三相三电平三开关VIENNA整流器设计与实现

三相三电平三开关VIENNA整流器设计与实现电工电气 2014 No 1 三相三电平三开关VIENNA整流器设计与实现 周奖1 陆翔2 1 广西大学 电气工程学院 广西 南宁 530004 2 广西大学 物理科学与工程技术学院 广西 南宁 530004 摘 要 与传统的两电平变换器相比 多电平变换器输出电平数增加 输出波形阶梯增多 更加 接近目标调制波 分析了三相三电平三开关 VIENNA 整流器的工作原理 介绍了电路的实现方法 给 出了主电路及采样电路的设计 搭建了一个 800 W 的实验平台 利用 TMS320F2812 DSP 来实现控制算法 实验结果表明 所设计的电路能满足预定的要求 在工业控制中应用前景广阔 关键词 三电平 VIENNA 整流器 电量参数测量 电路设计 数字信号处理器 中图分类号 TM461 文献标识码 A 文章编号 1007 3175 2014 01 0011 05 Design and Realization of Three Phase Level Switch VIENNA Rectifier ZHOU Jiang1 LU Xiang2 1 College of Electrical Engineering Guangxi University Nanning 530004 China 2 College of Physical Science and Technology Guangxi University Nanning 530004 China Abstract Compared with the traditional two level converter the output level number of multi level converter increases and the out put waveform ladder increases so it is more close to the target modulated waves This paper analyzed the working principle of a three phase level switch VIENNA rectifier discussed the implementation of the circuit and introduced the design of the main circuit and sampling circuit in detail An 800 W experimental platform was built TMS320F2812 DSP was used to realize the control algorithm Ex perimental results show that the designed circuit can meet the preconcerted requirements in possession of wide prospect for application of industrial control Key words three levels VIENNA rectifier electric quantity parameter measurement circuit design digital signal processor 随着现代电力电子技术的进步 以及社会经济 的快速发展 电力电子变换器被广泛地应用在工业 各个领域中 其中 Kolar J W 等学者在1994年提 出的三相三电平三开关 VIENNA 整流器 1 以下简 称为VIENNA整流器 由于所需的功率管器件少且电 压应力仅为直流母线电压的一半 无桥臂输出电压 直通问题 不需设置驱动死区时间 以及控制电路 简单等优点 得到了国内外学者的广泛关注和深入 研究 2 7 相对于传统的两电平变换器 多电平变换器输 出电平数增加 降低了输出电压的跳变 同时输出 电压谐波含量减少 更加接近目标调制波 器件的 等效开关频率提高 开关频率可以降得较低 损耗 减少 效率提高 该整流器可应用在电力系统有源 电力滤波器 无功补偿 潮流控制 不间断电源 交 直流传动系统 通信电源 新能源领域中的风力发 电 混合动力车充电站 工业变频器等 对其拓扑 及其控制策略的研究具有重要的理论意义和工程价 值 本文设计了一台800 W的VIENNA整流器 详细介 绍了主电路 采集电路的设计以及程序设计等 1 VIENNA整流器的工作原理 VIENNA整流器的硬件电路如图1所示 VIENNA 整流器的硬件电路拓扑由6个快速恢复二极管 D1 D3 D 1 D 3 3个升压电感 3个双向功率开 关管以及2组输出电容等构成 基金项目 广西大学科研基金项目 XJZ120282 作者简介 周奖 1969 男 讲师 硕士 研究方向为电工技术 功率因数校正 陆翔 1973 男 高级实验师 博士研究生 研究方向为电力电子变流技术 11 电工电气 2014 No 1 三相三电平三开关VIENNA整流器设计与实现 坐标系中d q分量 Sdp Sdn及Sqp Sqn分别为开关 函数Sx x a b c 在d q坐标系中d q分量 根据 式 1 可得VIENNA整流器在dq坐标系下的等效电 路 如图2所示 123 C1 ea L eb iR idi LLR L N Sdpid ec LR iqVRLRL LR V 图1 VIENNA整流器主电路 在dq坐标系下VIENNA整流器的数学模型为 did 2 Sdnid ii L Rid Liq SdpVC 1 SdnVC 2 ed RL dt 图2 dq坐标系下的VIENNA整流器等效电路 本文所采用的控制策略是双闭环控制策略 即 采用电压外环及电流内环控制 且都采用PI控制算 法 输出电容中点电压平衡采用P控制 调制技术 采用空间矢量脉冲调制 SVPWM 控制技术 本文重在 讨论电路的设计与实现 故对控制算法不做详细讨 论 可见参考文献 8 10 控制框图如图3所示 diq L Lid Riq SqpVC SqnVC eq dt 12 1 dVC 1 C1 Sdpid Sqpiq iR L dt dVC2 C2 Sdnid Sqniq iR L dt 式中 ed eq分别为电网电动势矢量Edq在d q e a VC1 L L 1 C2 L abc u R i V d R 图3 VIENNA整流器控制原理框图 在满载的情况下 当输入电压为最低值 Vin rms min 49 5 V 时 电感流过的电流最大 根据下面方程 2 硬件电路设计 本文的目标是制作一个800 W的实验样机 实 验样机经过改进及完善 可应用于无功补偿 潮流 控制 不间断电源 交直流传动系统 工业变频器 等 电路的基本参数为输入交流电压 三相三线制 55 5 5 V rms 50 Hz 输出直流电压 200 V 开关 频率 15 kHz 输出功率 三相800 W 单相267 W 效 率 0 94 功率因数PF 0 99 2 1 主电路设计 2 1 1 升压电感设计 式进行计算 Po267 Iin rms max PF Vin rms min 5 79 A 0 94 0 99 49 5 假设输入电流为正弦 则最大输入电流峰值为 Iin PK max 2 Iin rms max 8 18 A 输入电流峰值对应占空比为 Uo Uin PK min100 55 0 9 2 d 0 3 Uo100 12 PI控制 id abc 计算等 i u VIENNA 整流器 C C2 V ia ib u d d d u矢量 q dq iq V PI控制 ud dq PI控制 uq r P控制 eb ec ua ub uc Li d eq SqpVC1 SqnVC2 Sqpiq iC1 C V 1 C1 io C Sqniq C2 iC2 Liq ed SdpVC1 SdnVC2 DDD O R L C2 R Sa R Sb Sc D 3 D 2 D 1 三相三电平三开关VIENNA整流器设计与实现电工电气 2014 No 1 电感电流纹波系数r取0 2 所需电感值 样器件使用精度较高的霍尔元件 电流采样采 用LT59 S7型电流传感器 它的原边额定电流为 50 A 电压采样采用LV28 P型电压传感器 它的原 边额定电流为10 mA 转化率为25 10 由于这两类 传感器的输出还不能够直接供给DSP的A D转化模块 采样使用 故还需要设置信号处理电路 对信号进 行合适的处理 如放大 限幅处理等 2 2 1 交流电流采样电路 交流电流采样电路只需对三相输入电流中的 ia ic进行测量 而ib ia ic 交流电流采集及 调理电路如图4所示 Uin PK min d55 0 9 2 0 3 L 3 fs r IL15 10 0 2 8 18 0 86 mH 所以 选用1mH的电感 2 1 2 输出电容的选择 在PFC整流器中 输出滤波 电容的设计一般是 根据要求的保持时间来确定 保持时间由输出电容 里存储的能量 负载功率 输出电压及负载运行的 电压最小值决定 假定最低输出电压为150 V 正 负母线为 100 V 2Po t2 800 0 013 3 3 V 来自LT59 S7 C F U 2 2 2002 1102 o U omin R15 所以 取标准电容为400 F 250 V的电解电容 先并后串 2 1 3 功率开关管的选择 开关管导通时 流过开 关管的为电感电流 关 断时 承受反向电压为一半的输出电压 考虑1 5 倍的裕量 有 IDM 1 5IL PK max 1 5 8 18 12 3 A VDSM 1 5 5 14 7 R10 D12 RR 图4 交流电流采集及调理电路 来自电流传感器LT59 S7的交流信号经采样电 阻R10转换成电压信号 为使该信号可被DSP的A D转 化模块采样使用 还需通过信号调整电路对信号进 行合适的处理 调整电路的第一级由运放器构成信 号放大电路 同时在运放器的输出端接了一个 3 V的 直流电压 将运放器输出电压提升到3 V左右 交流 电流采样电路的放大倍数Kf1由公式 2 决定 Uo 1 5 100 150 V 2 选用功率开关管IRFP254 VDSS 250 V ID 23 A 2 1 4 功率二极管的选择 开关管关断时 流过功 率二极管的电流为电感 电流 关断时 承受最大反向电压为整个输出电 压 考虑1 5倍设计裕量 有 IDM 1 5IL PK max 1 5 8 18 12 3 A VDSM 1 5 Uo 1 5 200 300 V 可选用IXYS公司生产的功率 二极管DSEI 06A V RRM 600 V IFAVM 14 A 2 2 信号采集电路设计 在各种变换器的控制中 不论是数字电路控制 还是模拟电路控制 常常需要采集电压 电流等信 号来作为控制参量 而电压 电流采集的精确情 况 在很大程度上影响着所设计的变换器的性能 对 于三相整流器装置 由于其强非线性的特点会导致大 量的谐波和无功功率注入电网 造成严重的电网污 染 导致电能质量下降 极大地浪费了电能 10 11 因 此 若这些变换器得不到很好控制 就会影响到电 网的电能质量 为了实现控制系统与主功率电路的电气隔离 采 R13 Kf1 1 2 R12 通过调整电位器RP1 对电路的最终输出值进 行调节 满足A D转换的幅值要求 2 2 2 直流电压采样电路 直流电压的采样电路以及 调理电路如图 5 所示 图5 a 为直流电压的采样电路 其中 R01 R08为输 入电路所串接的外部电阻 即原边电阻Rin RUdc为 测量电阻 测量电阻RUdc上的电压由式 3 决定 Uin Udc 2 5 RUdc 3 2 Rin 式中 2 5为电压传感器的转换率 如被测 电压为200 V 原边电阻为30 k 测量电阻为 180 有 200 Udc 2 5 1 5 V 2 30 103 13 D11 Ia 1 R 3 RP1 2 6 R11 12 13 电工电气 2014 No 1 三相三电平三开关VIENNA整流器设计与实现 R01R02 功能模块使能与中断等的设置 这里只介绍部分程序的设计思路 主程序及定 时器中断子程序流程如图6所示 输入交流电流 输 出直流电压的采集处理过程如图7所示 开始 0304 Udc1 DC1 Udc 30 k 30 k a 直流电压采样电路 开始 RP2 8 U dc 7 D22 3 3 V b 调理电路 直流电压采样电路及调理电路 图5 为了使得采样的信号可以被DSP的A D转化模块 采样使用 还需通过信号调整电路对信号进行合适 的处理 如图5 b 所示 调整电路的第一级由运放 器构成信号放大电路 将输入端的直流电压进行放 大 放大倍数Kf2由式 4 决定 停机 是 返回 b 定时器中断子程序流程图 a 主程序流程图 R23 图6 主程序及中断子程序流程图 开始 Kf2 1 R 4 22 通过调整电位器RP2 对电路的最终输出值进 行调节 满足A D转换的幅值要求 由于 TMS320F2812的AD采样端口输入电压范围 为0 3 V 最高能承受不高于4 2 V的电压 故在设 计采样电路的时候需要对输出电压做限幅处理 以免 烧坏DSP 如在图4 图5中运放器的输出设有由二 极管及稳压二极管组成的电压钳位限幅电路 对检 测调整后的电压进行限幅 满足DSP的A D输入通道 对电压的要求 3 软件设计 结束 图7 电压 电流处理流程图 根据VIENNA整流器的控制要求 软件由主程 序 4个中断服务程序及若干子程序组成 VIENNA 整流器控制系统需要检测两相交流电流 两路输 出电压等 VIENNA整流器控制系统软件主程序包括 初始化程序 捕捉中断服务程序 ADC中断服务程 序 定时器T1下溢中断服务程序 算法计算程序 延 时子程序 七段式空间矢量脉宽调制 SVPWM 子程 序等 交流输入电流 输出电压的采集处理是安排 在ADC中断服务程序中 DSP系统程序的初始化 主 要包括系统时钟频率 看门狗 功耗模式 I O口 各 4 测试结果 在不控制状态下对VIENNA整流器的采集情况进 行测试 输入的相电压为55 V 负载电阻为50 用 钳形功率表测得Ia Ic均1 9 A 峰值为2 69 A 用 万用电表测得上电容电压Udc 58 2 V 下电容电压 Udc2 59 2 V 运行程序 在View Graph中观测Ia Ic值 结 果如图8所示 Ia Ic波形连续平滑 对称性高 动 14 算法处理 求平均值 去除电压 电 流 最大最小值 右移四位 读取AD 采样数据 封锁驱动 恢复现场 SVPWM 算法处理 否 开启定时器 控制算法处理 坐标变换 abc dq 开中断 各电量采样 dc16 4 5 R21 R22 R23 初始化 包括 系统 变量 2 8 4 1U 3 D21 开中断 DC1 30 k R 30 k R 5 HTM HT 1 30 k 30 k R05 R06 4 2 15 V 15 V 3 R 30 k 30 k R07 R08 LV28 P传感器 三相三电平三开关VIENNA整流器设计与实现电工电气 2014 No 1 态响应效果良好 Udc2的波形平稳 稳定性好 Ia Ic 峰值分别为2 66 2 72 A 误差为1 12 结果跟实 测值相当 通过 Watch Window 来观察Udc Udc2 分别除128 在程序中数据放大了128倍 即得测量的 电压值 分别为57 7 58 8 V 误差分别为0 86 及 0 68 误差很小而且在有效的控制范围内 可以看 出 所采用的参数采集电路和算法是有效的 差小于1 2 能满足VIENNA型整流器性能指标的要 求 其在工业控制中具有广阔的应用前景 实验结 果验证了这种测量电路的正确性和可行性 参考文献 1 Kolar J W Zach F C A Novel Three Phase Utility Interface Minimizing Line Current Harmonics of High Power Telecommunications Rectifier Modules C The 16th IEEE Inter national Telecommunications Energy Conference Vancouver Canada 1994 367 374 2 Youssef N B H Al Haddad K Kanaan H Y Large Signal Modeling and Steady State Analysis of a 1 5 kW Three Phase Switch Level Vienna Rectifier with Experimental Validation J IEEE Transactions on Industrial Electronics 2008 55 3 1213 1224 3 Minibock J Kolar J W Novel Concept for Mains Voltage Proportional Input Current Shaping of a VIENNA Rectifier Eliminating Controller Multipliers J IEEE Transactions on Industrial Electronics 2005 52 1 162 170 4 Lai Rixin Wang Fei Burgos R et al Average Modeling and Control Design for VIENNA Type Rectifiers Considering the DC Link Voltage Balance J IEEE Transactions on Power Electronics 2009 24 11 2509 2522 5 张先进 徐坚 单周控制三相4线制VIENNA整流器研 究