现代电力电子技术课程设计

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
(3.6) 将小时间常数、合并,得到简化后的电流内环结构图,如图3.7所 示。
图3.7 无扰动时的电流内环简化结构图 表3.1 典型I型系统动态指标
阻尼比 超调量 上升时间 相角裕度 截止频率
本设计采用的是典型I型系统设计电流调节器,主要是为了使电 流内环具有较好的电流跟随性能,典型I型系统动态指标如表3.1所示。 从图3.6可以看出,只需以PI调节器零点抵消电流控制对象传递函数的 极点即可,即。通过校正,可以得到电流内环的开环传递函数为:
(二)设计要求
(1)、确定主电路设计方案,完成主电路参数计算,并确定主电
路元器件选型;
(2)、完成控制电路设计并确定相关元器件选型;
(3)、研究确定该电源电路的有效控制方法,要求提供控制策略
的原理框图、控制参数的确定及相关模型的建立等;
(4)、提供控制软件的设计流程并说明其基本原理;
(5)、总结。
1.2 总体方案论证与设计
(2.6) 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:
(2.7) wenku.baidu.com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 1mH/270A。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。
图3.1 控制电路的主框图
3.2 检测电路的设计
(1)直流侧电压的检测 本设计采用电压传感器来检测直流侧电压。由于霍尔电压传感器具 有精度高、过载能力强、动态性能好等特点,所以选择北京森社电子有 限公司生产的CHV-50P/800霍尔电压传感器。直流侧电压经过霍尔传感 器输入单片机89C52。由于89C52的输入电压最高为5V,所以可以求得采 样电阻
图3.5 电流环结构框图 由于两电流内环的对称性,因而以电流控制为例讨论电流调节器的 设计。考虑到电流内环信号采样的延迟和PWM控制器的小惯性特性,所 以已解耦的电流内环结构如图3.6所示。
图3.6 电流环结构 在图3.6中,为电流内环电流采样周期(即PWM开关周期),为桥路 PWM等效增益。
为简化分析,忽略的扰动,且将PI调节器传递函数写成零极点形 式,为:
2.4 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。
普通晶闸管(Thyristor),又称可控硅整流器(Silicon
Controlled
Rectifier,SCR)和绝缘栅双极晶体管(Insulated
Gate
Bipolar
Transistor,IGBT)、集成门极换电流晶闸管(Integrated
Gate
Commutated Thyristors,IGCT)。IGBT是目前比较常用可控的整流器
(3.7) 由典型I系统参数整定关系可知,当系统阻尼比时,有
(3.8) 通过求解可得:
(3.9) (3.10) 式中,表示电流内环比例调节增益;表示电流内环积分调节增益; 表示桥路PWM等效增益;R表示整流电路负载电阻值;表示电流内环采样 周期(即亦为PWM整流器的开关周期);; 根据设计要求,可以得到:1)载波频率(开关频率)10KHZ,则; 2)负载电阻 3) 4)电流超调小于5%; 5)取 根据设计要求,并保证稳态电流无差。求解得: (3.11) (3.12)
故障情况下安全可靠地工作,必须设计多种保护电路,本次设计中,为 了增强电源的可靠性,也设计了过压保护、过流保护、短路保护等保护 电路。
整个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。
(3.1) 本设计的直流电压采样电路如图3.2所示。
图3.2 直流电压采样电路 (2)交流侧过电流的检测
本设计主要通过电压型电流互感器来完成过电流的检测。先将三相 输出交流电流转换为三相交流电压,然后与基准值进行比较。
检测原理图如图3.3所示。以a相为例,具体过程为:电压型电流互 感器将a相的交流电流以交流电压的形式输入检测电路。通过芯片AD637 可以将交流电压转化为有效值进行输出。输出有效值电压经过A/D转换 器后,送入单片机89C52,与设定的基准值进行比较。当输出电流超过 一定值时,单片机89C52控制SA8281终止SPWM波的输出。
3.5 电压PI调节器的设计
为了稳定三相VSR直流侧电压,所以需要电压调节器。本设计中采 用典型II系统来设计电压外环。典型II系统的动态抗扰性能指标与参数 的关系如表3.2所示。
表4.2 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
h
3
4
5
6
7
8
9
10
72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8%
三、控制电路设计及元器件选型
3.1 本设计采用的控制方式
本设计的控制电路如图3.1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, 而且硬件电路也大大简化,灵活性强、智能性强,同时生成的SPWM波 形精度高,速度快,整流装置的可靠性大幅提高。
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110kW。 用表示输入功率,表示每相输入电流的有效值,则有:
图3.3 过电流检测电路
3.3 调制比m的确定
三相VSR交流侧的最大电流的值为: (3.2)
式中:为直流侧电流最大值; 为输出功率,在本设计中; 为输出电压的最小值,在本设计中。
三相VSR交流侧感抗的值为 (3.3)
考虑到三相交流侧线电压最小时的情况,此时电感与电流的相位 相差。则:
(3.4) 则调制比m为
本次设计的是一个输入为交流电的可调直流电源,因此从本质上来
说是要设计一个整流电路。在所有电能基本转换中,整流是最早出现的
一种,自20世纪20年代迄今已经历以下几种类型:旋转式变流机组、静
止式离子整流器和静止式半导体整流器。旋转式变流机组和静止式离子
整流器目前已经被半导体整流器取代。目前常用的半导体整流器主要有
图1.1 可调直流稳压电源总体方案框图
二、主电路设计及元器件选型
2.1 主电路的拓扑结构选择
主电路采用三相电压型半桥式整流电路,其拓扑结构如图2.1所 示。
图2.1 三相电压型PWM整流器的拓扑结构
2.2 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
(3.5) 式中:为直流侧的电压值。 所以本设计中取调制比m为0.7。
3.4 电流PI调节器的设计
为了满足获得较快的电流跟随性能,所以本设计按典型I系统来设
计电流内环。 三相VSR电流内环经前馈控制算法后实现解耦控制,如图3.4所示。
图3.4 三相VSR电流内环解耦控制结构 由电流内环解耦控制结构图,可以得到电流环的框图,如图3.5所 示。
2.45
2.70
2.85
3.00
3.15
3.25
3.30
3.40
13.60 10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85
图3.4表示三相VSR的电流内环解耦控制结构。对于双闭环控制系 统而言,电压外环的输出电流指令对电流内环进行控制。所以可以三相 VSR双闭环控制结构,如图3.8所示。
(2.1) 三相输入市电取有效值为220V,则每相输入电流有效值:
(2.2) 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:
(2.3) 选取网侧电流峰值的设计值为260A,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520A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:
(2.4) 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。
2.3 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。
(2.5) 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)。 设计一个输出额定功率可达到110kW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。可以得到关于 交流侧电感的上限值:
件,因此本次设计选用IGBT作为整流器件。
脉冲整流器是一种以脉冲宽度控制方式(PWM)工作的变流器,
又称为四象限变流器,与相控整流器相比具有功率因数高、谐波含量
低、体积小、动态响应速度快等优点,因此本次设计中采用PWM整流
方式。
评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在
电气技术指标满足正常使用要求的条件下,为使电源在恶劣环境及突发
现代电力电子技术
课程设计
目录
一、可调直流稳压电源总体方案设计
1.1 设计任务与要求 1.2 总体方案论证与设计
二、主电路设计及元器件选型
2.1 主电路的拓扑结构选择 2.2 IGBT管的选型 2.3 交流侧电感设计 2.4 直流侧电容设计
三、控制电路设计及元器件选型
3.1 本设计采用的控制方式 3.2 检测电路的设计 3.3 调制比m的确定 3.4 电流PI调节器的设计 3.5 电压PI调节器的设计 3.6 保护电路设计
四、驱动电路设计
4.1 驱动芯片选型 4.2 驱动电路的设计
五、控制软件流程
六、设计总结
一、可调直流稳压电源总体方案设计
1.1 设计任务与要求
(一)设计目标
设计一个可调直流稳压电源。基本技术参数为:
输入电压:三相380V AC;
输出电压:0~550V DC连续可调;
最大输出电流:DC 200A;
输出电压纹波因数:<1.0%。
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: (2.8)
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:
(2.9) 则直流电压最大动态降落相对值为:
(2.10) 3)可得:。取。 由上面3个条件可以得到关于直流侧电容的不等式:
(2.11) 综上所述,应选择容量为0.042F,额定工作电压为550V的电容。
图3.8 三相VSR双闭环解耦控制结构 由三相VSR双闭环解耦控制结构图可以得到其结构框图,如图3.9所 示。
图3.9 三相VSR电压环传递函数结构框图 对该控制系统做如下近似: 1) 电压采样延迟时间为; 2) 直流侧电流近似等于网侧电流峰值,即一时变环节为:。m为PWM调 制比,为开关函数基波初始相位角。其中调制比m=0.7。 3) 由电容的电容特性,直流侧电容环节用表示; 4) 为便于设计,此处将电流内环传递函数等效为时间常数的惯性环 节; 综上所述可以得到三相VSR电压环传递函数结构图,如图3.10所
相关文档
最新文档