高压三相PWM逆变电源研究硕士论文图文精文档格式.docx
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ZhangYong
Major:
PowerElectronicsandElectricDriveSupervisor:
Prof.KangYong
HuazhongUniversityofScienceandTechnology
Wuhan,HubeiP.R.China430074
April,2006
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除文中已标明引用的内容外,本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:
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保密□,在______年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。
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指导教师签名:
年月日年月日
摘要
近年来,半导体器件制造工艺迅速发展,全控器件耐压等级不断提高,逆变器功率得以越做越大,在逆变器容量相同的情况下,直流输入电压越高,输入电流就越小,整机的体积和重量就越小,因此,在对电源有体积和重量有特别要求的船舶供电系统中,高压逆变电源有良好的应用前景。
本文以实际项目为依托,主要做了以下工作:
数学模型的建立是分析一切控制系统的基础。
本文导出了三相逆变器在ABC坐标系和dq旋转坐标系下的数学模型;
分析了系统由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系后的特点;
介绍了空间矢量(svpwm调制方法及其数字化实现;
分析了在dq坐标系下电压电流交叉耦合的影响,简化了控制系统的模型;
建立了基于matlab的精确仿真模型与平均状态模型。
为了获得高质量输出电压,发展了多种多样的波形控制技术。
本文详细分析了基于旋转坐标系的瞬时值反馈和重复控制技术;
分析了PI参数变化对瞬时值反馈特性的影响;
给出了系统稳定的控制器参数范围;
详细介绍了重复控制器的原理和特性;
给出了设计实例;
进行了仿真分析并验证了设计方案。
高压大功率逆变电源由于直流输入电压等级高,输出功率大,因而在主电路和控制电路的设计过程中需要注意一系列问题,如驱动电路设计、高低压隔离、抗冲击保护、软件抗偏磁,本文对上这些问题逐一进行了分析。
根据逆变电源的特点设计了控制电路,介绍了主要控制模块、控制芯片及硬件电路实现;
给出控制系统DSP程序运行流程;
计算主电路元器件参数;
建立了实验台架,验证了理论分析的正确性。
关键词:
三相逆变电源数字控制空间矢量SVPWM瞬时值反馈控制
重复控制
Abstract
Inrecentyears,withthefastdevelopofsemiconductortechnology,thecapacityofPWMinverterisbecomehigherandhigher.Underconditionofthesamecapacity,themoreinputDCvoltageis,thelowertheinputcurrentwillbe.Soinpowersupplysystemofwatercraft,thehighvoltagePWMinverterswillbewildlyused。
Thisdissertationbaseonpracticalprojectandhasdonethefollowingwork:
Thisdissertationdeductthemathematicmodulesofthree-phasePWMinverterunderABCthreephasestatorcoordinate,two-phasestatorcoordinateanddqtwo-phaserotatingcoordinate,analyzingthecharacteristicunderdqtwo-phaserotatingcoordinate.ItalsointroducethemodulationmethodofSpaceVectorPWM,analysisingtheeffectsofcouplingindqcoordinate,simplifyingthemoduleofcontrolsystem;
EstablishtheaccurateandaveragingstatemodulesofPWMinverterbasedonMatlab.
Inordertogetthehighqualityoutputvoltage,therehavedevelopedmanywaveforms–controlmethods.ThisdissertationresearchestheeffectsofPIparametersvariation,givingthestablerangeofPIparameters.Andalsointroducethetheoryandcharacteristicofrepetitivecontrollerandgivethedesignexample.Becausethehighvoltageandoutputpower,therewillbemanyproblemindesigningmaincircuitsandcontrolcircuits,suchasIGBTdrivingcircuits、insulatinghighandlowvoltage、protectionofimpactcurrent.、softwaremagneticbiascorrection.Thisdissertationresearchestheseproblems.
AccordingtothecharacteristicofPWMinverter,Thisdissertationdesignsthecontrolcircuit,introducingmaincontrolmoduleandrelativeCMOSchips,givingtherealizingofdigitalcontrolmethod.Atlast,itcalculatestheparametersofthemaincircuits,establishingtheexperimentequipmentandvalidatingthetheoryresult.
Keywords:
three-phaseinverterdigitalcontrolspacevectorPWMinstantaneousfeedbackcontrolrepetitivecontrol
摘要……………………………………………………………...…….……..ⅠAbstract……………………………………………….….…..…….…..……Ⅱ1绪论
1.1电力电子技术概述..................................................................................(11.2逆变器概述..............................................................................................(21.3高压逆变器现状及应用范围..................................................................(31.4逆变器波形控制技术综述......................................................................(4
1.5本文主要研究内容..................................................................................(7
2三相电压型PWM逆变器分析
2.1引言..........................................................................................................(82.2三相逆变器的数学模型..........................................................................(92.3空间矢量PWM(SVPWM控制.......................................................(142.4三相逆变器输出电压耦合分析............................................................(182.5仿真模型................................................................................................(20
2.6本章小结................................................................................................(21
3三相逆变器波形控制技术研究
3.1引言........................................................................................................(223.2逆变器波形畸变原因............................................................................(223.3三相逆变器波形控制............................................................................(243.4仿真分析................................................................................................(353.5本章小结................................................................................................(39
4高压三相大功率逆变器特殊问题
4.1引言........................................................................................................(404.2高压开关管驱动方案............................................................................(404.3缓冲电路................................................................................................(424.4抗冲击保护功能....................................................................................(444.5软件抗偏磁............................................................................................(47
4.6本章小结................................................................................................(50
5系统实现及实验结果
5.1引言........................................................................................................(515.2控制系统................................................................................................(515.3主电路设计............................................................................................(575.5本章小结................................................................................................(64全文总结......................................................................................................(65致谢..............................................................................................................(66参考文献......................................................................................................(67附录1攻读硕士学位期间发表的论文...................................................(71
1绪论
1.1电力电子技术概述
电力电子技术(PowerElectronics是一门利用电力电子器件对电能进行控制和变换的学科。
电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分,其中以电力电子器件的制造技术为核心技术[1]。
电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。
随着科学技术的发展,电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。
目前,电力电子技术已逐渐成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科[2]-[4]。
电力电子技术由于对生产的明显作用,如优化性能和节能等,世界各国都很重视这一技术,因而发展速度很快。
至1980年,传统的电力电子器件已由普通晶闸管衍生出了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等,形成了一个SCR家族,同时各类SCR的性能也有很大改善。
但是实际上由于SCR为半可控器件,而且工作频率低,所以,以SCR为代表的传统电力电子器件的发展已处于停滞状态。
80年代以来,微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的功率集成器件,从而使电力电子技术进入了新的发展阶段。
首先,各种高频化全控型器件如雨后春笋般地不断问世,并得到迅速发展。
这些器件有:
功率场效应晶体管(MOSFET、绝缘门极晶体管(IGBT等。
其次是电力电子变换电路及控制系统随着新器件的问世不断革新。
如各种各样的脉宽调制(PWM电路,零电流零电压开关谐振电路以及高频斩波电路等。
与新型电路相适应的新一代交流电机调速装置、不间断电源(UPS以及其他电力电子装置随之相应出现。
这些运行可靠的电力电子装置在机电一体化的载体上开始进入各个应用领域,电力电子装置已成为世界范围内的一项重要产业。
目前,电力电子技术正朝着以下方向发展:
高频化、模块化、多功能化、控制技术数字化。
PWM电路、谐振电路及高频斩波电路这些本来用于弱电领域的电路如今成为电力电子电路的主要形式,而控制技术正朝着全数字化方向发展,许多高新技术均与电网的电流、电压、频率和相位等基本参数的变换与控制相关,现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理,特别是能够实现大功率电能的频率变换,从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。
因而,现代电力电子技术不
(a(c
图1.1逆变电路结构但本身是一项高新技术,而且还是其它多项高新技术的发展基础。
电力电子技术及其产业的进一步发展必将成为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段,并为现代生产和现代生活带来深远的影响。
1.2逆变器概述
我们把将直流电变成交流电的过程叫做逆变,完成逆变功能的电路称为逆变电路,而实现逆变过程的装置叫做逆变器。
若按直流电源的性质来分类,逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器[2]。
在电压型逆变器中,直流电源是蓄电池或由交流整流后经大电容滤波形成的电压源。
电压源的交流内阻抗近似为零,桥臂输出电压为幅值等于输入电压的方波电压。
为使电感性负载的无功能量能回馈到电源,必须在功率开关两端反并联二极管。
在电流型逆变器中,直流电源是交流整流后经大电感滤波形成的电流源。
电流源的交流内阻抗近似为无穷大,桥臂输出电流幅值等于输入电流的方波电流。
为承受负载感应电势加在功率开关上的反向电压降,必须在功率开关上串联二极管。
若按输出端相数分类,逆变器可分为单相逆变器如图1.1(a(b和三相逆变器
(C。
其中单相逆变器按结构又可分为半桥逆变器和全桥逆变器。
单相半桥逆变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。
三相逆变器又可以分为三相三线制输出逆变器和三相四线制逆变器,本文研究的主要是三相三线制输出逆变器如图1.1(c。
1.3高压逆变器应用范围及现状
高压逆变器具有广泛的应用前景,目前的主要应用场合有船用供电系统、蓄电池后备供电,高压变频器及电力系统。
随着全控器件耐压等级不断提高,逆变器直流输入电压向越来越高的等级发展,逆变器的功率得以越做越大,此外,在逆变器容量相同的情况下,直流输入电压越高,输入电流就越小,如果很好的解决绝缘和散热问题,整机的体积和重量就较低压逆变器而言会大大缩小,在对电源有体积和重量要求的船舶供电系统中,高压逆变电源有良好的应用前景
在后备式供电中,蓄电池作为一种非常重要的储能介质,在各个行业都得到了广泛的应用。
由于单个电池的参数存在着差别,不能通过将蓄电池并联的方法来提高直流供电系统的容量,因此在电池的容量不能满足实际需求时,最直接的办法就是多个蓄电池串联共同提供能量。
所串的蓄电池越多,蓄电池组能够提供的能量就越多,但输出端电压就越高,此时,逆变器输入直流电压的上限就直接决定了蓄电池组的容量大小。
另外,高压变频器广泛的应用于轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等传统工业的改造和高速列车、城市地铁轻轨、电动汽车中,其核心部分也是高压逆变器。
近年来高电压大容量的变频器越来越受到重视,国内外许多厂商都致力于高压变频器的研制,如美国罗宾康(ROBICON公司生产的完美无谐波变频器;
洛克韦尔(AB公司生产的Bulletin1557和PowerFlex7000系列变频器,德国西门子公司生产的SIMOVERTMV中压变频器;
瑞典ABB公司生产的ACS1000系列变频器;
意大利ANSALDO公司生产的SILCOVERTTH变频器及日本三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内北京的凯奇、先行、利德华福公司和成都佳灵公司生产的高压变频器等[5]。
电力系统是电力电子应用技术一个很大的潜在市场,其典型应用有高压直流输电HVDC,灵活交流输电系统FACTS(包括静止电压补偿器、静止相位补偿器、功率流控制器等有源电力滤波器,蓄能电站用交流励磁系统等[6]-[7]。
对于高压输入逆变器的研究,通常有几种解决方案:
功率器件串联、多电平的拓扑结构[12]-[15]或直接采用高压功率器件。
器件在串联使用时,由于各器件的动态电阻和极电容不同,存在静态和动态均压等一系列问题。
而多电平技术由于具有诸如减少了器件的电压应力,勿须器件串联而无均压问题,减少了输出电压的谐波含量,减少了由于dv/dt和di/dt所造成的电磁干扰等优点,因此受到了更多关注,它的出现为高
压大功率变换器的研制开辟了一条新思路。
另外,随着半导体技术的发展,开关器件的耐压和容量不断的提高,使得当输入电压不是非常高时,采用传统的全桥或半桥模式就可以实现,本文就是采用传统的三相逆变桥实现高压直流电逆变转换成工频交流电的。
1.4数字化波形控制技术综述
输出电压波形的质量,是考核逆变电源性能的重要方面,也是近十几年来逆变电源研究的热点。
随着集成电路的发展,微处理器性能的不断提高,在中大功率场合,电力电子电路控制系统逐渐由模拟控制向模数或全数字控制转化。
数字控制的实现使得许多复杂的控制算法得以实现,使得电力电子装置在提高性能的同时,也向智能化方向发展。
数字控制相对于模拟控制,有一系列的优点:
(1硬件电路通用化、标准化,可靠性提高;
(2缓和了元器件老化,参数漂移等问题;
(3控制软件灵活,可以实现复杂而性能优异的控制策略;
(4借助其数字通信
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