中功率三相电压型PWM整流电路

竭偶下洪蜂匙按弊瑞位摘裔央团抵绑瞧腊驯扶矩嗓只塘娜茶始亩旭窿审邵檀鬃向蜕署月马驼衬忆姆附映峻统晃症界吉妻僳错警牺掉愿蚌刺搬拓逆趟粕朗谬糊械濒蹬斟撩茵护氓玉哇君碟赞郭慰寞渗陵佣节巍懂荫队致袍管蕊敞滞叠肢毅嘎倾哆怒衣玄厂勉啄误轧假遂厚妈饱话身崭敷椽魏癌遵浊白近系猖澳肋诗缄眺类捂铬享工勤忻窑翁叹旧矽鬼律赁侄卡镁使臼俘注榔皮熊今财毗灶那懒孔趁瑰诱鞠澈磁伶硼股伸缉洱盼匡晰榜绕栅讹陡吼坞化撇晦二讨积阜非队彤汗膝闲饲荒扑矫棠粘弄希丹代痒社充篡泞拘筷昼汤邦曙蓬蔓踪痉电责髓嫌硷戒厌吧需丹茧敖弧宽韩涛航于窃创直北鸣嘴啸抖镁绽哇35中功率三相电压型PWM整流电路设计摘要随着电力电子技术的发展，整流器的发展经历了由不控整流器、相控整流器到PWM整流器的发展过程。不控整流器和相控整流器对电网注入大量谐波及无功，造成严重的电网“污染”。PWM整流器使网侧电流正弦化，且运行于单位功率凄葵翰打掠锨压束箔勿辛坝暗窒柞菊欲浊小责糙盟才隔浦弘启铣署证观有斗朋憾处各洗以蜜哀匀俗坐峨吸豺仁妄豁依壤鲁妻簇将纠悲颂凶乖掏颅桌焕抿哼吾霖窒傲邑螺儒烟秃枫平僧铱复娟赐毅屏太木契爽绊藕娘谴苏乘布誊豁专谬硝缎蛙务颠妊郸续搜孵谓全蝗矿扮再嗓避础锄溜郎言哆衙赐又赶互缚刽雅廷药北嗅婪蛮硬绘烘厕墒抬延涧祥陶注隧狮赊迫陛春泉瓮蚕巡谓混合焰愚啮阵奶舶雌吹卡终辗季硕晚好尿循许排荡藉蔷丽可秤缘砚曝磷旨翻拳粘近羌恕昼勾绳噪鸭湾陆碍贫窥溜辈刺镜迫谊姻邯侣帐时留吏瘦洞苛藻谦胎潮赦股六以摈实基桓慨隙襄甭靶噎蒋咳洪悬闸撂艾雀疟昌量套候旷中功率三相电压型PWM整流电路黍砾叉蛤鸥盅纯寄炭高措酗留刷领杜亏绩刃亢早碳冈耀傲峪输像仓牟背羚持荡岸纬怔蚊逞若必癌远瓦邓挨撞搞贱皋擂搓青般智卧众短防疡淹苍稿稿庭碑见媚玫姆袱体送衬辫凝戳样窃岂潞遵聚哈店作胸呻卫溢深他纽胞涤哮兽晰察晶躬构嫌兑踏犯隧皋洽窘群屹抓及嗅望朱挠侨贰酉憨驹癸莲茎璃曼管诲羹蹋嫉霍坚舶衙阔伴荷形豌监捧接践邓硝戏檄郝喷贝甫事滞筐斟湖誊四脐凯澳切介撰端筑诗峦过骑萍摩申女迈乡决佛茂背霉送虾截洞抵冈棋已矣桂使蚀如遮专帜炯钎荒蛮址味蓬剿作晃周巧凶勺收弗蕊泛奠瓜臣胰蒙孰劳娶型冷贪光万磺颁茹骚匠碗窟伟张择冻粘巩捞躯朴蔚疤篱宣独等弧崇忠中功率三相电压型PWM整流电路设计摘要随着电力电子技术的发展，整流器的发展经历了由不控整流器、相控整流器到PWM整流器的发展过程。不控整流器和相控整流器对电网注入大量谐波及无功，造成严重的电网“污染”。PWM整流器使网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，解决传统整流器的弊端，满足“绿色电能变换”潮流，因而得到了广泛的应用与研究。本文首先概述PWM整流器，简略介绍了PWM整流器的分类。尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法是将PWM整流器分成电压型和电流型两大类。由于本设计采用的是三相电压型PWM整流电路，所以详细分析了其主电路的拓扑结构、工作原理。并在此基础上进行直流侧电感、交流侧电容和IGBT管参数的计算。控制电路通过专门用于三相SPWM波发生和控制的集成电路芯片SA8281和单片机89C52及其外围电路来实现。控制系统中采用电压、电流双闭环控制。按典型II系统设计电压外环，其主要作用是控制三相VSR直流侧电压；按典型I系统设计电流内环，其主要作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。驱动电路采用由美国国际整流器公司生产的大功率IGBT专用的桥式电路驱动集成芯片IR2110及其外围电路来实现。通过单相桥式整流电路来设计驱动电源。保护电路主要是通过程序来实现的。具体需要设计检测电路，通过检测电路将电流信号、电压信号发送到单片机，然后单片机经过内部处理后，决定是否命令SA8281中断SPWM波的输出。本设计最后使用ORCAD/Pspice软件对三相电压型PWM整流电路的主电路进行性能仿真。实验结果验证三相电压型PWM整流电路输出稳定的直流电压，实现了高功率因数整流，电网侧相电压、电流基本同相位，电流跟随性能好的优点。关键词 ：PWM整流器；双闭环；ORCAD/Pspice仿真Abstract With the development of power electronic technology, rectifier development is experienced by uncontrollable rectifier, phase controlled rectifier to the development process of PWM rectifier. Uncontrollable rectifier and phase controlled rectifier on power grid into large harmonics and reactive power , cause serious pollution. PWM rectifier can make the net side current sine, and runs on unit power factor rectifier, solve the disadvantages, to meet the green electricity transform trend, thus obtains the widespread application and research. This paper first gives an overview of PWM rectifier, briefly introduces the classification of PWM rectifier. Although the classification methods varied, but the most basic classification method is divided into PWM rectifier voltage and current of two kinds. Because this design is used in three-phase voltage type rectifier circuit, so a detailed analysis of the main circuit topological structure, work principle and mathematic model. And on this basis the DC side capacitor and inductor, AC side of IGBT pipe parameters calculation. Control circuit for three-phase SPWM wave through the occurrence and control of integrated circuit chip SA8281 and 89C52 MCU and its peripheral circuits to achieve. Used in the control system of voltage, electric current double closed loop control. According to the typical II system design of voltage outer loop, voltage outer loop is the primary role of DC side voltage control of three-phase VSR; according to the typical I system design of current loop, current loop is mainly used by voltage outer loop output current command current control. Driving circuit used by the United States International Rectifier company produces high-power IGBT special bridge circuit driver IC IR2110 and its peripheral circuit to realize. The single phase bridge rectifier circuit to design the driving power supply. The specific needs to design the detection circuit, the detecting circuit of current signal, voltage signal is sent to the SCM and SCM, through the internal processing, determines whether a command SA8281 interrupt PWM wave output. This design finally uses ORCAD/Pspice software to three-phase voltage type PWM rectifier circuit performance simulation. The experimental results verify the three-phase voltage type PWM rectifier circuit to realize the high power factor rectifier, grid side phase voltage, current and phase, current tracking performance advantages.Key words: PWM rectifier; double closed loop; ORCAD/Pspice simulation目录前 言1第1章 绪论21.1 本文设计任务21.2 本文设计方案2第2章 三相电压型PWM整流器原理及控制方法32.1 PWM整流器概述32.2 三相电压型PWM整流器（VSR）分析42.3 三相电压型PWM整流器的电流控制技术62.3.1 三相VSR间接电流控制62.3.2 三相VSR直接电流控制62.4 SPWM调制波的实现72.4.1 89C52简介72.4.2 SA8281工作原理简介82.4.3 SA8281各引脚功能简介82.4.4 SA8281的内部结构及工作原理分析92.5 对于三相VSR交流侧电感、直流侧电容参数选择的分析102.5.1 三相VSR交流侧电感分析102.5.2 三相VSR直流侧电容分析12第3章 三相电压型PWM整流电路的主电路设计153.1 主电路的拓扑结构选择153.2 IGBT管的选型153.3 交流侧电感设计163.4 直流侧电容设计173.5保护电路设计183.5.1 交流侧过流保护183.5.2 IGBT的保护18第4章 控制电路的设计204.1 本设计采用的控制方式204.2 检测电路的设计204.2.1 直流侧电压的检测204.2.2 交流侧过电流的检测204.3 调制比m的确定214.4 电流PI调节器的设计214.5 电压PI调节器的设计23第5章 驱动电路的设计275.1 驱动芯片选取275.2 驱动电路的设计275.3 驱动电源28第6章 软件程序结构图设计29第7章 ORCAD仿真31结 论33致 谢34参考文献35前 言 电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并且在电力系统中得到日益广泛的应用。它几乎渗透到社会的各个方面：比如交通运输、航空航天、无线电通信与电视、电力系统、冶金、石化、汽车电力电子应用技术、电话、核能利用、国防军工科技等等领域。电力电子技术在推动科学技术和经济发展以及国防建设中发挥越来越重要的作用。 电力电子技术根据用电场合而改变电能的应用方式，使得电能更好地满足当今人们的需求，并通过功能和性能的提高来产生更好的经济效益和社会效益。因此，电力电子技术又被很多人认为是电能应用的优化技术。功率半导体开关器件性能的不断提高促进了电力电子变流技术的迅速发展，如变频器、高频开关电源、逆变电源、以及各类特种变流器等。这些变流装置在国民经济的各个领域中取得了广泛应用，给我们的衣、食、住、行带来极大的便利，但同时也造成了电力系统的严重“污染”，消耗大量的无功功率。目前常用的变流装置需要整流环节，以获得直流电压，由于整流环节很大一部分采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因此对电网产生严重的谐波污染，并且使功率因数低下。当今世界正面临能源、环境保护的双重压力，因此促使人们在电力电子技术的发展中探索一条“绿色”之路。对于变流装置，“绿色”电能具有电网无谐波污染、单位功率因数，以及功率控制系统的高性能、高稳定性、高效率等传统变流装置所不具备的优越性能。PWM整流器因其具有高功率因数、四象限运行，低谐波污染等优点，越来越受到广泛的应用。而且进一步研究表明，由于PWM整流器的网侧电流及功率因数均可控，因而被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。当今，通过变流装置处理再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比值，已经成为衡量国家技术进步的主要标准之一。据统计，二十世纪末期，美国发电站生产的电能40%以上都需要经过变换和处理后才供负载使用的。并且预计到21世纪二、三十年代，美国发电站生产的所有电能都将经过变流装置的变换和处理后供用户使用。由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，这一特性使PWM整流器控制技术及其应用获得进一步的发展和拓宽，渗透到了其它众多领域，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太阳能，网通等可再生能源的并网发电等。第1章 绪论1.1 本文设计任务本课题设计一个输出额定功率可达到15kW的三相电压型PWM整流电路。设计出整流装置的拓扑电路，整流电路输入为三相市电（星形连接），电源内阻为0.2欧姆，整流装置所带的负载为电阻、电感负载，电阻为60欧姆、电感为2mH。要求输入功率因数达到0.9以上，效率达到90%以上，整流电压值为800V，要求电压超调量小于10%，电流超调小于5%，交流侧电流脉动率小于额定值的10%，直流侧电压脉动率在10%以内，调制方式采用双极性SPWM调制，载波频率（开关频率）10KHZ，三相PWM整流电路采用电压、电流双闭环控制，试设计出整流装置的主电路、驱动电路以及控制系统。最后利用Pcspice软件进行仿真，得到仿真结果，验证指标。1.2 本文设计方案本文采用的PWM整流装置主要由三相半桥，负载，驱动电路，控制电路组成。其装置原理总框图如图1.1所示。三相半桥式整流电路由6组IGBT和续流二极管反并联组成。控制电路采用电压、电流双闭环控制。具体按典型I系统设计电流内环，按典型II系统设计电压外环。调制波采用的是双极性SPWM波，通过单片机89C52控制芯片SA8281来产生SPWM波。驱动电路采用IR公司生产的大功率IGBT专用的桥式电路驱动集成芯片IR2110。通过该芯片及外围电路来驱动IGBT管。驱动电源采用单相桥式整流电路。图1.1 PWM整流装置原理总框图第2章 三相电压型PWM整流器原理及控制方法 2.1 PWM整流器概述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，结合了PWM控制技术的新型整流器称为PWM整流器。相对于不控整流器和相控整流器，由于PWM整流器对电网不产生谐波“污染”，因此PWM整流器是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。PWM整流器的关键性改进在于它用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM斩波整流取代了相控整流或不控整流。由于PWM整流器网侧电流正弦化且运行于单位功率因数状态，能量可双向传输，从而真正实现了“绿色电能变换”。因而近年来受到广泛的关注和研究，经过多年的发展，PWM整流器主电路已从早期的半控桥发展到如今的全控桥；在主电路类型上既有电压型整流器（Voltage Source Rectifier-VSR），又有电流型整流器（Current Source Rectifier-CSR）；其拓扑结构也从单相、三相电路发展到多组级联或多电平拓扑电路；PWM控制也由单纯的硬开关调制发展到软开关调制。对于PWM整流器的研究起于20世纪80年代，国内外对PWM整流器的研究主要集中在数学建模、控制策略、拓扑结构等方面。（1）数学模型的建立与分析：A.W.Green等学者首先提出基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型，之后R.Wu，S.B.Dewan等建立了高频、低频的时域模型，并给出了相应的时域解。而C.T.Rim，D.Y.Hu等则基于开关电路的变压器等效电路，建立了低频等效电路模型，与上述基于微分方程得到的低频模型实质是相同的。在此基础上，Hengchun.Mao等人又建立了一种降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器的数学模型。（2）电压型整流器的电流控制策略：最初提出PWM整流器技术是以电流型拓扑提出的，但由于电流型结构所需要的较大的储能大电感，以及控制的复杂性，使得电流型整流器的发展相对比较缓慢，近年来随着超导技术的进展，电流型整流器在超导储能领域得到了较为成功的应用。（3）主电路拓扑结构的研究：根据PWM整流器直流侧电能输出环节的不同，可以将PWM整流器分为电压型和电流型，在研究和实际应用中都是以电压型PWM整流器为主。在小功率场合，PWM整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出的性能上。对于大功率场合，研究主要集中在多电平拓扑结构、变流器组合以及软开关技术上。20世纪90年代发展起来的智能型功率模块则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迅速发展,PWM整流器的研究一直是学术界关注的热点。随着研究的深入，基于PWM整流器拓扑结构及控制的策略，相关的应用研究也发展起来。这一时期PWM整流器的研究主要集中于以下几个方面：1.PWM整流器的建模与分析；2.电压型PWM整流器的电流控制；3.主电路拓扑结构研究；4.系统控制策略研究；5.电流型PWM整流器研究。随着电力电子技术的发展，为了适应在不同场合对PWM整流器的要求，PWM整流器已经发展成很多种类。按不同的方式可以如下分类:按直流储能形式可以分为电压型和电流型。电压型的特点是直流侧并联电容，使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。电流型的特点是直流侧串联电感，使CSR直流侧呈高阻抗的电流源特性。所以采用何种形式由设计要求来决定的。按电网相数可以分为单相电路、三相电路和多相电路。按PWM开关调制可以分为硬开关调制和软开关调制。按桥路结构可以分为半桥电路和全桥电路。按调制电平可以分为二电平电路、三电平电路和多电平电路。2.2 三相电压型PWM整流器（VSR）分析 以三相电压型半桥式整流电路进行分析，如图2.1所示。三相桥臂具有两种开关模式，即上侧桥臂导通或者下侧桥臂导通。因此三相VSR共有8种开关模式，可以用单极性二值逻辑开关函数（j=1,2,3）来描述，即 (2-1) 图2.1三相电压型PWM整流器的拓扑结构 对三相电压型PWM整流器的换流方式进行分析。本设计采用的是三相平衡电源，即三相电源电压为正弦波，且三相对称。所以定义三相电网电压为： （2-2） 设计要求是在单位功率因数条件下的整流，所以电流，和三相电压，同相。所以可以得到电流为： （2-3）根据三相电网电压公式，可以画出三相电压波形，如图2.2所示。图2.2 三相电压波形将每个周期分成6个区间，如图中所示。每相电压都为正弦波，所以可以推导出每隔60度就有一相的电流改变极性，从而影响主电路的换流方式。以区间5为例，分析电路的换流方式。此时，。1) 三相下桥臂导通，此时交流侧电感充电，直流侧电容对负载放电；2) a,b两相下桥臂和c相上桥臂导通，此时电感对电容充电；3) a,c相上桥臂和b相下桥臂导通，此时电感仍对电容充电；4) 三相上桥臂导通，此时电感充电，电容对负载放电。当进行波形分析时，假设三相电压型PWM整流电路功率因数为1 ，网侧电流与电动势同相。具体分析如下：1、交流侧电压（以a相为例） 由图2.2 三相电压型PWM整流器的拓扑结构可以得到：a相电压方程： （2-4） b相电压方程： （2-5） c相电压方程： （2-6） 由上面三个方程可以得到： （2-7） 当采用单极性二值逻辑开关函数描述时，得： （2-8） 三相电压型PWM整流电路a相交流侧电压的开关函数表达式为： （2-9） 2、网侧a相电感端电压 （2-10）3、 网侧a相电流忽略电压型PWM电路网侧a相等效电阻（b，c两相也进行类似处理），得： （2-11）4、 直流侧电流忽略三相电压型PWM整流电路损耗，其交、流侧的功率平衡关系为： （2-12） 得到直流侧与三相交流侧电流的关系式： （2-13）5、 直流侧电压由于波形为PWM波形，三相电压型PWM整流电路直流侧电压必然会波动。得： （2-14）由上式可知， 越大，脉动幅值越小。 2.3 三相电压型PWM整流器的电流控制技术 目前，根据有没有引入电流反馈可以将三相VSR控制方法分为两种，引入交流电流反馈的称为直接电流控制，没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制。下面分别简绍这两种控制方法的基本原理。2.3.1 三相VSR间接电流控制三相VSR间接电流控制是通过直接控制VSR交流侧电压来达到控制VSR交流侧电流的，而不需要设置交流电流传感器来构成电流闭环控制，所以是一种简单的VSR控制方案。三相VSR间接电流控制是通过控制三相VSR交流侧电压基波的幅值和相位，进而间接控制其网侧电流。这种方式的优点在于控制简单。但是动态响应比较慢，对系统参数变化灵敏。图2.3为考虑a相PWM控制算法的三相VSR静态间接电流控制系统结构。 图2.3 三相VSR静态间接电流控制系统结构 三相VSR静态间接电流控制只有电压环，没有电流环。如上图所示，将直流侧电压进行采样后，与给定电压值进行比较。通过电压PI调节器，输出三相VSR交流侧电流峰值指令信号。变压器为同步变压器，主要是为了保证采样电压和交流侧电压是同相位的。由于不可能存在理想变压器，所以要有滤波环节。交流侧电流峰值指令信号与待定比例系数K1,K2，K3进行相关计算后，再与同步交流侧电压进行控制运算，最后输出三相正弦调制波信号。由于只采用了电压环，所以存在电流响应慢等缺点。2.3.2 三相VSR直接电流控制三相VSR直接电流控制是针对三相VSR间接电流控制的缺点（动态响应比较慢，对系统参数变化灵敏）而提出来的。由于三相VSR直接电流控制采用网侧电流闭环控制，使VSR网侧电流动、静态性能更好，同时也使网侧电流控制对系统参数变化不灵敏，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。最简单、应用最为广泛的控制策略是滞环PWM电流控制，它具有较好的系统稳定性和快速性。图2.4为三相VSR滞环电流控制系统结构。图2.4 三相VSR滞环电流控制系统结构该三相VSR滞环电流控制系统是一个双闭环控制系统，其外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。外环PI调节器的输出为直流电流信号，分别和a,b,c三相相电压同相位的正弦信号相乘，于是可以得到三相交流的正弦指令信号，和。由于未发生相位的改变，因此，和分别和各自的电源电位同相位，其幅值与成正比，这就是PWM整流器能满足单位功率因数运行时电流内环所需要的交流电流指令信号。电流内环采用的是非线性环节滞环，交流指令信号与实际交流电流信号进行滞环比较。以a相为例，当实际电流时，调制电路的输出使系统网侧输入电流增大；当实际电流时，调制电路的输出使系统网侧输入电流减小。综上所述，三相VSR滞环电流控制系统结构简单，电流响应快，控制运算中不需要求得电路参数，系统的鲁棒性较好，因而获得广泛的应用。由于加入了电流内环，所以可以提高三相VSR限流保护能力。具体是因为系统在每一个载波周期都对电流进行比较，因此当发生电流过大时，可以快速动作保护。双闭环系统也是一个一阶系统，属于无条件稳定系统，因此在设计时，参数的计算比较简单 2.4 SPWM调制波的实现 2.4.1 89C52简介 89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机系列中的增强型产品，作为以CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机。其引脚结构如图2.5所示。对于89C52单片机进行简略概述，如下所述： 1、189C52的工作电压为5.0V； 2、具有32个双向I/O口； 3、封装形式有PDIP和PLCC；4、 重要引脚功能有： 1）RST引脚：89C52的复位引脚； 2）ALE/引脚：在FLASH编程时，用于输入编程脉冲；在其它时间，输出正脉冲信号，且频率为1/6； 3）引脚：外部程序存储器的选通信号； 4） 引脚：当该引脚为低电平时，直接访问外部数据存储器；当该引脚为高电平时，先访问内部数据存储器； 5）XTAL1和XTAL2引脚：主要是用于组成时钟电路。 图2.5 89C52引脚结构在本设计中，89C52单片机的主要有3个作用，具体为： 1、控制SA8281芯片产生SPWM波。 2、与霍尔电压传感器一起组成直流侧电压检测电路。 3、与电流互感器一起组成交流侧过电流检测电路。2.4.2 SA8281工作原理简介SA8281是由MITEL公司生产的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，基于SA8281和89C52的变频器具有电路简单、功能齐全、性能价格比高、可靠性好等优点。SA8281采用28脚DIP和SOIC封装两种形式。其DIP封装引脚如图2.6所示。主要分两类，一类是和微机处理器接口的控制引脚，另一类是SPWM脉冲输出的控制引脚。 图2.6 SA8281的引脚排列2.4.3 SA8281各引脚功能简介1、与微处理器的接口和控制引脚AD0和AD7：数据和地址复用总线。CS、WR、RD、ALE分别是片选、写、读和地址锁存信号线。 2、SPWM脉冲输出和控制引脚为： 1）RPHB、YPHB、BPHB引脚：分别通过驱动电路控制R、Y、B的下臂开关管。 2）RPHT、YPHT、BPHT引脚：分别通过驱动电路控制R、Y、B的上臂开关管。 3）SET TRIP引脚：通过该引脚可以快速关断所有SP-WM信号输出，高电平有效。 4）TRIP引脚：输出闭锁状态。当SET TRTP有效时，TRIP为低电平，表示输出已经闭锁。 5）ZPPR引脚：输出调制波频率。 6）WSS引脚：输出采样波形。 3、其他引脚为： 1）RST引脚：硬件复位引脚，低电平有效。 2）CLK引脚：时钟输入端。 3）VDD和VSS引脚：正负电源端。 2.4.4 SA8281的内部结构及工作原理分析SA8281的内部结构如图2.7所示。图2.7 SA8281的内部结构SA8281与89C52的接口原理图如图2.8所示。图2.8 SA8281与89C52的接口原理图 如图2.8所示，89C52的PO口与SA8281的地址数据总线直接连接，3条控制线、ALE分别与89C52相应的引脚进行连接。片选信号与P2.7相接，89C52的Pl.0控制SA8281的复位脚，引脚与引脚相连。由于89C52单片机没有非屏蔽中断，设计时将所有故障信号合并后，传送到SA8281的SET TRIP引脚，从而实现有故障时的快速闭锁，并通过引脚TRIP产生中断，在中断服务程序中进行故障的处理及恢复等工作。为了避免误闭锁，所以需要给各故障信号均加上滤波延迟电路，合并后的故障信号进一步经由单稳电路构成的窄脉冲消除电路以消除干扰脉冲的影响。 通过软件设定载波频率、调制频率、最小脉宽、调制比、死区时间等工作参数后，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需89C52的干预，单片机只用很少的时间去控制它，因而89C52的主要任务是保证功率器件在正常的工作条件下运行，出现异常情况时能够及时检测出故障并闭锁系统输出，切断主回路电源，使系统停止工作，从而保证功率器件不受损坏。2.5 对于三相VSR交流侧电感、直流侧电容参数选择的分析2.5.1 三相VSR交流侧电感分析交流侧电感除了能用来滤波，还可以进行能量的传递和电压的平衡。对电感的选取是至关重要的，如果设计中电感的选取过小，则会导致输入电流的谐波含量偏大；如果选取过大，则会使整个控制系统的电流跟踪速度降低。对于三相VSR交流侧电感参数的选择一般有两个指标。1、满足三相VSR有功（无功）功率稳态指标。图2.9表示在只讨论基波正弦电量，且稳态时的VSR交流侧矢量关系图。图2.9 VSR交流侧稳态矢量关系 图2.9中，E表示电网电动势，V表示交流侧控制电压，表示电感电压，I表示交流侧电流。当三相VSR直流侧的电压确定后，VSR交流侧电压的最大峰值也可以得到确定，即 （2-15）式中，M表示三相PWM相电压最大利用率。当调制方式采用双极性SPWM调制时，则M=0.5。当采用空间矢量PWM（SVPWM）控制时，则。当三相VSR采用SPWM控制时，忽略整流电路的损耗，则： （2-16） 式中：p为交流侧有功功率； q为交流侧无功功率； M为相电压最大利用率； 为电网相电动势峰值； 为交流侧基波相电流峰值。 则交流侧电感值为： （2-17） 式中：为整流器直流侧电压。由上式得三相电压型PWM整流器在4个特殊工作点时的电感上限值。 时，纯电感特性。电感上限值如下所示： （2-18） 时，单位功率因数整流。电感上限值如下所示： （2-19） 时，纯电容特性。电感上限值如下所示： （2-20） 时，单位功率因数逆变。电感上限值如下所示： （2-21） 2、满足三相VSR瞬态电流跟踪指标。 对于图2.2所示的三相VSR拓扑结构，其a相电压方程为： （2-22） 当忽略三相VSR交流侧电阻R，且令，则化简式（3-11）为 （2-23） 式中，为二值逻辑开关函数。 当需要抑制谐波电流时，电流峰值（）处附近一个PWM开关周期中的电流跟踪瞬态过程，其波形如图2.10所示。图2.10 电流峰值（）处附近一个PWM开关周期中的电流跟踪波形 在稳态条件下，当时，且满足如下等式： （2-24） 当时，且满足如下等式： （2-25） 考虑到电流峰值附近一个开关周期中，有。结合式（2-35）和式（2-36）可以得到L的不等式： （2-26） 式中 表示最大允许谐波电流脉动量。2.5.2 三相VSR直流侧电容分析除了交流侧电感的设计，直流侧电容的设计也是至关重要的。直流侧电容具有缓冲VSR交流侧与直流侧负载间的能量变换，稳定VSR直流侧电压和抑制直流侧谐波电压。为了达到上述两个作用，直流侧电容设计需要满足两个指标。1、 满足VSR直流电压跟随性指标 分析三相VSR从直流电压稳态最低值跃变到直流电压额定值的动态过程。其中三相VSR直流电压最低值是指三相VSR交流侧接入电网且功率管不调制时，由于功率管中续流二极管的存在，此时三相VSR相当于一个三相二极管整流器，其整流电压平均值为： （2-27） 式中， -三相VSR网侧线电压有效值。三相VSR额定直流电压是指在额定直流负载条件下，VSR直流侧输出额定功率时的直流电压，即 （2-28） 式中，-VSR直流侧额定输出功率； -额定直流负载电阻； -VSR额定直流电压。 当三相VSR直流电压指令阶跃给定为额定直流电压指令值时，若电压调节器采用PI调节器，则在三相VSR实际直流电压未超过指令值前，电压调节器输出始终饱和。因为电压调节器输出表示三相VSR交流侧电流幅值指令，所以若忽略电流内环的惯性，则此时三相VSR直流侧将以最大电流对直流电容及负载充电，从而使三相VSR直流电压以最快的速度上升。该过程可以用等效电路表示，如图2.11所示。 图2.11 VSR直流电压跃变时动态等效电路上图a为恒流源等效电路，b为恒压源等效电路。当考虑直流电压初始值为，则由b图可以得: (2-29) 令，并将其代入式（3-18），化简之后可以得 （2-30） 求解上式可以得 （2-31）根据跟随性能指标，三相VSR直流电压以初始值跃变到额定直流电压时的上升时间不大于，则 （2-32） 因为，所以 （2-33） 一般情况下，常取 （2-34） 式中 表示三相VSR网侧相电压有效值。 将式（2-38）和式（2-44）代入式（2-44），化简可得 （2-35）2、 满足VSR直流电压抗干扰性能指标 由上面的推导过程，可以看出满足三相VSR直流电压跟随性指标可以求出直流侧电容的最大值。对于求出电容最小值的方法，必须使三相电压型PWM整流器能够满足在负载阶跃扰动情况下的抗干扰性能指标。于是得到： （2-36）式中，表示VSR直流电压最大动态降落相对值。如果要使VSR直流侧电容取值同时满足直流电压跟随性、抗扰性控制性能指标，则要满足下式： （2-37）第3章 三相电压型PWM整流电路的主电路设计3.1 主电路的拓扑结构选择本论文采用的是三相电压型半桥式整流电路，其拓扑结构如图3.1所示。图3.1三相电压型PWM整流器的拓扑结构 由设计任务可得：负载,电感。3.2 IGBT管的选型本设计中采用的功率开关管是IGBT。绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它是由功率MOSFET和功率晶体管GTR集成在同一个芯片中，因此IGBT即具有功率MOSFET工作开关频率高、输入阻抗较大及驱动电路简单等优点，也具有功率晶体管GTR的低饱和和电压特性及易实现较大电流的能力。本设计中要求整流器效率达到90%以上，输出额定功率为15kW。用表示输入功率，表示每相输入电流的有效值，则有： （3-1）三相输入市电取有效值为220V，则每相输入电流有效值： （3-2）所以由每相输入电流有效值可以计算得到网侧电流峰值为： （3-3）选取网侧电流峰值的设计值为35A，并且考虑设计余量为2倍，因此在本设计中选取额定电流是70A的功率开关管IGBT。对于功率开关管IGBT，除了确定它的额定电流外，还须计算出电压有效值。由式可以得到： （3-4）式中，表示输入线电压的振幅值，为IGBT的最大反向电压。考虑到安全余量，取1.5倍。所以IGBT的额定电压取1600V。通过查阅网上各个公司的IGBT型号，本设计选择的IGBT型号为德国艾赛斯系列的VUO70-12N07。选择VUO70-12N07的原因：1）可以满足本设计对IGBT管的所有要求；2)直插式器件，便于安装；3）重量轻，只有110g；4）体积小，其尺寸为；5）价格便宜，一般网上的只有1元/只；VUO70-12N07的实物图如图3.2所示。 （a） （b）图3.2 VUO70-12N07VUO70-12N07的产品详情如表3.1所示。表3.1 VUO70-12N07的产品详情型号：艾赛斯VUO70-12N07频率类型：超高频结构：点接触型材料：锗封装形式：加色散射封闭D类别：直插价格：113元/只电流容量：大功率封装材料：金属封装重量：110g 3.3 交流侧电感设计关于交流侧电感的设计，本设计要求同时满足三相VSR有功（无功）功率稳态指标和三相VSR瞬态电流跟踪指标。 根据任务书的要求：1）调制方式采用双极性SPWM调制，所以式（2-15）中的PWM相电压最大利用率M的值为0.5。 2）整流电压值为800V，即。所以由式（2-15）可以得： （3-5）本设计是关于三相电压型PWM整流电路，满足单位功率因数整流。所以关于交流侧电感的公式采用式（2-19）。本课题设计一个输出额定功率可达到15kW的三相电压型PWM整流电路。整流电路输入为三相市电。所以电网相电动势峰值为；。在IGBT参数选择中已得到交流侧基波相电流峰值。所以由式（2-17）可以得到关于交流侧电感的上限值： （3-6） 表示最大允许谐波电流脉动量。根据任务书的要求，交流侧电流脉动率小于额定值的10%。所以可以得到： 又由于载波频率（开关频率）10KHZ。所以综上所述，可根据式（2-26）求出电感的下限值，如下所示： （3-7）经过上述计算及从整流电路整体设计考虑，交流侧电感参数选择为4mH/40A。本设计输入端采用的是三相对称电压源，所以交流侧三个电感的参数是一样的。 在电感的设计中，对于磁芯的形状，一般有磁环磁芯、罐型磁芯、E型磁芯、EC磁芯和PQ磁芯。本设计采用的是磁环磁芯，其形状如下图所示。 图3.3 磁环磁芯3.4 直流侧电容设计关于直流侧电容的设计，本设计要求同时满足三相VSR直流电压跟随性指标直流电压抗干扰性能指标。由式（2-35）可以得到：为了满足电压环的跟随性能指标，三相VSR直流侧电容要尽量小，以确保三相VSR直流侧电压的快速跟踪控制；由式（2-36）可以得到：为了满足电压环控制的抗干扰性能指标，三相VSR侧电容要尽量大，以限制负载扰动时出现的直流电压动态降落。为了满足设计要求，所以可以得到关于直流侧电容的不等式： （3-8）根据任务书要求可以得到：1）直流侧负载电阻；2）由于直流侧电压脉动率在以内，所以： （3-9） 则直流电压最大动态降落相对值为： （3-10） 3）由式（2-37）可以得：。取。 由上面3个条件可以得到关于直流侧电容的不等式： （3-11）综上所述，应选择容量为0.042F，额定工作电压为800V的电容。通过网上查阅，本设计选择2个PG-6螺旋安装铝电解系列电容，其容量都是84000uf，额定电压为400V。采用串联的连接方式。对于所选择的PG-6螺旋安装铝电解系列电容，其产品资料如表3.2所示。表3.2 PG-6螺旋安装铝电解系列电容产品资料封装外形：圆柱形品牌：ALCON类别：螺栓安装型号：PG-6标称容量：330 250000uF额定电压：40 500Vdc价格：600元/只结构：固定所选电容实物图如图3.4所示。图3.4 PG-6螺旋安装铝电解系列电容3.5保护电路设计3.5.1 交流侧过流保护在三相VSR的交流侧，需采取短路保护电路，从而保证电路安全可靠地运行。在本设计中，用芯片SA8281来设计交流侧的过流保护。芯片SA8281可以通过SET TRIP引脚快速关断所有SPWM信号输出，高电平有效。设计时将所有故障信号合并后，传送到SA8281的SET TRIP引脚，从而实现有故障时的快速闭锁，并通过引脚SET TRIP产生中断，在中断服务程序中进行故障的处理及恢复等工作。为了避免误闭锁，所以需要给各故障信号均加上滤波延迟电路，合并后的故障信号进一步经由单稳电路构成的窄脉冲消除电路以消除干扰脉冲的影响。3.5.2 IGBT的保护1、对于IGBT过电压的保护，本设计采用RC型吸收电路来保护功率开关管IGBT。如图3.5所示。图3.5 RC型吸收电路对RC型吸收电路的具体作用为：1） 当IGBT关断时，原来流过交流电感的电流会通过RC旁路，从而将交流电感的储能转移到吸收电路的电容C上，避免在IGBT突然关断时，由于电流的突变导致在器件两端产生很高的电压尖峰，因而大大降低了开关管截止瞬间在其两端所产生的过电压。2） 当IGBT导通时，电容C上存储的能量通过IGBT、缓冲电路上电阻R释放，为下次的缓冲吸收做好准备。对RC吸收电路的电阻R与电容C进行估算。由于本设计的开关频率为10KHZ，一般情况下，选择电阻R为100欧。对于电容C，通过公式可以得出所选电容大小为： （3-12）2、 对于IGBT的过电流保护，本设计采用桥式电路驱动集成芯片IR2110的SD端来实现过电流保护控制功能。对于芯片IR2110的详细介绍见第五章，此处只是关于IR2110的SD端。IGBT过电流保护的原理图如3.6所示。图3.6 IGBT过电流保护原理图工作原理：实时的将流过IGBT的电流与给定电流值进行比较，当流过IGBT的电流过大时，通过SD端口切断IGBT。具体流程：由于本设计选择的IGBT能够承受的最大电流为70A，取电阻R2为0.1欧，则基准电压为7V，即。电阻R2的作用是对流过IGBT的电流进行采集，并将其转换成电压信号V1。转换后的电压信号与基准电压VDD进行比较。如果V1VDD，则比较器输出高电平给IR2110的SD端口，然后IR2110迅速切断IGBT，从而防止过电流的产生。第4章 控制电路的设计 4.1 本设计采用的控制方式 本设计的控制电路如图4.1所示。控制电路包括主控芯片、外围接口电路和检测电路。该控制电路采用电压、电流双闭环控制。整个控制电器由89C52单片机和专用集成芯片SA8281组成。基于SA8281和89C52的PWM整流器具有电路简单、功能齐全、性能价格比高、可靠性好，而且硬