三相电压型pwm整流器的研究学士学位毕业论文(编辑修改稿)

三相电压型pwm整流器的研究学士学位毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 三相电压型 PWM 整流器的研究 9 3 三相 电压型 PWM 整流器的总体设计方案 技术指标 本文设计的三相电压型 PWM 整流器 技术指标如下： （ 1）输出功率： 15kW （ 2）输入电压：相电压的有效值为 220V （ 3）输入电压频率： 50Hz （ 4）主功率开关器件的开关频率： 10kHz （ 5）直流侧母线电压： 650V 系统结构框图如图 31 所示： I P MT M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5光 耦 隔 离电 源信 号 调 理 电 路交 流 电 流检 测直 流 电 压 检测信 号 处 理RL6 路 S V P W M 信 号UVWF UF UF U故 障 信 号过 零 检 测交 流 电 压检 测LLLC 图 31 三相电压型 PWM 整流器 结构框图 方案介绍 采用电压 型或者 电流 型 传感器对 直流侧的输出电压 和 交流侧的三相电压 电流分别 进行采样，然后将 采样的 7 路信号送入信号调理电路，经过电平转换及滤江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 三相电压型 PWM 整流器的研究 10 波，送入 TMS320F28335 的 ADC 引脚， TMS320F28335 在内部对输入信号 进行模数转换 ， 将转换好的数字量信号经过 TMS320F28335 坐标变换和 SVPWM 算法处理后，得到 ePWM 模块中的比较器送出的 6 路 SVPWM 驱动信号。 这 6 路驱动信号经过光耦隔离后，驱动主功率开关器件 IPM。 IPM 内部具有多种保护电路，当出现故障时， IPM 停止工作并 输出故障信号给 TMS320F28335，从而使 三相电压型 PWM 整流器停止工作。 待故障排除后， TMS320F28335 发出故障排除信号，驱使 IPM 继续工作，从而使 三相电压型 PWM 整流器继续正常 工作。 PWM 整流器由硬件和软件两部分 组成。 硬件部分 由 基于 IPM 的 主电路和 基于 TMS320F28335 控制电路组成 ； 软件部分则是对采样的模拟信号进行 模数转换 ， 然后 TMS320F28335 进行 算法 处理， 从而获得 IGBT 所需要的驱动信号 以及其它相关信号。 固定开关频率的 SVPWM 电流控制策略 因为固定开关频率的 SVPWM 电流控制策略算法不复杂，易于理解，而且实现起来也相对比较容易；并且固定了开关频率，使得对网侧电感的设计相应简化。 因此本文设计采用固定开关频率的 SVPWM 电流控制策略。 参考文献 [11]中利用数学模型 (d,q)坐标系下描述了 (d,q)坐标系中固定开关频率 SVPWM 电流控制方案的推导过程，在对三相电压型 PWM 整流器的输入电流进行控制的 时 ，由于有功电流 di 和无功电流 qi 之间耦合的存在，使得对 PWM整流器的调节性能有所下降，并且不能分别单独对有功分量和无功分量进行调节，为了能够高性能的控制三相电压型 PWM 整流器，可利用解耦控制策略 [6]来对 d 轴和 q 轴电流进行解耦控制。 由参考文献 [11]得到的 三相电压型 PWM 整流器的 (d,q)模型 ： LLdcddqqdcddcddqdqdcqqdqReVSiSidtdVCSVeRiLidtdiLSVeRiLidtdiL)(23 （ 31） 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 三相电压型 PWM 整流器的研究 11 将式（ 31）变换成下式： qddddcdqqqdcLiiRLpeSVLiiRLpeSV)()( （ 32） 令 qdcq svv  、 ddcd svv  ，则上式又可变换为： qddddqqqLiiRLpeVLiiRLpeV)()( （ 33） 式中： de 、 qe —— 电网电动势矢量的 d 、 q 分量 di 、 qi —— 交流侧电流矢量的 d 、 q 分量 dV 、 qV —— 交流侧电压矢量的 d 、 q 分量 p —— 微分算子 在式（ 33）中 d 、 q 轴电流并没有解耦，它们不仅受 dV 、 qV 的控制，而且还受 dLi 、 qLi 和 de 、 qe 的影响，因此不能对双通道的电压分别进行控制。 因此引入了 di 、 qi 的前馈解耦控制，对 de 、 qe 进行了前馈补偿，并且采用了 PI 调节器来当做电流环控制器，从而可获得 (d,q)坐标系下对电流控制时的电压指令：  dqddiIiPdqdqqiIipqeLiiisKKVeLiiisKKV))(())((** （ 34） 式中： iPK 、 iIK —— 电流内环比例调节增益和积分增益 *di 、 *qi —— di 、 qi 电流指令值 经过补偿后，式（ 34）变为： ))(())((**ddiIiPdqqiIiPqiisKKViisKKV （ 35） 式（ 35）表示的电压指令已经完成了 解耦控制， 将获得的电压指令送入SVPWM 模块，作为驱动 IGBT 的指令电压。 为 了 能够实现单位功率因数，需要使电流矢量和电压矢量的相位相同，因此 0* qi。 解耦控制如图 32 中虚线框江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 三相电压型 PWM 整流器的研究 12 所示。 检 测 电 路I P MS V P W M 调 制P I P Iw Lw LP I3 S / 2 r过 零 检 测V d c*V d ci*dV d*edqedeqiiV q*dqi*iaibiceaebecCRLLLL图 32 解耦的 PWM 整流器双闭环控制结构框图 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 三相电压型 PWM 整流器的研究 13 4 三相电压型 PWM 整流器 的 硬件设计 主电路硬件设计 三相电压型 PWM 整流器的主电路主要由熔断器、电感 、 IGBT 模块、电容和负载等组成。 交流侧电感设计 三相电压型 PWM 整流器中，交流侧电感的取值不仅制约电压型 PWM 整流器的输出功率、功率因数和直流电压，而且还对电流环的动、静态响应影响也很大。 其 主要作用如下： （ 1） 隔离 电网电动势 和 交流侧电压。 （ 2）滤除交流侧 的 谐波电流，实现 交流侧 电流 任意波形控制。 （ 3） 可使 网侧 在纯 容 性或者纯感性状态运行。 电感设计主要有两种方法，一是满足功率稳态指标时的电感设计，二是满足瞬态电流跟踪指标时电感设计。 根据文献 [11]中电感设计 公式： m22I )()sin(sin2  mdcmm EMVEEL  （ 41） mmax I3 22 )32( dcdcsmmdc VLiV TEEV  （ 42） 因为本文设计工作在单位功率因数整流状态下，所以  0。 因为本文设计采用 SVPWM 控制，所以取 33M。 因为本文设计网侧频率 Hzf 50 ，所以 sradf /1002  。 网侧相电压最大值为 VEm 2220。 由技术指标可得直流侧输出电压为 VVdc 650。 由式（ 410）可得网侧 相 电流最大值为 。 假定 Ai 2max  、 sTS 410。 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 三相电压型 PWM 整流器的研究 14 将上面参数代入式（ 41）和式（ 42）得：   mHLmH mHL （ 43） 根据 式 （ 43） 取交集可确定三相电压型 PWM 整流器交流侧电感取值范围为： mHLmH  （ 44） 结合工程实际效果，本文所设计的三相电压型 PWM 整流器交流侧电感取值为 8mH。 直流侧电容设计 三相电压型 PWM 整流器直流侧的电容主要作用： （ 1）抑制了直流侧谐波电压，使 直流侧输出电压 得到了稳定。 （ 2） 缓冲 了 交流侧与直流 侧 负载 之间的能量交换。 直流侧电容在设计时，不仅要考虑给定直流电压控制环的响应时间 rT ，还要考虑系统的最大输出功率 maxP ， 则电容上能量变化为： 2maxrTPW  （ 45） 直流侧电压变化量为： dcdc CVWV  （ 46） 则直流电压的波动值应该小于最大允许值 maxdcV ，那么电容值为： dcdcrVV TPC  2 max （ 47） 本设计中 msTr 13 、 VV dc %5650max  代入上式得： Fc  （ 48） 一般来讲， 为了 确保电压型 PWM 整流器直流侧电压 得到 快速跟踪控制 ， 直流侧电容应尽可能小些； 而为了使负载受到干扰 时 引起的直流侧输出电压变化在一定的范围内，直流侧电容应尽可能大些。 从滤波效果看，电容越大越好，而从价格、体积和 重量 看，电容又不能太大。 所以在实 际工程设计中，要根据实际需江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 三相电压型 PWM 整流器的研究 15 要，综合考虑各种因素，选择合适的电容值。 本文所设计的三相电压型 PWM 整流器直流侧电容取值为 5000 F。 开关器件的设计 在大功率控制系统中， IGBT 已经成为主流。 因为 IGBT 具 备 场效应晶体管（ MOSFET）的输入阻抗高、开关频率高和开关损耗小等优点，并具有大功率晶体管（ GTR）的饱和压降低、电流大和耐高压等优点。 如今， 由于 智能化 的发展 ，使 IGBT 单元构成的功率模块 在智能化方面也得到提高 ，智能功率模块（ IPM）应运而生。 智能功率模块（ IPM）由 IGBT 模块、驱动电路和保护电路集成在一起，它不但减少了系统的体积和复杂度，而且还提高了系统的可靠性和稳定性，有效地缩短系统的开发周期。 本文设计功率开关器件选用 IPM。 三相电压型 PWM 整流器输出功率为 15kW，三相交流输入电压的相电压的有效值为 220V，假 定 本系统 的工作 效率为 90％，则 三相交流侧相电流 有效值为 ： %903220 1 5 0 0 0 NI （ 49） 相电流的最大值为：  NNM II （ 410） 考虑到安全系数， 这里取 2 倍。 则选 IPM 的额定电流为 75A。 IGBT 的最大反向电压为 ：  LMR。