電力電子課程設(shè)計(jì)正式版

1、.引言電力系統(tǒng)變電站和調(diào)度所的繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化管理設(shè)備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長(zhǎng)時(shí)間停電的。普通UPS設(shè)備因受內(nèi)置蓄電池容量的限制，供電時(shí)間比較有限，而直流操作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆變電源將直流電逆變成單相交流電。電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開(kāi)關(guān)頻率高等特點(diǎn)，為了達(dá)到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術(shù)，如外延

2、技術(shù)、離子注入、精細(xì)光刻等。 IGBT最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問(wèn)題，由于本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負(fù)載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問(wèn)題，其主要失效機(jī)理是陰極引線焊點(diǎn)開(kāi)路和焊點(diǎn)較低的疲勞強(qiáng)度，另外,絕緣材料的缺陷也是一個(gè)問(wèn)題。 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，與此同時(shí)對(duì)變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。對(duì)逆變器輸出波形質(zhì)量的要求主要包括兩個(gè)方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動(dòng)態(tài)性能好。因此，研究開(kāi)發(fā)既簡(jiǎn)單又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，

3、已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制方法的最大缺點(diǎn)是它的4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)頻率越高，損耗越大1。本文針對(duì)正弦波輸出變壓變頻電源SPWM調(diào)制方式及數(shù)字化控制策略進(jìn)行了研究，以TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片，以期得到一種較理想的調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。1 正弦波逆變器的設(shè)計(jì)要求和主電路形式電力系統(tǒng)變電站和調(diào)度所的繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化管理設(shè)備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長(zhǎng)時(shí)間停電的。普通UPS設(shè)備因受內(nèi)置蓄電池容量的限制

4、，供電時(shí)間比較有限，而直流操作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆變電源將直流電逆變成單相交流電。逆變電源的工作原理與UPS有以下兩點(diǎn)區(qū)別：1）逆變電源不需要與交流電網(wǎng)鎖相同步，因?yàn)槠湄?fù)載可以瞬間停電（幾秒以?xún)?nèi)）。2）逆變電源的輸入直流電壓為180285V，而UPS內(nèi)置電池電壓為12V或24V。11.1逆變電源的設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)1）輸出電壓：輸出為單相220VAC（有效值），頻率為50Hz±1Hz。2）輸出功率：以1KW為例，允許過(guò)載20%，既Pomax=1200W。3）輸出電流：允許失真度為3倍，既在電壓峰值時(shí)的電流峰值允許最大為有效值的3倍。最大有效值為Pomax/Vo

5、e=1200W/220V5.5A。4）整機(jī)效率：設(shè)計(jì)目標(biāo)82%。1.2主電路形式選擇這種正弦波輸出逆變器的輸入電壓變化范圍較寬，為180285V，而其輸出則要求是穩(wěn)壓的。因此，該逆變電源的逆變電路必須有一個(gè)升壓的過(guò)程。這種逆變電源的主回路形式有下述兩種。1.2.1有工頻變壓器的逆變電源橋式逆變電路以SPWM方式工作，將185285VDC電壓逆變成有效值基本不變的SPWM波形，由工頻變壓器升壓得到220V交流電壓。這種電路方式效率比較高（可達(dá)90%以上）、可靠性較高、抗輸出短路的能力較強(qiáng)。但是，它響應(yīng)速度較慢，波形畸變較重，帶非線性負(fù)載的能力較差，而且噪聲大。1.2.2無(wú)工頻變壓器的逆變電源逆變

6、電路以PWM方式首先將185285VDC電壓逆變成高頻方波，經(jīng)高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，比如350VDC。這部分電路實(shí)際上是一套直流/直流變換器，既DC/DC或DC-DC。然后，在由另一套逆變器以SPWM方式工作，將穩(wěn)定的直流電壓逆變成有效值稍大于220V的SPWM電壓波形，經(jīng)LC濾波后，就可以得到有效值為220V的50Hz交流電壓。2有工頻變壓器的逆變電源主電路設(shè)計(jì)2.1電路形式有工頻變壓器的逆變電源主回路基本工作過(guò)程可以理解，可以把它設(shè)計(jì)成以IGBT為 開(kāi)關(guān)管的橋式逆變電路形式，如圖（2-1）所示。圖（2-1）有工頻變壓器的逆變電源主回路電源為180V285VD

7、C，四個(gè)開(kāi)關(guān)管分別為T(mén)r1,Tr3,Tr2,Tr4.圖中，Tr1Tr4為IGBT開(kāi)關(guān)管，C1為串聯(lián)耦合（去耦）電容，防止變壓器因單相偏磁而飽和，T為隔離升壓變壓器，C2為輸出濾波電容，L為輸出濾波電感。2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1逆變變壓器變壓器輸出220VAC的峰值為311V，考慮到變壓器副邊繞組電壓峰值設(shè)為315V，原邊在考慮去耦電容C1的壓降后，最低電壓時(shí)為170V，所以變壓器的匝比n為n=N2/N1=315V/170V1.85 （2-1）電源輸出功率也就是變壓器的輸出功率Po=1200W。設(shè)變壓器的效率r=95%，則原邊效率P1=Po/r1260W。因?yàn)樽儔浩魇亲儞QSPWM電壓波形，其基

8、波（50Hz）的成分相當(dāng)大，所以我們可以選擇400Hz的硅鋼C型鐵芯，其Ke=0.9,Bm=1.2T,Kc可選為0.3，j=3A/mm²=3*10(²*³)A/m²，所以鐵芯面積乘積為AeAc= 1200(1+0.95) 0.95*4.44*50*0.9*0.3*3*10(²*³)*1.2 1.14*10(²+³)(m²+²)=1140cm(²+²) （2-2）可以選取CD型400Hz硅鋼鐵芯。查出截面積Ae，求出有效面積Se=Ae*Ke，然后就可以由下面的兩個(gè)公式先求出原邊

9、匝數(shù)，再求出副邊匝數(shù)。 N1=V1max/(KfSeBm) （2-3） N2=N1/n （2-4） 導(dǎo)線截面：副邊S2=I2/j=5.5/31.8(mm²),選1.2mm漆包線兩股并繞； 原邊S1=I1/j=Ni2/J=1.87*5.5/33.43(mm²),1.2mm漆包線三股并繞。2.2.2開(kāi)關(guān)管最高電壓為285V，所以開(kāi)關(guān)管的耐壓可選為600V。開(kāi)關(guān)管的峰值電流：Im=3I1m=3*5.5*1.8731(A) （2-5）選IGBT的電流定額為40A。所以，我們可以選用三星公司的SGH80N60VFD、IR公司的IRGPC50VD2、HARRIS公司的HGTIY40N6

10、0B3D、IXYS公司的IXGH50N60AVI等，封裝形式都是TO-247。3無(wú)工頻變壓器的逆變器主電路設(shè)計(jì)3.1電路形式我們知道，無(wú)工頻變壓器的逆變電源實(shí)際上包含兩部分：一套DC/DC和一套SPWM逆變器。DC/DC的設(shè)計(jì)這里我們不討論。所以，這里只討論SJPWM逆變主電路，其電路形式如圖（3-1）所示。圖（3-1）單相SPWM逆變主電路 電源350V，各個(gè)管子分別為T(mén)r1,Tr3,Tr2,Tr4.3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1 開(kāi)關(guān)管逆變器允許輸出峰值電流為 Im=3Iom=3*5.5A=16.5A （3-1）所以開(kāi)關(guān)管的電流定額可以選為600V。我們可以選30A，600V，TO-247封裝

11、的IGBT管，如三星公司的SGH30N60VFD、IR公司的IRGPC50KD2、HARRIS公司的HGTG27N60C3DR、IXYS公司的IXSH30N60AVI等。3.2.2 LC濾波 L為工頻電感，電感量可選為12mH。為減小噪聲，選閉合鐵芯，如OD型硅鋼鐵芯（400Hz）或鐵粉芯鐵芯。C為工頻電容，可以選CBB61-10µF-250VAC。4逆變控制電路的設(shè)計(jì)逆變電源控制電路的核心是SPWM發(fā)生器。SPWM的實(shí)現(xiàn)包括分立電路、集成芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。它們的電氣性能和成本有所不同，各有自己的優(yōu)勢(shì)和不足之處。逆變電源SPWM電路的調(diào)制頻率固定為50Hz不變，為了降低成本，我們這里

12、用分立電路組成，如圖（4-1）所示。正弦波發(fā)生器三角波發(fā)生器放大放大圖（4-1）單相SPWM逆變電源控制電路放大第一路Tr1,Tr4輸出，第二路Tr2,Tr3輸出 IC3輸出正值比較 IC4輸出負(fù)值比較圖中，正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別見(jiàn)下兩圖（4-2）、（4-3）。 圖（4-2）正弦波發(fā)生器IC1，IC2 ，C1=0.08µ，R1=10k,C2=0.08µ,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6kUot 圖（4-3）三角波發(fā)生器C1=0.2µ,C2=1µ,R1=100k,R2=22k,R3=10k,Rf=1M,R

13、4=10k.以標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)為參考，將輸出電壓的反饋信號(hào)與之相比較，經(jīng)由IC1及其外圍電路組成的PI型誤差放大器調(diào)節(jié)后得到一個(gè)控制信號(hào)，送到IC2去調(diào)制三角波，既可得到SPWM波形。IC3和IC4分別為正負(fù)值比較器，它們的輸出信號(hào)分別IC5和IC6，從而將SPWM交替地分成兩路，各自放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管對(duì)，控制主回路完成SPWM逆變。需要注意的是，驅(qū)動(dòng)電路要將每一路信號(hào)分成相互隔離的兩路，分別驅(qū)動(dòng)處于對(duì)角位置上的兩只開(kāi)關(guān)管。以上控制電路的特點(diǎn)是不僅能控制正弦波輸出的有效值，還能調(diào)節(jié)輸出電壓的瞬時(shí)值，優(yōu)化波形，減小諧波失真，提高帶負(fù)載能力。25正弦波輸出變壓變頻電源調(diào)制方式5.1 正弦脈寬調(diào)

14、制技術(shù)隨著逆變器控制技水的發(fā)展電壓型逆變器出現(xiàn)了多種的變壓、變頻控制方法。目前采用較多的是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)即sPwM控制技術(shù)。在正弦波逆變電源數(shù)字化控制方法中，目前國(guó)內(nèi)外研究得比較多的主要有數(shù)字PID控制、無(wú)差拍控制、雙環(huán)反饋控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。本文所采用的是外環(huán)為平均值環(huán)、內(nèi)環(huán)為瞬時(shí)值環(huán)的雙環(huán)控制策略。內(nèi)環(huán)通過(guò)瞬時(shí)值控制獲得快速的動(dòng)態(tài)性能，保證變壓變頻電源輸出電壓畸變率較低，外環(huán)使得變壓變頻電源在各個(gè)頻率段的輸出電壓具有較高的精度，并使用DSPTMS320F240全數(shù)字的控制實(shí)現(xiàn)。單相全橋式電壓型SPWM逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖（5-1）所示。圖2中S

15、1S4的通斷由正弦脈寬調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)控制。SPWM正弦脈寬調(diào)制可分為雙極性調(diào)制方式、單極性調(diào)制方式和單極性倍頻調(diào)制方式。圖（5-1）主電路拓?fù)鋱D5網(wǎng)絡(luò)材料5.1.1單極性調(diào)制方式單極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開(kāi)關(guān)頻率互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開(kāi)關(guān)損耗。但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個(gè)橋臂始終為高頻載波頻率)，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對(duì)于選用同樣的功率管時(shí)，使其

16、使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利。5.1.2雙極性調(diào)制方式  雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價(jià)是產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗。5.1.3單極性倍頻調(diào)制方式單極性倍頻調(diào)制方式的特點(diǎn)足輸出SPWM波的脈動(dòng)頻率是單極性的兩倍，4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，因此，開(kāi)關(guān)管損耗與雙極性相同。5.2 3種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析用MathcAD可推導(dǎo)出3種不同調(diào)制方式下逆變器輸出電壓各次諧波有效值與頻率的關(guān)系式。5.2.1單極性調(diào)制方式5.2.2對(duì)單極性調(diào)制方式如上公式（2）5.2.3對(duì)單極性倍頻調(diào)制方式如上公式（3）式中：

17、M為調(diào)制比；N為載波比；      f0為正弦波輸出變頻變壓電源的輸出電壓頻率。3 5網(wǎng)絡(luò)材料控制電路采用r TMS320F240數(shù)寧信號(hào)處理器，主要任務(wù)是在定時(shí)中斷內(nèi)完成變壓變頻控制?？刂瞥绦蛴芍鞒绦蚝鸵粋€(gè)定時(shí)中斷程序組成，主程序主要完成讀取給定電壓，過(guò)流判斷，平均值外環(huán)計(jì)算等功能。定時(shí)中斷程序完成采樣輸出電壓，實(shí)時(shí)計(jì)算出下個(gè)開(kāi)關(guān)周期輸出的脈寬。3種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓未經(jīng)濾波前，單極性調(diào)制方式及雙極性調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分量主要集巾在升關(guān)頻率及其倍頻附近，且單極性調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分量比雙極性要小。單極性倍頻調(diào)制方式下輸出電壓的諧波分量主要在2倍升關(guān)頻率及4倍開(kāi)關(guān)頻率附近。選擇WPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開(kāi)關(guān)頻率的II0，LC濾波器對(duì)開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻附近的諧波具有明顯的衰減作用。6結(jié)論10年前，IGBT出現(xiàn)在世界技術(shù)舞臺(tái)的時(shí)候，盡管它凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術(shù)和大規(guī)模集成電路微細(xì)加工手段二者的精華，表現(xiàn)出很好的綜合性能，許多人仍難以相信這種器件在大功率領(lǐng)域中的生命力?，F(xiàn)在，跨世紀(jì)的IGBT顯示了巨大的進(jìn)展，形成了一個(gè)新的器件應(yīng)用平臺(tái)。本文對(duì)正弦波輸出變頻變壓電源的不同調(diào)制方式進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果表明，在輸出電壓要求的頻率范圍內(nèi)，無(wú)論是變壓變頻電源輸出電壓的THD仿真結(jié)果，還是實(shí)際輸