 12欢迎下载 图2 5 三相VSR电压环简化结构结构 由于电压外环的主要控制作用是稳定三相VSR直流电压 故其控制系统整定时 应着 重考虑电压环的抗扰性能 型系统设计对恒值给定可以实现无静差跟踪 显然 同样 可按典型 型系统设计电压调节器 由图2 5得电压环开环传递函数为 82 1 1 75 0 2 sTsCT sTK sW evv vv ov 由此 得电压环中频宽为 v h 92 ev v v T T h 由典型 型系统控制器参数整定关系 得 102 2 175 0 22 evv v v v Th h CT K 综合考虑电压环控制系统的抗扰性和跟随性 取 计算出电压环PI调5 evvv TTh 节器参数为 112 3 5 4 5 4 3 55 svev v svevv T C T C K TTT 2 3 三相VSR的仿真 基于前述分析在SIMUlINK7 0软件中 对三相VSR的PWM整流器建立仿真电路 如图2 6所示 精品文档 13欢迎下载 图2 6 三相VSR主电路模块结构 其中 控制模块里封装着dq与abc之间坐标变换电路 电压电流双闭环电路 PWM生 成电路等 图2 7 控制电路模块结构 精品文档 14欢迎下载 图2 8 abc dq变换电路模块 图2 9 电流内环结构 图2 10 电压外环结构 按照前述计算给予电路相应的参数 给定直流侧电压为750V 仿真时间为0 1s 得 精品文档 15欢迎下载 到仿真波形图如下 图2 11 网侧电压波形 图2 12 网测电流波形 图2 13 直流侧电压波形 根据仿真结果可以看出 输入电流和输入电压相位差不大 能达到较高的功率因数 精品文档 16欢迎下载 从电流波形看 其动态调节过程比较快 能够迅速跟踪网侧电压 直流侧输出平均电压 为750V 与给定保持一致 3 硬件设计 精品文档 17欢迎下载 三相电压型PWM整流器的结构框图如图3 1所示 控制系统检测三相交流侧电源信号 和直流侧电压信号 这些信号经过信号调理电路转换成DSP的A D接口接受范围内的模拟 信号 DSP完成输入电压信号的A D转换 坐标变换 PI调节 SPWM调制等控制任务 DSP 输出的SPWM信号经过IPM驱动电路后送至IPM 图3 1 三相电压型PWM整流电路整体硬件图 3 1 主电路的设计 3 1 1 主功率开关器件的选择 在大功率电力电子器件的应用中 IGBT 已取代 GTR 或者 MOSFET 成为应用的主流 IGBT 的优点在于输入阻抗高 开关损耗小 饱和压降低 开关速度快 热稳定性能好 驱动电路简单等 目前 由 IGBT 单元构成的功率模块在智能化方面得到迅速发展 智能 功率模块 IPM Intelligent Power Module 不仅包括基本组合单元和驱动电路 还具有 保护盒报警功能 以其完善的功能和较高的可靠性为我们创造了很好的应用条件 简化 了电路设计 本文设计的三相电压型 PWM 整流器功率为 15KW 三相交流输入电压相电压有效值为 220V 主功率开关器件采用 IPM 来实现 假设效率为 90 则每相输入额定电流有效值为 13 25 25 903220 15000 AIN 则网侧电流峰值为 23 71 35225 25 AINM 精品文档 18欢迎下载 考虑 2 倍安全系数 取 IPM 的电流额定为 100A 最大反向电压为 RM U 33 2 mRM UU 在式 3 3 中 是电源线电压的振幅值 当电源相电压为 220V 时 m U 43 58 1077220322 VURM 选 VURM1200 综合以上分析 选取额定电压为 1200V 额定电流为 100A 的 IGBT 模块 3 1 2 交流侧电感的设计 下面从稳态条件下满足功率指标要求和电流波形品质指标两方面讨论交流侧电感的 设计 1 满足功率指标要求的电感设计 当三相电压型 PWM 整流器在最大功率输出运行时 交流侧电压矢量与电网电动势矢 量相位差 此时 交流侧电感上的电压值为6 53 12 sin2 EVL 则流经电感的电流值为 63 12 sin2 L E L V I L L 则每相电网电动势发出或者吸收的有功功率为 73 12 cos L IEP 将式 3 6 带入 3 7 得 83 2 2 L E P 则三相电网电动势发出或者吸收的有功功率为 本文设计的三相电压型 PWM 整流器 L E 2 3 2 功率为 15KW 为了满足功率指标要求 有 93 15000 2 3 2 L E 由式 3 9 得 103 30000 3 2 E L 将 代入式 3 10 计算得VE220 100 精品文档 19欢迎下载 113 41 15 mHL 2 满足瞬态电流跟踪指标时的电感设计 除了考虑功率指标外 电感设计还需要考虑满足瞬态电流跟踪指标的要求 既要抑 制纹波电流 也要快速跟踪电流 为了抑制谐波电流较大的脉动 此时电感应足够大 以满足抑制谐波电流要求 另一方面 当电流过零时 其变化率最大 此时电感足够小 以满足快速跟踪电流的要求 由于此原理较为复杂 再次不再赘述 查阅相关资料得到 满足瞬态电流跟踪指标时的电感取值范围为 123 63 2 max i Tv L I v sdc m dc 式 3 12 中 为 PWM 开关周期 为最大允许谐波电流脉动量 欲使上式成立 s T max i 需要满足 133 4 max s m T i i 综上所述 根据大致计算 不妨设 mHL10 3 1 3 直流侧电容的设计 电压型 PWM 整流器直流侧电容主要有以下作用 1 缓冲 VSR 交流侧与直流侧的无功能量交换 2 抑制直流侧电压纹波 3 当负载发生变化时 支撑直流侧电压 限定直流电压的波动 一般而言 从满足电压环控制的跟随性指标看 VSR 直流侧电容应尽量小 以确保 VSR 直流侧电压的快速跟踪控制 而从满足电压环控制的抗扰性指标分析 VSR 直流侧电 容应尽量大 以限制负载扰动时的直流电压动态降落 但是 当满足直流电压跟随性能 指标时通常不满足直流电压抗扰性能指标 反之亦然 这就要求在三相 VSR 电容参数设 计过程中 需要根据实际需要 综合考虑直流电压跟随性和抗扰性性能指标 并遵循以 下一些准则 1 直流侧电容的选取应使直流电压保持稳定 峰 峰波动值不超过允许值 2 所选择的电容器的参数不会影响整个系统的稳定性 3 负载变化的暂态过程中应能尽量减小电压调节的超调量和过渡时间 4 中间回路的损耗应保持最小 对于参数计算 此处不作多的叙述 取电容即可 mFC6 3 2 基于DSP的控制电路硬件设计 系统控制主电路采用TMS320LF2407A为核心处理器 再加外围器件组成 DSP用来完 成输入电压 输入电流和输出电压的采集 三相abc坐标系到dq旋转坐标系的转换 SPWM 精品文档 20欢迎下载 算法的实现 生成PWM控制波等作用 外围器件包括两个外部可读写存储器 IS6lL 6416 负责存储输入 输出电流及电压的历史数据存储 DSP供电电压的转换 负责将外围集成供电的5v电压转换为DSP的3 3V供电电压 DSP仿真器接口JTAG 与计算 机串口进行通信的MAX232 3 2 1 TMS320F2407芯片的介绍 选择定点DSP芯片TMS320F2407作为控制电路的处理器 主要是由其专门应用 于控制的硬件结构和外设资源决定的 TMS320系列DSP芯片的基本结构包括 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯 诺曼结构的并行体系结构 其主 要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中 即程序存储器和数据存储器是 两个相互独立的存储器 每个存储器独立编址 独立访问 与两个存储器相对应 的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线 从而使数据的吞吐率提高了一 倍 而冯 诺曼结构则是将指令 数据 地址存储在同一存储器中 统一编址 依靠指令计数器提供的地址来区分是指令 数据还是地址 取指令和取数据都访 问同一存储器 数据吞吐率低 2 流水线操作 与哈佛结构相关 DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间 从 而增强了处理器的处理能力 TMS320系列处理器的流水线深度 在三级流水线操作中 取指 译码和执行操作可以独立地处理 这可使指令执行能完全重叠 在每个指令周期 内 三个不同的指令处于激活状态 每个指令处于不同的阶段 例如 在第N个指令取指 时 前一个指令即第N 1个指令正在译码 而第N一2个指令则正在执行 一般来说 流 水线对用户是透明的 3 专用的硬件乘法器 在一般形式的FIR滤波器中 乘法是DSP的重要组成部 分 对每个滤波器抽头 必须做一次乘法和一次加法 乘法速度越快 DSP处理器 的性能就越高 在通用的微处理器中 乘法指令是由一系列加法来实现的 故需 许多个指令周期来完成 相比而言 DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器 在TMS320系列中 由于具有专用的硬件乘法器 乘法可在一个指令周期内完成 4 特殊的DSP指令 DSP芯片的另一个特征是采用特殊的指令 例如 DMOV就是一个 特殊的DSP指令 它完成数据移位功能 在数字信号处理中 延迟操作非常重要 这个延 迟就是由DMOV来实现的 5 快速的指令周期 哈佛结构 流水线操作 专用的硬件乘法器 特殊的DSP 指令再加上集成电路的优化设计 可使DSP芯片的指令周期在200ns以下 TMS320 系列处理器的指令周期己经从第一代的200ns降低至现在的20ns以下 快速的指令 周期使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用 DSP以上这些优点可以满足实时 快速地完 成有三相整流器的控制和采样计算的要求 论文采用的TI公司生产的TMS320F2407芯片指 令周期为50ns 此外 DSP芯片作为控制器还有强大的外设功 精品文档 21欢迎下载 能 TMS320F2407的外设库包括 事件管理器模块 双10位模一数转换模块 串行 通信接口模块 串行外设模块 看门狗和实时中断模块 内部FLASH存储器模块 外部存储器接口 数字I 0端口 PLL时钟模块 在外设库中事件管理模块和双十 位模 数转换模块在生成驱动三相整流器的PWM波形中至关重要 事件管理模块为用户提供了一整套用于运动控制和电机控制的功能和特性 这同样非常适用于电压型整流器的PWM控制实现 事件管理模块主要由以下几个部分构成 1 三个通用定时器 事件管理器模块的三个通用定时器在应用时可以独立使 用 作为控制系统中的捕获周期的发生 为正交编码器脉冲电路和捕获单元提供 时基 为全比较单元和单比较单元以及相关的PWM电路产生比较 PWM输出 2 三个全比较单元和三个单比较单元 每个全比较单元有两个相关的比较 PWM输出 每个单比较单元有一个相关的比较 PWM输出 全比较单元的时基由通 用定时器1提供 单比较的时基由通用定时器1或2提供 3 PWM电路 其中包空间矢量的PWM电路 死区发生单元和输出逻辑 与全比 较单元相关的PWM输出