基于H桥及SPWM调制的大功率交流恒流源研究

基于H桥及SPWM调制的大功率交流恒流源研究 厦门大学 硕士学位论文 基于H桥及SPWM调制的大功率交流恒流源研究 姓名:杨松 申请学位级别:硕士 专业:机械设计及理论 指导教师:陈文芗 201205 本文所设计的恒流源利用了逆变原理，通过软件生成高精度的,,波 形，驱动全桥逆变电路，输出端经过降压升流和滤波之后输出高精度的正弦波 形。为了实现恒流控制，在输出端负载处进行了电流采用，转换后回传给控制 中心，控制中心根据采集回来的数据作出相应的调节，实现输出电流的恒定。 根据这个设计思想，本文在具体分析了各种,,算法后，采用了不对称 关键词交流恒流源逆变,, ,,:,, ,,坞,,,, , ,,, ,,工,姗,, ,,,,,,,,琽,，,,, ,锄,,瑂,,誺,,,,,,,, ,,瞖 , , , ,,,,,， , , , ,,,,,,鷇 , , , , ,砸, ,,,缸, ,嬲,洲,, ,,,,,,, , , ,,吼,鮝,,石, ,, , , ,,,,,,雔,,,,,培,吐,,瑄,, , , ,, ,,,,, , , ,, ,,鷉(,,,, ,,, ,,,,,,,,彻, , ,,(,,, ,,,,,， ,,, ,,, ,,,,, , ,驴, ,,,,骉,鷗 ,,,,, ,, ,,, ,, ,印,,,,( ,, , ,,, , ,,,,， ,, ,,,, ,盯, , , , ,,,,,耹,,,,,, ,,,,,, ,璐,,,,,鉻,,鬳;,,笈秗;,, 第一章绪论 弟第一覃章殖 绪比论 ,,课题研究背景及意义 电源是现代电力工业中最常用的设备之一，作为整个电力工业中提供动力 和最基础的部分，有人甚至称之为现代工业的血液。电源技术的发展也日新月 异，目前已经发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。高质量的电源 直接影响着现代的通讯、电子、自动化以及国防等某些高新技术的质量和效率。 而电源的波动，外界电网的干扰等问题在许多场合下会造成不小的问题，如可 能导致某些昂贵的仪器损害，或者干扰所要的结构。交流恒流源作为电源中比 较特殊的一员，由于其能在外界电网电压产生波动或者用电负荷的阻抗特性发 生变化时仍然能够输出稳定的电流的特性，在各种需要对特定电流或者特定电 流的热效应的场合应用的十分广泛，如断路器、熔断器、热继电器、磁力启动 器等保护性开关的检测等。如在使用较多的电磁继电器的检测时，由于过流、 差动、方向及距离等继电器在其电流形成回路中都是采用闭合铁芯，甚至是速 饱和铁芯结构组成，当回路电流达到一定数值时，即产生磁饱和，饱和前和饱 和后的阻抗显然是不一样的，属于非线性负载。而通过大电流调试这些非线性 负载时，用一般的变压器进行降压升流的方法是行不通的。因为一般的升流器 ,溲蛊,工作时是将一侧的高电压低电流转换成另一侧的低电压高电流来满 足检测所需要的电流值。虽然从数值上可以做到提供所需要的电流值，但是这 样的升流器,溲蛊,只是一个电压转换器而不是一个电流源，其输出阻抗非 常的小，所以只能适用于线性阻抗性质的负载。对于非线性阻抗的负载来说， ,,国内外研究现状 第一章绪论 图,,利用方波信号发生器原理 和反馈电路分别如下图所示。 ,, , , , 图,,驱动电路 , 图,,功放电路 图,,利用方波信号发生器的恒流电路 图,,线性电源原理 这种系统在电流的稳定性上具有一定的优势，利用三极管的功率放大形式 来实现，避免了谐波分量的影响，实验表明，输出电流在,,以上时还能保持 ,,,左右的稳定度。但是其缺点也同样很突出，因为整个过程中三极管都是工 作在线性放大区，导致电源的效率非常低，功耗很大，发热比较严重，当功率 提升时往往需要多个晶体管进行并联使用，体积比较大。而且由于三极管工作 在线性放大区，需要有相应的外围电路来设置合适的静态工作点。当需要输出 大电流时，对于,,,,对管的选择要求很高。 ,,本课题主要解决的问题 ,,,,的算法分析及生成和控制。 本系统的主电路部分采用,鯥,,茏槌扇,诺缏罚,,,,产生的,, 度的正弦波。 器不仅仅起到升流作用，其漏感也作为滤波电路的电感使用，所以其参数设计 尤为重要。 ,,论文内容章节安排 本论文主要内容章节安排如下: 第三章:,,的产生和控制。主要阐述了,,产生的原理，各种不同算 第一章绪论 第七章:总结和展望。对于本系统的总结，对今后工作的展望。 ,,设计思想 ,,整体结构 第二章恒流源整体系统设计 图,,系统整体结构框图 图,,主控模块组成结构 ,一, 酬整流电 路 ,, 图,,全桥逆变模块结构 在本设计中，调制比取值为口,(,，所以经全桥逆变后输出的正弦分量电压值 ,—, 第二章恒流源整体系统设计 图,,升流,滤波模块结构 图,,电流采样、转换模块结构 构，界定其实现的功能。 第三章,,的生成和控制 随着现代电子电力技术的发展，工频,夜,,,,越来越无法满足一些 用电设备的工作要求，电源频率不适当会导致用电设备处于低效率和低功率因 数的运行状态，损害设备，浪费能源。因而变频技术随着发展，逐渐成为一种 成熟，且应用面十分广泛地高效节能技术，集现代电子、信息、只能技术于一 图,,微机生成,,原理 如图,,所示。 ,?丁 : 图,,自然采样法原理 ,—, ,—, ,—, ，:,ザ,冱 ?丁:三 第三章,,的生成和控制 图,,对称规则采样法原理 利用底点采样，根据相似三角形的原理可以得到以下关系: , 图,,不对称规则算法原理 ,—, , 万 , ?, 一，厶 , , 一 第三章,,的生成和控制 冲量即窄脉冲波的面积。其原理如图,,所示。 : 一,万 、( , , , 霾 匪, 争双, 籸 图,,等效面积算法原理 所以 双耻焉,芜腸等矿,,和 ,,算法分析选择 由上述自然采样法的开启点和关断点时间公式: 由于正弦波形是奇对称的周期函数，上述对称规则采用法、不对称规则采 ,,, 将函数,,按照傅立叶级数进行展开可得: ,,, ,,, 可得总的谐波失真度为: 计算公式可得，等面积法抑制谐波的能力最好，其谐波幅值最小，不规则采样 法比较接近自然采样法，其波形失真度较小，规则采样法抑制谐波能力最差。 但是等面积算法速度最慢，规则采样法由于每个周期之采样一次，速度最快。 综合以上谐波和速度的考虑，本设计采用不规则采样法，较小的谐波失真 度保证了,,的精度，较快的速度保证了实时性和电源的反应速度。 ,,,,单片机 拥有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，其内核具有丰富的指令集和 ,个通用工作寄存器，并且所有的寄存器都直接与运算逻辑单元相连接，使得 一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提 高了代码效率，使得,,,,的数据吞吐率高达,,,疢,，从而缓解了系统 在功耗和处理速度之间的矛盾。 时器,计数器，四通道的,,,路,位的,,,礁隹杀喑痰拇,蠻,,，可 图,, ,,,,定时器,计数器框图 均为,位寄存器。,疌可由内部时钟通过预分频器或通过由,脚输入的外部 时钟驱动。双缓冲输出比较寄存器,,,疊输出可变频率的信号，比较配置结 构还可置位比较匹配标志,,,疊，用来产生输出比较中断请求。在某些模式 下，,,祷騎,,畲笾悼捎蒓,,寄存器、,,寄存器，或者一些固定数据 来定义。 ,疌可以在几种不同的模式下工作，其中,,纳,赡,接锌焖貾,模式， 相位修正,,『,,胶拖辔黄德市拚齈,模式,韵录虺葡嗥敌拚,,,。快速 ,,,娇梢杂美瓷,筛咂档腜,波形，由于其采用的是单边斜坡的工作方式， 其精度和准确度较差。相位修正模式采用双边斜坡的方式，可以产生高精度、 相位准确的,,ㄐ危,嗥敌拚,,娇梢圆,,呔ǘ取?辔挥肫德识甲既返腜,,篗 其中，相频修正模式的时序图如图,,所示。 ?,,鯻,,,,,觥瘛觥觥觥瘛觥觥觥甠?,觥鰋???‘,鯻,,鯻?,弧瘛瘛鯻,弧觥觥, 图,,相频修正模式框图 在其上升沿,,,闹涤爰拇嫫鱫,,值相匹配时，,,置,,谙陆笛赜雘,, ,,姆直媛视蒾,,来定义，最小为,,，最大则为,位。 ,,, 时发生中断。其输出的,,篗波频率可由如下公式得到: 所示。 ,?: , 【一 图,,定时器时序 如上单片机生成,,篗的原理所示，,,ǖ闹芷谑怯墒敝悠德售蹋,,、分 ,,担,湍芸刂芇,波的频率。如果我们在每个周期的,,备谋浼拇嫫鱋,, 所以设定,,担,刂苚,,的值按照正弦规律变化，就能得到不同频率的,, 波形。 为实现,,,蛋凑,夜媛杀浠,,恢址椒ㄊ窃诿扛鲋芷诘腡,值时动态 很快，考虑到产生高频,,时会对精度产生一定的影响，本设计采用了另一种 乞,模海,等,一口,,, 可以得到单个周期内,,的宽度: 浯,， , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,如卯 ,如鳃 ,,, , ,盯舛 ,琹 昭勉孵 实现流程如图,,所示。 工 匦 尸 ‘ 。。 厂,,—三丛一,,【, 其中，,挛5テ,,敝悠德剩琓,为计数寄存器最大值，本设计中， 所以基波频率为 , ?一,,—? 图,,,兴,疚G,,,沤峁故备鞲隹9毓苤芷,,内对应的波形。为 ,,生成电路 市电降压至,,,瞬ㄖ,笤偻ü,桓鋈,宋妊苟俗覮,,将转换为单片机工 图,,,,局校,テ,,跏忌,傻奈R宦菲德饰,,,的完整,,波形， ? 第四章全桥逆变结构的设计 ,,逆变拓扑结构 图,,全桥结构 功率变压器,接在开关管,、,接点和,、,接点之间，在一个工作周 换器的输出如式,,所示。 , , ,初级电压 近似表示为: 。畦争 同理，对于上半部分绕组， 其中，札，为变压器次级上半部分绕组线圈匝数。 近似表示为: 第四章全桥逆变结构的设计 ,,特性分析 随着功率器件的发展，,,,,嫡に?,途,骞,逐渐取代了传统的晶 (—,如’簟??“。。凹?? 彩缓彩?彩澎 黝 “撮锄 ? 图,,,,,和,,基本结构对照 之间有着对应的关系，该关系即为其静态特性，又称输出特性(不同的温度下， (, , , 膨 囊毫静爱蠢搬阔趣压气蠢一 图,,静态特性,,, 出，‰越低，发生的损耗也就越小。而该特性同时又受到温度和‰的影响， 第四章全桥逆变结构的设计 毒 囊 , 以擐,?浞勾彻昴洌骸痥暴口 图,,‰一,的特性曲线 力曩毫置 集电覆咆匿 集也报吃嚣 图,,交换时间 其中， 甜,刀,硎究Mㄑ映偈奔洌,纯Mㄊ保,用偶ǖ缪梗サ, 压,上升至最大值的,,时所需要的时间。 极电流上升至最大值的,,所需要的时间 翻坳,矿表示关断时间，即器件从开通状态到关断状态随需要的 时间。 ,,硎竟囟鲜奔洌,醇,缂ǖ缌鳎琧由开通值的,,下降至,,所需要的时 间。 肋以表示开通损耗，即器件在开通时的能量损耗。 ?纩表示关断损耗，即器件在关断时的能量损耗。 根据以上对于交换时间的定义，我们可以发现交换时间是受到集电极电流 图,,和,,显示了不同温度下交换时间和集电极电流‘之间的关系。 磁 匝圈 ,蓿琌 图,,交换时间特性,,。, 图中，横坐标表示的为集电极电流,篺，纵坐标表示的为交换?寸问,,,， 第四章全桥逆变结构的设计 图中，横坐标表示的为门极电阻尺,,，纵坐标表示的为交换时间,,,，。 常小，瞬时的集电极电流变化历，，,以会很大，而电路中存在着电感，该电流变 化会在电感上产生尖峰电压,，卡诉,衍，当尖峰电压超过管子的承受范围时会 ?纩表示关断损耗，面”表示开通损耗。 , 鑫 ,辧麓 臼,黼,簁 图,畁交换损耗(集电极电流特性 团 ,甇 ,睴 极电阻越小，开通和关断时问越短，开通和芙断损耗越小:门极电阻越大，交 ,紏,,,,越,琷笠成,，,琭:,,琭,父断托,轊也就越人: 第四章全桥逆变结构的设计 , ?? : ， ” — — — 。 ， ， ( (‰嗍 图,,,岬缛荩甂(,特性 图中，横坐标表示的是集电极和发射极问电压??纵坐标表示的足结电容 所示。 。, 歹 结电容相对于‰的特性以及门极电容,，是我们设计,,驱动的重要参 第四章全桥逆变结构的设计 , ‘ ‘ ‘ , : :硼:,甤姗 茹 , , ,潮鳓睡‰。 , 秘口 值，这个过程电流很大，其瞬态电流可以达到几安培，此时，集电极没有电流 不变，但是‰变化非常地快。 完全打开。 相反，电荷从门极移除。 ,—, ,—, 设定输出端最大输出电流,,,,荩,畲蟮缪鬼褚,,矿，所以最大输 出功率为: 第四章全桥逆变结构的设计 则逆变后全桥输出端电流为: , 项目 , 门极驱动电压 集电极持续电流 , , ， ， , ,,模块静态特性 第四章全桥逆变结构的设计 是由,,结构特征所决定的。,,内部反向并联快速恢复二极管,,篋，如上图 ,,,,荆,贗,,τ诠囟鲜保現,,就会反向恢复，此时，集电极和发射极之 间的反向传输电容,,滓约懊偶ǖ缱栊陌慈缤,(,所示的方向流动。并在心 秘，? 刃( , 一旦‰的尖峰值达到一定值，就有可能开启,,，引起误导通。此时对 以引起,,开通。一般反向关断电压在一,时关断已经很可靠，为了保证其在 各种干扰环境中的可靠性，本设计中设定关断电压为,,籰,。 第四章全桥逆变结构的设计 检测的短路保护电路示意图。 其中光耦,用来异常时输出故障信号。 第四章全桥逆变结构的设计 高电平，光耦不导通，:不输出故障信号。 点由于::关断而悬空，而:截止，:阄8叩缙剑珹:篈输出低电平，因此 之前:::恢笔涑龈叩缙绞沟肁:築在这个过程中也保持输出高电平，实现了 将工频电压经过整流滤波后供给全桥结构。 ,,, 第四章全桥逆变结构的设计 根据上述驱动芯片,,,,奶匦裕,杓破渫馕У缏啡缤,(,所示。 其是在周围线路复杂，配线电感较大的情况下。而,,管的门极驱动电压额 该电路中，采用两个对接的稳压管来限定门极电压。其中,稳定电压为 ,,死区控制 , 为了防止这种情况，设计时需要设定一个空载时间，即死区时间，其定义 第四章全桥逆变结构的设计 上支路门极信号 ? ; , ?? ,琹?? ,瑃，,,唬 ,,～,，: 。; ?嘿 , ,( 死区时间越大，其工作就越可靠，死区时间越小，就越容易造成短路。 死区时间的存在在有效地保护,,管在对角支路交替导通时不被短路的同时 也带来了死区效应。所谓的死区效应指的是由于死区时间，使得实际输出电压 与理想电压波形存在一定的波动。因为在死区时间，同一侧的上下桥臂都处于 关断状态，输出电流仅仅靠,,内置二极管的续流，实际上此时输出电压是出 第四章全桥逆变结构的设计 : 幅值越大，死区时间越大，谐波幅值越大。 ::::::::琕雠:::，:::痗 ; : — 一一一 ; : : : : : ,?甲,,痗 —?—? , 一一 , ; , , , 铡,髓,溺囹膖:,‘, ,,,,换皇奔涮匦,,,, 由图可以看出，交换时间大致稳定在,,,,,微秒。死区时间的设定需大 根据延时时间的计算公式，可以确定相应的电容和电阻。 ,,本章小结 第五章滤波电路的设计及恒流控制 第五章滤波电路的设计及恒流控制 如,,(,,(,,中所述，母线上的直流电压经过全桥逆变处理之后，输 出依然为,,波形形式，需要通过滤波电路来将其中的正弦分量滤出来，同时， 输出端需要经过一个升流变压器将输出电流提升到所需的大电流。另外，利用 不规则采样法生成,,,波形时，由于算法本身的原因，存在着各次谐波，其总 失真度为 ,—, 要在最终输出前对这些谐波做滤波处理才能得到优质的正弦波形。 电压中正弦分量最大有效值为 ,—, , ,参,,嘉蚴彳 其中,为变压器效率，取值一般在,,,,,。本设计中取值,,。 器将载波滤除。本设计采用,滤波，如图,,所示。 , 图,,,滤波电路 , 工 , 第五章滤波电路的设计及恒流控制 得到其漏感为: ,(, 其中， ,，为漏感， ‰为空气的导磁率，在,,,缘ノ恢浦形,，在, 电流值来判断电流是否恒定或是否为设定值。其过程如图,,所描述。 ,髦票萯 ,崾鳬 , 』 ,闶,一调整输出电 压幅倒 图,,恒流控制流程 改变逆变电源的输出电压幅度，可以从两个方面考虑，,改变全桥结构的 (;， , 图,,,,生成原理 图,,逆变结构 的电压幅值为 ,—, 第五章滤波电路的设计及恒流控制 图,,调制比改变流程 专换为电压信矧 图,,采样信号处理 图,,精密整流 第五章滤波电路的设计及恒流控制 ,,, 图,,精密全波整流电路 当巧,时，二极管,导通，,截止，此时，么。构成了电压跟随器，所 ‰,狻,巧 当圪,，二极管,截止，,导通，此时，运算放大器彳。构成同相 放大器，可得 彳:的输出电压为: 可以取电路中各个参数的值如图,,中所示，使得 第五章滤波电路的设计及恒流控制 则有 图,,电压传输特性 图,,,芓运算放大器内部结构 可以保证其转换的速度和精度。 精密电阻上采集的电压信号为: 第五章滤波电路的设计及恒流控制 整流后为: ,,,,讨粒,,么,(,, ,,本章小结 第六章实验结果与分析 ,,恒流源实物展示 图,,,,生成和控制部分电路 第六章实验结果与分析 图,,,,模块部分 图,,驱动电路 图,,电源部分电路 图,,升流变压器 第六章实验结果与分析 代加工完成。 图,,所示为整个系统组装完成后效果。 图,,恒流源整体 ,,输出结果及分析 以下各图是本恒流源在不同输出电流的情况下输出波形的情况。 图,,输出波形,, 实验结果表明，本恒流源在输出端可以得到精度高、谐波小的优质正弦波 第六章实验结果与分析 流设定值时输出电流的情况。 从以上数据可以看出，恒流源的输出电流可以很好地通过,,最高占空比 即调制比来控制，输出电流精度稳定在,,以上。 ,,本章小结 , ,鷈伯血,,,,,,,,篶,,,,, , ,, ,识蔔,血正,，,(, 【,抗,。,姹涞缭纯刂萍际跹芯俊綝】(【硕士学位论文】(成都:西南交通大学，,,:,—,( ,,,娼( ,(, 【,眶,阰,琄 ,產,,,,, ,,阰,璐:,,鵇,,耄,齞 五隧缸,锄,甋,,, , , ,,,,,,, 【,縂,,鯽, 【,】,,,珹(，,,,,(，,,,琋(‘‘,,, , ,,正,，,, ,,,,,,,,,,,( 空航天大学出版社，,,:,(,( ,,拷,拦,,跻,玻甀,,,榈氖褂眉氨,躥,(平顶山工学院学报，,,，,,,,:,(,( 【,】陈国呈(,,淦档魉偌际酢綧】(北京:机械工业出版社，,,( 【,】李华耀(一种正弦交流恒流源的研制【,浚,缁,缙骷际酰,,,,,,,,( 【,,吣龋,蠲,,钍ぞ,,佑谛畹绯匦阅芗觳獾慕涣骱懔髟瓷杓啤綣】(微计算机信 【,】李滨，王述洋，盖志武(全桥式逆变电源的仿真研究,】(森林工程，,,，,,,,,,( ,刑,畍,,, ,,鏶,蜘 ,,仃,,,琹 , ,危珹 ,,,,,,,,,,,,, ,,祝畂,趆,,, , ,,, ,, ,,空郧啵,恢只,诘ゼ,詓,,刂频恼,也,姹淦鞯难芯俊綝】(浙江大学，,,( 【,】王英翘，姚列英，宣伟明，徐伟东(,攀酱蟮缌骺炜氐缭瓷杓啤綣】(核聚变与等离子体物 理，,,，,,,,,,,( 【,,,,浚,罴由,,?G澹,,髀瞬ǖ缏分行巢ǖ缌鞯姆治黾捌涓慕,难芯俊綣】(通信电源技 攻读硕士学位期间发表论文 地专心学业。