基于单相模块构建三相PWM整流器（可编辑）

基于单相模块构建三相PWM整流器（可编辑） 基于单相模块构建三相PWM整流器 浙江大学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 基于单相模块构建三相整流器 学位申请人: 谢人 导 师: 徐德鸿教授 ? 浙江大学电气工程学院电力电子技术研究所 年月 .. /川 四 四 ? ?????? 四 四 四:.,,..基于单相模块构建三相整流 器 ? 论文作者签名:?晕 指导教师签名: 论文评阅人: 评阅人: 评阅人: 评阅人. 评阅人: 答辩委员会主席: 陵田生 委员: 筮德鸿 委员: 胡长生 委员: 呈崮征 委员: 袁明搓 委员: 答辩日期: 墨浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导瓣指导下避行的研究工作及敬得能 研究成果。除了文中特别加以标注葶弱致谢的缝方外,论文中不包含其它入 已经发 表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝逛太堂或其它教霄机构的学位或 证书丽使用过的材料。与我~圊工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文 中作了踢确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签字溺期: 劫?年弓月 争岛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解涵逛太堂..有权像留并向醚家有关部门域机 构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和储阅。本人授权甑选太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据霹进行检索和传播,可以采用影 印、编印或扫摘等复制手段保存、汇编学位论文。 像密的学位论文在解密后适用本授权书 ’抟 学位论文作袭‘签名: 舅才人 导师签名: , 叩 、 一 签字目期: ?年月母翻 签字嗣期文、连夕月厂,翻浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着开关电源功率容量的不断提高,中大功率用电设备通常采用三相 整流器作为前级变换器,但用电设备在工作的同时会向电网注入电流谐波,造成 电力环境的污染,且大功率设备对电网的影响尤为明显,应用功率因数校正技术 可以降低电流谐波含量。本文基于单相模块构建了三相整流器, 具备如下的优势:采用模块化的思路扩展功率容量可以缩短研发成本及周期;单 相模块结构简单,易于规模化生产从而降低制造成本;在三相整流器上应 用成熟的单相技术;单相模块可以使用低压功率器件以实现同样的功能, 对成本和变换效率可能具有一定的优势。可见,基于单相模块的三相整流 器具备较高的研究价值和广阔的应用前景。 第一章对比了三相整流器的常见拓扑;为了解决并联模块间均流问 题,回顾并对比了多种并联模块均流控制策略,其中并联模块共用电压外环的主 从机式控制策略具有原理清晰,易于实现等优点,选定为本课题的均流控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 第二章 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了单相模块的双环控制环路。实验表明单相模块的功率因 数校正效果明显,输出电压稳定并且具备良好的动态性能。单相模块的稳定工作 是构建三相整流器的基础。 第三章提出了基于总线的三相功率均衡控制方案:公共电压外环控制 输出电压,各相独立的电流内环和锁相机制控制输入电流是想功率因数校正。建 立了公共电压外环的数学模型,在此基础上进行控制参数的设计,由于三相整流 器输出电压纹波比单相模块更低,可以提高公共电压环的带宽,所以由单相模块 构建的三相整流器在动态性能上优于单相模块。在单相模块软启动方案的基础 上,给出了的基于总线的三相整流器软启动控制方案。实验表明: 三相整流器的控制环路和软启动方案设计合理,三相输入电流的功率因数 校正效果明显,稳态均流误差极小,动态性能优于单相模块,且实现了动态均 流。 第四章对总线协议进行了软件设计。为了满足模块化要求,给出自动 确立主机的方案,三相模块通过竞争确定主机, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了通信的波特率对主 从机之间通信的影响,选取合适的波特率,保证了三相模块间的动态均流。 关键词:三相整流器,总线,并联,均流, 浙江大学硕士学位论文, , ? . ? . / . :, ? ? , ;, ;? ;, ..? ,, . ? .. ? .. : .‘ ? . ,? , ? ? , .. . ,浙江大学硕士学位论文 , .. , :? ,, ,? 浙江大学硕士学位论文 目录 目录 摘要??.??.... 目录??.??..?, 第章绪论。 .三相整流器综述. ..三相六开关整流器. ..三相单开关整流器. ..三相双开关整流器. ..三相三开关整流器. ..三相四开关整流器. ..单相组合的三相整流器?. .并联模块均流控制策略的回顾 ..无互联线的下垂控制?.. ..主动均流控制.本文选题意义与研究内容..本文选题意义?.. ..课题研究内容?.. 第章单相模块设计??。 .单相模块主电路分析? .主电路参数设计 ..输入电感选择?.. ..输出电容选择?一 . 控制回路设计??. ..整体控制策略?.. ..电流内环设计?.. ..电压外环设计?.. .单相模块实验? ..稳态运行波形?.. ..动态切换波形?.. .本章小结 第章基于单相模块的三相整流器的设计 .模块化三相整流器控制 ..模块化三相整流器概述.. ..三相整流器公共电压外环设计.. ..模块化三相整流器开机软启动方案?.. ..功率容量进一步提升的探讨。:? .三相整流器实验 ..稳态运行波形?.. 浙江大学硕士学位论文 目录 ..动态切换波形?.. .本章小结 第章总线协议软件设计? . 总线通信概述与软件设计??.. .. 总线通信特点??.. .. 总线通信的基本设置??.. ..主机确立流程. 总线波特率的选取??.. .本章小结 第章总结与展望. .本文工作总结? .未来工作展望? 附录.?. 附勇专?.. 参考文献。 攻读硕士学位期间的成果??.. 致谢??. 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 第章绪论 传统整流电路如二极管整流桥交流侧输入电流为非正弦波,功率因数低, 产生的电流谐波注入电网,对电网造成电力环境的污染,因此许多国家和组 织制 订了电能质量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,以限制用电设备的电流谐波注入量,如.?。因此, : 高功率因数 :和低谐波含量 成为接入电网电子设备的基本要求。解决这一问题的有效方法是采用功率因 数校 正技术 :,通过控制输入电流,使之形状为正弦波, 且与输入电压同相位,从而有效地降低用电设备对电网的谐波注入量。 小功率开关电源和不间断电源一般采用单相交流电作为输入,其中, 基于电路的单相技术已获得广泛应用。对于中大功率的用电设备, 通常采用三相交流电源作为输入,设备的前级变换器采用三相整流器。 .三相整流器综述 ..三相六开关整流器 传统的三相整流器拓扑是三相六开关整流器电路,如图.所 示,每相桥臂由上下两只开关管及其反并联二极管串联而成。工作原理是: 以 相为例,当输入电压口为正时,电流如为正,以方式工作,驱动封 锁,其反并二极管参与续流。导通时,输入电感电流如增加,电感厶充电; 关断时,输入电感电流屯经研反并二极管流向输出端,电流减小,电感厶放 电。同理输入电压口为负时,电流站反向,由研和的反并二极管控制输入电 流。其余两相的情况类似。 图.三相六开关整流器电科 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 常用的控制环路包括电压外环和电流内环,如图.所示,与单相控制 环路类似,三相桥臂具有相互独立的电流内环和锁相控制,实现功率因数校正, 所不同的是采用公共电压环控制输出电压。值得注意的是,由于输入相电压正负 半周需要选通的开关不同,所以需要检测输入相电压的符号,并经解码电路选通 相应的开关。 %幔阿 图.三相六开关整流器控制环路【】 三相六开关电路由于输入电流连续,具有电流谐波含量小,功率因数高的有 点。但使用的开关器件较多,控制环路复杂,成本高昂,而且单相桥臂两个串联 的开关管存在直通短路的隐患,对驱动电路的要求较高,开关管的寄生反并二极 管特性差,二极管反向恢复现象严重,】。 ..三相单开关整流器 针对三相六开关整流器电路开关器件较多的缺点,文献提出了三相 单开关整流器拓扑,其拓扑结构和控制电路如图.所示。 三相单开关整流器电路工作在状态,可以视作单相电流断续模 式在三相电路中的应用。在开关导通时,电感充电,且三相输入电 感上的电压是瞬态输入相电压;关断时,电感放电直至到输入电流下降至零。 由于每相电流峰值于输入相电压瞬时值,可以实现功率因数校正【。采用单 电压外环进行控制。 三相单开关电路具有开关器件少,控制简单,成本低,不存在直通隐患的优 点,而且由于工作在,二极管不存在反向恢复问题,不需要吸收电路, 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 开关管实现零电流开通,开关损耗小【。? ? 【 【 厶 % ,. 俐 ???,’?,、?一 % 厶 丑。: 。 ? 叫 滤波嚣 上 峪 ? ? ?【 ‘ 肌 皿 乜型.啦町 太 . 图.三相单开关整流器电路拓扑及控制环路【】 但模式下的输入电流较高,滤波器体积较大。可以采用谐 波注入【】,变开关频率临界导通模式‘和多个三相单开关整流器交错并联 ?】等方法来降低电流谐波含量,但会增加控制难度,提高系统成本,这与提 出三 相单开关整流器电路的初衷是相悖的,需要通过权衡进行取舍。 ..三相双开关整流器 三相单开关整流器由于只有一个开关,三相电感同时充电和放电;而 文献】中提出的三相双开关整流器电路可以将电压值最高的一相的电感 充放电时间和其余两相的电感充放电时间错开,通过这一增加的控制自由度 可以 加快电感放电速度,缩端放电时间从而减小电流谐波,该电路同样工作在 状态,如图.所示,但这一电路的开关器件增多和控制复杂度有所增加。 图.三相双开关整流器拓扑【 浙江火学硕士学位论文 第章绪论 ..三相三开关整流器 三相三开关整流器电路拓扑如图.所示,其中,,岛是双向开 关,其工作原理与三相六开关电路类似,都是开关管与二极管交替导通,由于 电 路对称性,三个开关管可以独立地控制三相电流【。该电路输入电流谐波含 量小, 不存在桥臂直通的危险,但由于采用的是双向开关,成本较高。‘ ? 】 【 】/。 ?鸯土点 ,. 如,: 名土点 %砸 ?篇‰ , 兰土厶 /一 前一‘飘 ? ? ? . , 图.三相三开关整流器电路拓扑‘ ..三相四开关整流器 在三相六开关整流器基础上改进得到的三相四开关整流器电路 在文献】中提出,如图.所示。 ‰器 ????? 图.三相四开关整流器拓扑嘲 在电压正半周通过研,,两进行控制,,,功,历具有续流作用,在负 半周通过第四桥臂和风进行控制。 与三相六开关整流器相比,任一桥臂由开关管和二极管构成,不存在 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 直通短路危险,且开关器件减少两个。但由于正负半周电流不对称,会引入偶 次 谐波。通过两模块并联的方法,如图.所示,可以使总的输入电流的正负半波 对称,从而消除偶次谐波。 图.三相四开关整流器电路并联【 ..单相组合的三相整流器 三相整流器也可以通过三个单相模块构建而成【,如图. 所示,输入为的型连接的三相交流电,由于是三个单相组合而成,存在零线 故采用三相四线制,三相模块在输出直流侧并联。 采用模块化思路设计三相整流器的优点有:.可以将成熟的单相技术 应用于三相整流器;.单相模块较简单,便于制造,也可以增加批量,降 低了成本,提升了可靠性;.利用模块化思路扩展功率容量可以缩短研发成本 及 周期,也便于维护;.单相模块可以使用低压器件就实现同样的功能,对成 本和变换效率可能具有一定的优势。 基于单相模块的三相整流器除了满足系统静态、动态的要求以外,还需要保 证各相模块的功率均衡。稳态工作时,如果三相模块功率失衡严重,某相模块 必 然承受更大的电流应力和热应力,从而影响其使用寿命,进而降低了整个三 相系 统的可靠性。动态过程中如负载突变如果不能实现均流,可能导致某相模块 保护甚至损坏,都会导致三相整流器的故障【】。 浙江大学硕上学位论文 第章绪论 图.单相模块构建的 整流器拓扑 .并联模块均流控制策略的回顾 常用的均流控制策略主要包括:无互联线的下垂控制【和有互联线的主 动均流控制。 ..无互联线的下垂控制 下垂均流控制策略的基础是并联系统各个模块负载曲线的下垂特性,即单个 模块的输出电压随着输出电流的增大而减小,结合图.,可得式. 。一弛。 其中,为下垂系数,此处假设并联系统各模块间的下垂系数相等。 如图.所示,由于各个模块端口电压%打不完全一致,导致了各模块电 流易打存在差异。而当下垂系数从局增大恐后,模块间电流差异,均流 效果得到改善。所以增大下垂系数是下垂控制的一种方案,比如在输出侧串联电 阻,其弊端是增大损耗,只适用于小功率场合【】,同时过大的下垂系数会使并 联系统输出电压%变化剧烈,影响输出电压控制精度。 无互联线的下垂控制策略结构简单,易于实现,模块化程度高。但由于不存 在反馈,实际上是一种开环的均流方法,所以均流效果不够理想,并且均流效果 与输出电压控制精度存在矛盾,设计者通常要在两者之间做出取舍【。浙江大学硕士学位论文 第章绪论 图.三模块并联系统负载下垂特性曲线【】 ..主动均流控制 主动均流控制可以视作为并联系统添加了一个均流控制环路,可以达到较好 的均流控制效果。 文献】按两个要素对主动均流控制进行分类,分类见图. 按均流环路参考值的产生方式分为平均值式与主从机式。 按均流环路产生的控制信号作用节点分为内环调制式,外环调制式和 外部控制器式。平均值式 主从机式 。一 均流环路参考值产生方式 图.主动式均流控制策略分划浙江大学硕士学位论文 第章绪论 平均值式和主从机式:参考值分别来源于各模块电流的平均值和主机电流。 由平均值作参考值可以滤除部分低频噪声,使参考值相对稳定,不易突变,但容 错性差,互联线上任意一个模块发生故障,都会导致参考值错误。图.给出 了控制框图,每一个模块公共互联线上的公共参考值,通过控制环路跟踪该参考 值,从而实现各个模块电流均衡,此时公共互联线上的公共参考值来源于各个模 块电流的的平均值【引。 图. 平均值式均流策略控制框图【叫 为了提高容错性,采用主从机式策略,即采用主机电流为参考值,只要发生 : 故障的不是主机,就可以继续工作。但是这种专用主机策略 当主机发生故障仍然会导致并联系统崩溃【】,进一步地,文献引入轮换主机 策略 :,每个模块交替地成为主机,容错性进一步提高,但 这一策略比较复杂,且频繁切换主机会带来输出电压的波动。自由竞争主机方式 :整合了上述两种策略,通过竞争方式产生主机,造成主机 的轮换,而一旦产生主机后会变得相对稳定,不会频繁切换,是一种应用广泛 的 控制策略,已经在芯片上实现商业化【。图.给出了控制框图,此 处竞争主机的方式是输出电流最大的模块成为主机,其他模块二极管截止,成为 从机,并以主机电流作为参考值‘‘。 图.自动竞争主从机式均流策略控制框浙江大学硕士学位论文 第章绪论 内环调制式:均流环路输出只作用于电流内环,所有并联模块共用公共电压 外环,各模块电流内环独立运行,但来自电压外环的电流参考值相同。控制框图 如图.。 图.内环调制式均流策略控制框图【】 采用公共电压环,输出电压控制精度高,各模块电流内环参考值相同,理论 上已经可以实现均流,再加上均流环进行调节可以提高均流精度。缺点是每个模 块不能独立工作,降低了模块化程度。同时容错率有限,如果公共电压环出现问 题,整个并联系统都不能工作【】。 外环调制式:各并联模块具有独立的双环控制结构,均流环输出作用于电压 外环,改变电压参考值实现均流,控制框图如图.所示。 各模块的控制结构相同保证了良好的模块特性,易于生产上的标准化;容量 扩展和维护十分方便;容错率提高,因为每一个模块均具有完整的双环控制结构, 理论上可以独立工作。但由于是多个电压源并联,极小的电压差异也可能产生较 大的电流,即使均流环路可以发挥调节作用,但稳定性的问题仍然值得商榷。科 萄弋 捷 刊均流环 橐?。 删 圆 ,: 蕊面?卜 图.外环调制式均流策略控制框图】 外部控制器式:采用控制器采集并处理多路信号,如芯片,通过数字控 制可以方便地实现各种算法,实现上位机监测等。但增加硬件开销,提高了成本浙江火学硕士学位论文 第章绪论 和系统复杂度;单个模块不能独立工作,模块化程度有限,再者,并联系统的工 作状态取决于控制器这个核心,系统的稳定性一定程度上依赖于控制器的稳定性 综上可知,外环调制式均流策略存在稳定性问题:外部控制器式均流策略添 加额外的硬件,增大了系统复杂度;而内环调制式通过共用电流内环参考值的方 式实现均流,原理明晰,易于实现,而且由于模块内环是平均电流控制, 即使去掉均流环路也可以取得理想的均流效果。虽然公共电压环的存在导致模块 化程度有限,但是本课题中三相整流器的三个单相模块始终作为一个整体 同时工作,不要求单相或者两相模块运行,所以十分适用于本课题的三相整流器 的均流控制。 .本文选题意义与研究内容 ..本文选题意义 随着开关电源应用的日渐广泛,电源系统的功率容量不断提高,中大功率的 用电设备通常采用三相整流器作为前级变换器,另一方面,用电设备在工 作时会向电网注入电流谐波,造成电力环境的污染,而大功率设备对电网的影响 更为明显,有必要功率因数校正技术降低电流谐波含量,但是与三相 技术相比,单相技术更为成熟。有鉴于此,本文中作者通过三个单相 模块并联来构建三相整流器具有如下的优势。 首先,这种模块化的思路可以方便快捷地扩展功率容量,缩短研发成本及周 期,也便于维护;单相模块结构简单,可靠性高,而且易于规模化生产从而降低 制造成本。 接着,在三相整流器上应用成熟的单相技术,实现中大功率用 电设备的功率因数校正。 最后,单相模块可以使用低压功率器件实现同样的功能,对成本和变换效率 可能具有一定的优势。 所以,基于单相模块构建的三相整流器十分适合作为中大功率用电设 备的功率前级,具备较高的研究价值和广阔的应用前景。浙江大学硕士学位论文 第章绪论 ..课题研究内容 本文第一章综述并对比了三相整流器的常见拓扑,其中基于单相 模块的三相整流器具备较高的研究价值和广阔的应用前景。该课题的主要 技术难点在于实现静态和动态过程中的三相模块均流,所以继续回顾并对比了多 种并联模块均流控制策略,需要确定合适的均流控制策略作为本课题的均流控制 方案。 第二章首先阐述了单相模块双电路的主电路工作原理和关键参 数的设计,着重介绍了单相模块所采用的双环控制环路的设计,以确保单相模块 的稳定工作,包括稳态指标和动态性能。第二章的研究内容是构建构成三相 整流器的基础 第三章系统介绍了由单相模块构建三相整流器的均流控制策略 一共用电压外环的主从机策略,主从机通过总线通信,并对该系统进行小 信号建模,得到了三相整流器公共电压外环的控制模型,并设计了公共电压环的 参数,由于三相整流器输出电压纹波比单相模块更低,故可以提高电压外环 的带宽,所以由单相模块构建的三相整流器在动态性能上优于单相模块,需要实 验验证控制参数的设计,除了满足三相整流器的常规静态指标和动态性能以外, 还需要实现模块间的静态与动态均流。基于型电路的三相整流器需 要软启动为母线电容预充电,需要给出三相整流器软启动方案。 第四章详细介绍了总线协议的软件设计。首先说明了选取总线 作为模块间通信协议的原因。再者,为了满足模块化要求,需要给出自动确立主 机的方案,三相模块通过竞争确定主机。分析通信的波特率大小主从机之 间通信的影响,通过选取合适的波特率以保证在瞬态过程中三相模块间的均流。 最后一章总结之前的研究内容与结果。浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 第章单相模块设计 .单相模块主电路分析 单相模块拓扑如图.示。主电路采用双结构,正电路 为正母线供电,负电路为负母线供电。正半周晶闸管凡导通,正 电路工作,负电路驱动封锁不工作。负半周晶闸管互导通,负电路 工作,正电路驱动封锁不工作。正负电路各自在正负工频周期交替 工作,相互独立。关键波形如图.所示。 ‘厂’\ 矿飞 . 埘。 \?/ 麒隔 ; : ;; 『 。 洲四 。 ,一附 删 。 一 一,/一??、 ,口雌 ?审??, 九。 ; 『 . 甬 ’ 四觚 ?/~ ??????~ 图.:单相模块双拓扑 关键波形 工作条件如下: ?额定输入电压:/ ?额定电网频率: ?额定功率: ?输出母线电压:%瓣. ?器件开关频率:.浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 .主电路参数设计 ..输入电感选择 电感结构如图.所示。 图. 电感结构图 磁芯为环形,无气隙,材料为铁粉芯,规格是美国微晶公司.,磁芯 相关参数如表.: 表.电感磁芯相关参数 磁芯外径 磁芯内经 叠厚 磁路长度 等效截面积 磁芯体积 线圈匝数 相对磁导率厶 . . . . .由安培环路定律,得: 取 ? 有法拉第电磁感应定律的积分形式,得: 三埋 绝对磁导率的定义为: ? 以/./日 其中,?为匝数,。为磁芯截面积,厶为磁路长度,屯为电感电流,‖为绝 对磁导率,‖。不一/为真空磁导率,为磁场强度,为磁感应强度。 由式...,可得下式: 上肛/? 根据表.中数据可得:/.浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 随着电流屯增大,磁场强度日增大,相对磁导率肼减弱【,相应曲线如图 ,电感值有所下降。 图.微晶公司磁芯磁导率变化曲线 电感电流峰值屯,麟如下,尸为额定功率,%为额定输入电压有效值 。字娟剐 将此电流峰值代入式.,得磁场强度,在图.中查找可得, 一型号磁芯在此磁场强度内相对磁导率肼下降为初值的%,此时,.。 则磁芯未饱和,可以正常工作,不过电感值有所下降,由式.可得,此时 距? 因此在额定工况时,电流纹波如下: 、 。 。一““ 三 三 圪,。 肾孚饵孚‘%箸,地川眦一缸口, 可知额定工况时,纹波小于%,电感设计合理。 电感绕线相关数据如表.所示,最大电流.小于最大允许电流。 表.电感绕线相关参数 线圈线径 导线面积 线圈股数 允许电流 . .浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 ..输出电容选择 输出电容值由输出电压纹波决定。 以正电路为例,由于在电压负半周正电路不工作,则需要依靠 正输出母线电容在负半周放电以维持正母线电压,则电压纹波彳%时 满足: ? 三××%吣一互×口×%璐墨×?万 其中,为正电路输出功率,此处为额定功率的一半,即, 为工频取彳%%,代入上式得: 岛寺 ‖ ?瓦?而 对负输出母线电容.情况相同,保留一定余量,取.。 故,设计得到的主电路关键参数如下: ?输入滤波电感,磁芯材料为铁粉芯 ?输出滤波电容..,直流耐压值 . 控制回路设计 ..整体控制策略 单相模块采用双环控制策略,外部电压环控制输出电压,内部电流环 控制输入电流的幅值和形状,实现功率因数校正功能,控制架构如图.。由于 正负电路交替工作,相互独立,则对应地存在相互独立且对称的正负双环。 以相模块正环路为例,正电压外环将正输出电压采样信号与参考值 做差得到误差信号,再经过环节将误差信号放大后得到电压环输出一 电流幅值参考值彳。通过检测输入电压%的过零点并结合查正弦表可以得到 相位信号砌细州,乘法器将幅值参考值与相位信号相乘,得到呈正弦变化的 电流基准信号锄爿,作为电流内环参考值。电流内环将输入电流采样信号与 电 流基准锄』做差得到误差信号,再经过电流环环节放大误差信号,最后送入 浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 调制器与三角波进行比较得到控制信号%,在该信号的控 制下,输入电流西跟踪与输入相电网电压%,形状为正弦波,从而实现功率 因数校正。 图.单相模块控制架构 ..电流内环设计 考虑相模块的正电流内环,如图.中相正电流内环方框所示,该环 路主要包括:电流采样传递函数局例,环节传递函数,调制器 传递函数,以及功率级传递函数,表示正电路输入电流西 对占空比的传递函数。将这一环路等效地表示如图.,就得单相 模块电流内环的控制框图。 ? ??一竺竺厂??竺型竺 竺兰厂一 . 【,厶、 图.单相模块电流内环控制框图 其中各项的传递函数如下, 电流采样传递函数: 浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 其中,电流采样系数辟. 电流内环环节 ? ?。吣: 堕 一 一 调制器 ? 删:丁 其中为三角波最大值。 参考文献【,功率级传递函数:电路输入电流对占空比传递函数谢例 如式。,详细推导过程请见附录 均 。 删.琢熹等岛 姒瓦百意等瓮瓦万 其中,其中, .,,一彳分别为 相模块中正电路稳态时的输出正母线电压、负载电阻、占空比、输入电感 及输出电容,且’『一。 满足: 、 :掣 % ?为相额定输入电压口的峰值,为,代入上式得到稳态时.。 未经补偿的电流内环回路增益为: . 一 一小瓯附冯%砸?乏专是等南瓦 ?一屹爿。』吒一 ‘‖ 根据文献,】,通常补偿后的回路增益传递函数需要满足以下要求:穿越 幅频线时,对应相位应大于.,即保证闭环系统的稳定性;在低频段增 益大,以保证系统对静态精度的要求;在高频段增益较小,以使系统具有良好 的 抑制噪声的能力,尤其是开关次的谐波噪声;通常保留度的相位裕度比较合 适,确保系统同时具有较好的动态性能和静态性能。为了保证对开关纹波有 足够 的抑制能力,穿越频率选择低于开关频率的五分之一。 代入前述数据,在输入电压为额定值,输出为额定负载情况下的补偿前回路 增益传递函数的波特图如图.。未加补偿的电流内环穿越频率为,相位 裕度度,虽然是稳定的闭环系统,但过低的低频段增益和穿越频率不能满足 电路静动态性能的要求,需要加入补偿网络改善控制性能。浙江大学硕士学 位论文 第章单相模块设计 由于开关频率。.,电流环穿越频率取其十分之一左右以便抑制开关 纹波,设计目标为穿越频率.,补偿前为,需要通过环节提高。 另外,零点的确定会影响相位裕度,补偿前相位裕度较大,为度,可以适当 提高零点频率以取得合适的相位裕度,此处取零点为。 又,加入环节补偿后的电流内环回路增益如下: ? %一加一小砟一,争脲斛舍等音譬鲁万瓦 可得如下方程组: , ???二 ;万, 卜‰丽若嚣耵纠胁小??‘’ 相应数据己在前文列出,求解式?,可得厨,,.。 由图.中的补偿后回路增益波特图知,电流环穿越频率为.,相位 裕度度,满足设计要求。 补偿前 二,.. 一? 《偿后 :? .。‘? 妻网络 乏 ? ? ????????? ???。 / 滚 ..??‘。 补偿亩。‘~ ????????? ?. /磊 后 ? 一 ? 幅频曲线 相狃曲线 图.单相模块电流内环回路增益波特图 电流内环补偿后输入电流如对电流基准锄的闭环传递函数如式, 其波特图如图.所示。浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 ‘ . 』. 一 ? \. 一『 ‘ ? . 幅额曲线 相颓曲线 图.单相模块电流内环闭环传递函数波特图 四 ?端毒 因为本系统采用数字控制,需要将以上环节离散化,参考文献,利用冲击 响应不变法可以得到数字控制器,则数字控制器差分方程如下: 一七口一 ? 式中: 缉不蜀 ,一。 式??中各符号意义如下: 甜例:调节器第次输出值。:调节器第次输出值。 四:第次采样时,给定量与反馈量的差值。 :第.次采样时,给定量与反馈量的差值 :调节器的采样周期。 本系统电流内环每开关周期运算一次,则殆等于开关周期,琊和局分别对 应环节的比例系数和积分系数。程序中电流内环参数小数点定在第位 。故本系统电流内环相关参数满足下式: 口』群,局』×?×”. 一 一 一 , ? ,一砗,×一. 电流内环调节器的数字差分方程为: .×七一.×? . ..电压外环设计 考虑相模块的正电压外环,如图.中相正电压外环所示,该环路主 浙江大学硕上学位论文 第章单相模块设计 要包括:电压采样传递函数,环节传递函数,乘法器,电流内环 闭环传递函数,妇俐,表示正电路输入电流对正弦电流基准锄的 传递函数,功率级传递函数岛俐,表示正电路输出正母线电压%噼对输 入电流西的传递函数。将这一环路等效地表示如图.,就得到了单相模 块电压外环的控制框图。 图.单相模块电压外环控制框图 其中各项的传递函数如: 电压采样传递函数: 凰,/ 其中,电压采样系数协. 电压内环环节 . %矿:峰矿竺坐 为了方便分析,以将图.中方框中部分视作一个整体,得到正电路 输出正母线电压对正弦电流基准如厂彳的传递函数【】,详细推导过程请见 附录。 其中由于电流内环带宽远大于电压外环,则可以认为闭环电流内环传递函数 研。妇例在低频段是常量,其值为,。。 一妇瓦 , 呲,基警苏 未经补偿的电压外环回路增益如下: ?啪刖警去以.浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 相关数据己在前面给出,代入前述数据,电压外环的补偿前的回路增益传递 函数的波特图如图.。可见,穿越频率为,相位裕度度,虽然闭环系统 稳定,但需要提高低频段增益和穿越频率。另一方面,由于正电路在负半 周不工作,电容电压下降,存在的工频电压纹波,电压外环穿越频率应小 于此纹波频率以抑制该纹波的影响。则电压外环穿越频率取,零点位置为 ,以取得合适的相位裕度。 补偿后的电压外环回路增益如下: ?~一加剐蝴一%竽警去巩 即可得如下方程组: 』生: 卜等,警番备叱抓,。’ . 求解式.,可得矿, 由图.中的补偿后回路增益波特图知,电压外环穿越频率为,相位 裕度度,满足设计要求。 网络 补害 卜偿网络 ‘?? 多偿后 补偿前 ?一? ,?一?。 \~; 。。。... ?一.一。 。\.. ? ??????????? ...二。.,.... ???????‘‘‘ 。’。。?::?.::. 补偿前 ?\. \ 一 补偿后 幅频曲线 图.单相模块电压外环回路增益波特图 再将电压外环调节器离散化。本系统电压每个开关周期运算一次,则 殆等于倍的开关周期。 瓦 又程序中电压外环参数小数点定在第位。根据式?,本系浙江大学硕士学位论 文 第章单相模块设计 统电压外环相关参数满足下式: :“ 矿 砗一 尸一 ,一 ? 一 以 汪工乇 一工矗 × 矿 ? ,呻 一 电压外环调节器的数字差分方程为: “尼.尼一. 一 . .单相模块实验 根据以上设计,在一台单相模块上进行了实验,系统原理图如图.。 图.单相模块实验原理图 输入直接连接电网,为单相交流电,负载为电阻丝,实验参数见表.。 表.单相模块实验参数 ~浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 ..稳态运行波形 ~ ~ .一 ,,。’ 一 输出正《压%脚 ?一妒/连?一一 :? : ?’;;熊’萝叶?? .‘ : :; ? 泗《 ?~ 尹 ‘一、‖ 幽 潮 :弋??卜 卜..; ?‘? \扶 \ \ ; . 姆 ?熬: ;。‘』 ‘埘输入电流鲥 嘟输入电压‖’ / / 图. 单相模块稳态波形,.,,’.,%晒一 图.为%负载稳态波形。其中,输入电流岛近似为正弦波,且与输入 单相市电加相位一致,实现了功率因数校正,由于功率较小,谐波含量仍然偏 大。输出正母线和负母线均存在电压纹波,纹波频率,纹波峰峰值为。 图.单相模块稳态波形。,.,%塔. 图.为%负载稳态波形。由于功率增大,输入电流葫形状上更加接近 正弦波,谐波含量降低,并与输入单相市电相位一致,功率因数校正的效果 明显。输出正母线和输出负母线的纹波峰峰值提高为。第章单相模块设计 浙江大学硕士学位论文 图.单相模块稳态波形..,,%脬 图.为额定负载时稳态波形。此时输入电流‰形状上最为接近正弦波, 达到最小,并与输入单相市电加相位一致。输出正母线和输出负母线的纹 波峰峰值提高为,以输出正母线电压为例,在正半周正电路工 作,正输出电容,充电,正母线电压%晒上升,而在负半周正电路驱动 封锁,这时电容,放电,为负载供电,正母线电压/下降,故输出正母线 电压纹波频率为。 各个功率等级下的输入电流如图.所示,满载时为.%,此处 表示从到次谐波的含量,可见,额定工况时,输入电流小于%,并 且和输入相电压相位一致,较好地实现了功率因数校正功能。 图.不同功率等级下的谐波含量 额定工况时各次谐波含量如图.所示,可见,,,,次等奇次谐波对输 入电流谐波含量的影响最大。 浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 图. 额定工况输入电流谐波测量结果 ..动态切换波形 动态切换是指负载突然增加的情况。 %负载切换到%负载的波形如图.所示,动态过程中,由于瞬态输 入电流小,瞬态输入功率不足以为突然增加的负载供电,需要正负输出电容放电, 则输出正电压%吣和输出负电压%骆出现动态跌落,经电压外环反馈后,输入 电流迅速增加以维持输出正负母线电压的稳定。该过程中,电压动态跌落测得为 ,占母线电压的.%,调整时间为。可见,单相模块可以快速 响应负载变化,具备良好的负载调整率,动态指标符合要求。 图.单相模块动态波形:%到%负载 .本章小结 本章首先分析了单相模块双电路的主电路工作原理,在此基础上, 分别从输入电流纹波和输出电压纹波的角度设计了输入电感和输出电容。 浙江大学硕士学位论文 第章单相模块设计 接着介绍了单相模块采用的双环控制策略:外部电压环控制输出直流 电压,内部电流环控制输入电流的幅值和形状,实现功率因数校正功能。通过小 信号建模得到电流内环功率级传递函数,由控制框图建立了电流内环补偿前的回 路增益,通过环节参数设计,提高了低频段增益和穿越频率,改善了电流内 环的静态与动态性能,由于采用数字控制,再将参数离散化。同样的步骤应 用于电压外环完成电压外环的环节设计。 单相模块的稳态实验表明:输入电流近似正弦波,且与输入相电压相 位一致,额定工况时为.%,全功率范围内实现了功率因数校正和输出电 压稳定。动态实验表明单相模块具备良好的负载调整率。 单相模块的稳定工作为后续构建三相整流器奠定了坚实的基础。浙江大学硕 士学位论文 第章基于单相模块的三相整流器的设计 第章基于单相模块的三相整流器的设计 .模块化三相整流器控制 ..模块化三相整流器概述 图.基于单相模块的 整流器的设计,模块为主机 浙江大学硕士学位论文 第章基于单相模块的三相整流器的设计 图.给出了基于单相模块的三相整流器的拓扑与控制架构。 三相整流器输入采用三相四线制,输出为直流正负母线。 每个单相模块具有独立正负电流控制内环和锁相控制,但单相模 块输入相电流幅值参考值,来源于公共电压外环,由于各模块的参考值 相同,理论上可以实现模块间均流,即使有微小差异也不会对并联系统造成 较大 的影响。在从机接收信号时需要经由限幅环节滤波,防止通信错误导致单相 模块 故障。值得注意的是公共电压环需要一直工作,如正公共电压外环在主机输 入电 压为负半周时也要工作,因为各个模块间相位存在差异,主机处于负半周时, 可 能从机处于正半周期,仍然需要正公共电压外环提供电流幅值参考值一。 实际运行时公共电压外环在其中一个单相模块计算,该单相模块 称为主模块,并通过通信将关键参数发送给从模块,主从模块 间间延时为瓦。 ..三相整流器公共电压外环设计 三相整流器中每个单相模块的电流内环的设计与单相模块单独工作时相同, 只需要关心并联系统公共电压外环的设计即可。 在此以公共正电压外环为例进行分析,并假设三相输入市电对称,如图. 中公共正电压外环所示,该环路主要包括:电压采样传递函数,环节传 递函数昭俐,乘法器,电流内环闭环传递函数国,功率级传递函数 ,,了俐表示输出正母线电压对输入电流,,的传递函数,这是一 个三输入,一输出的复杂系统。与之前设计单相模块电压环类似,为了便于分 析 和环路设计,将图.方框中部分视作一个整体,得到输出正母线电压对 正公共电流幅值参考值的传递函数 例。将以上环路等效地表示如图 .,就得到了三相整流器公共正电压外环的控制框图,其中相模块为 主机,,相模块为从机,主从机之间存在延时瓦,用延时环节,纪予以表示。 其中各项的传递函数如下: 电压采样传递函数: ? 其中,电压采样系数协. 电压内环环节 矿矿型 一 一 删:矿垃浙江大学硕士学位论文 第章基于单相模块的三相整流器的设计 下面推导传递函数.,俐。 图.三相整流器公共正电压外环控制框图 由功率守恒,有: 乙‘“% . 由于电流内环带宽远大于电压外环,则可以认为闭环电流内环传递函数 在低频段是常量,其值为,妇。 素 则在时域,三相电压与电流满足下列方程组: %% %。 戤 。 岛戤一乏,一妇 一乏。一妇 由于主从模块延时瓦的作用,,相从模块在时刻的接收到的公共电流幅 值参考值,是相主模块在卜疋的值,如果电压环的带宽足够小,而同时 主从模块延时疋较短,则在疋内,电压环变化很小,则可以近似得到下式: 。?‘越一乏 实际上本系统中主从模块延时最多为,对应的通信带宽而电压环带宽 在左右,调整时间约为,以上假设成立。 联立式..,得到: 浙江人学硕士学位论文 第章基于单相模块的三相整流器的设计 %,一妇】‘一 ,一%,一妇。%,一妇:。. %,屯 由于三相对称,即:%%%,代入上式,化简得: 一妇,%吣, 将式?线性化: ,一妇%。乞锻%站潞.艺 得到大信号模型: ? %%警 以及小信号模型: . 警。一警。孥 交流小信号等效模型如图.所示。 .翔 二鼢 一足工一 一 图. 交流小信号等效模型 其中,相对于单相模块,三相整流器在输出端并联,即输出电容 和负载并联,满足下式,因为三相对称, 一和毗彳分别代表单相模块 的输出电容和负载: ;爿,吃: 一 由此可以得到电流幅值参考值到输出直流电压的传递函数 . ’“ ‘‘ 一’一 %一,?挚每警瓦鬲 ’戤 将式?代入式?,可得: