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1、-基于三相PWM整流器蓄电池充放电系统的研究与设计_毕业设计论文-第 1 页本科生毕业论文(设计) 题 目： 基于三相PWM整流器的蓄电 池充放电系统的研究与设计 专业班级： 自动化二班 摘 要在蓄电池的生产过程中需要对蓄电池进行循环充放电，对蓄电池进行化成，以激活蓄电池。传统蓄电池充放电机大多采用晶闸管变流方式，网侧功率因数低，谐波污染严重。此处研发了一种基于 PWM 的蓄电池充放电机，该装置可运行于单位功率因数而使谐波变小，并且可将电池的放电能量馈送电网本文主电路采用三相电压型 PWM 整流器，这是一个强耦合、时变非线性系统，控制较为复杂。本论文侧重于工程设计与实现，综合考虑设计方案的可行
2、性，可靠性，成本，生产工艺等方面的因素。主要包括控制方法的研究、空间矢量的实现、系统的硬件与软件设计。本文介绍三相 PWM 整流器的基本理论，先介绍 PWM 整流器的典型拓扑和工作原理，并建立了三相电压型 PWM 整流器在 abc 三相静止坐标系和 dq 两相同步旋转坐标系下的数学模型。基于 dq 数学模型，完整给出采用 PI 前馈解耦的双闭环控制结构。外环为电流或电压环，用于控制恒流充放电电流和恒压充电电压。内环为电流环，用于快速跟踪外环的指令，实现单位功率因数和正弦波电流控制。关键词：整流器；蓄电池；PWM； 坐标变换AbstractThe battery needs charging a
3、nd discharging repeatedly in producing, so as activated. Most traditional charging-discharging device of storage battery using thyristors has many disadvantages. Such as low power factor and high harmonics. A novel battery charging and discharging device base on PWM is researched and developed, whic
4、h can operate with unit power factor and low harmonics, and feed the discharged energy back to the utility AC line.The main circuit of this paper is three-phase voltage source PWM rectifiers, which is astrong coupling, time-varying nonlinear system, control is more complicated. This paperfocuses on
5、the engineering design and implementation. It takes various elements such asfeasibility, reliability, cost andproduction engineering into thecompr ehensive consideration,including the research of control methods, the implementation of space vector, the design of hardware and software, and the develo
6、pment of prototype.This paper introduces the basalofthree-phase voltage source PWM rectifiers. Firstly, the typical topologies and principal of PWM rectifier is analyzed in this paper. The mathematical models of three-phase voltage source PWM rectifier in ABC three-phase stationary anddqtwo-phasesyn
7、chronous rotating coordinate system are established.PI and feedforward decoupling two loop control method is presented completely based on dq mathematical model.The external loop is to control the charging-discharging current or to control the charging voltage. The inner loop tails the current index
8、 of the external loop to realize unity power factor and sinusoidal current control.sincluding structure of program, control algorithm, realization of program. The program has many advantages of simple code, precise calculation and swift response.Keywords: rectifier;pwm;storage battery;three-phase vo
9、ltage. 目录 摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 研究背景及意义11.2 蓄电池充放电装置的现状和发展21.3 本课题的研究内容3第2章 三相电压型 PWM 整流器的原理及控制52.1 PWM 整流器常见拓扑结构52.1.1 电压型三相PWM 整流器拓扑结构52.1.2电流型 PWM 整流器拓扑结构62.2 PWM 整流器的运行基本原理72.3 三相 VSR 数学模型82.3.1 三相 VSR 的一般数学模型82.3.2 三相 VSR dq 模型102.4 三相电压型 PWM 整流器的控制122.4.1 常用控制方法122.4.2 三相 VSR 的解耦控制方法142.4.
10、3 三相 VSR 空间矢量控制15第3章 蓄电池充放电装置的硬件设计163.1 硬件系统构成163.2 主电路设计173.2.1 功率器件 IGBT 的选型173.2.2 三相 VSR 电感设计183.2.3 电容的设计183.3 辅助电源电路设计193.4 检测控制电路设计213.4.1 TMS320F28035 最小系统电路设计213.4.2 蓄电池电流采样电路设计213.4.3 蓄电池电压采样电路设计233.4.4 交流侧电流采样电路设计233.4.5 电网电压过零检测和电压采样电路设计243.4.6继电器驱动电路设计253.4.7 相序检测电路设计263.4.8 CAN 通信接口电路设
11、计273.5 本章小结27第4章 系统装置的软件设计及结果284.1 控制系统的构成284.2 电网周期与 PWM 周期的计算314.3 A/D 采样324.4本章小结33结束语34参考文献35致 谢37附录A 系统电路图38第1章 绪 论1.1 研究背景及意义 铅酸蓄电池是产生于 1859 年，如今已经成为世界上广泛使用的一种储能设备，具有供电可靠、移动方便、电压特性平稳、适用于大电流放电及广泛的环境温度范围、使用寿命长、适用范围广、及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、通讯、铁路、电力、矿山、计算机、国防、港口、科研等国民经济各个领域，其使用量和产量均占所有二次电池的 90%左右，相对于其
12、它蓄电池仍然具有不可代替的地位。在蓄电池生产过程中，不管是极板化成，还是电池的活化，充放电是一个很关键的过程，首先要保证按充放电工艺对电池进行充放电，其次由于蓄电池生产厂家都是批量生产电池，由于对电池充放电的时间长和充放电电流大和电压高，充放电所消耗的电能就非常大，所以充放电过程中如何节能也是一个不可忽视的问题，为此充放电装置在此扮演着很重要的角色。传统的蓄电池充放电装置大部分采用可控硅整流，这种是一种非线性负荷，会产频率为工频频率的整数倍的谐波。例如三相六脉波整流器所产生的谐波主要是5次和7次，而三相 12 脉波整流器所产生的谐波主要是 11 次和 13 次。谐波的危害十分严重，它能使电能的
13、生产、传输和利用的效率大大降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面： 1、加大企业的电力运行成本。由于谐波不经治理是无法自然消除的，因此大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了电力运行成本，增加了电费的支出。2、降低了供电的可靠性。谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖
14、，不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热，噪声增大，从而加速绝缘老化，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。3、引发供电事故的发生。电网中含有大量的谐波源（变频或整流设备）以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，如不加以治理极易引发输配电事故的发生。4、影响通讯系
15、统的正常工作。当输电线路与通讯线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，形成电场耦合和磁场耦合，谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，不仅影响通话的清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。为了解决传统蓄电池充放电装置的谐波污染问题，可以使用谐波补偿装置来前减少谐波，这对于各种各样的谐波源来说，都是适用的。另外一种方法就是开发新型电力电子变流器，使其产生较小甚至不产生谐波，且运行在单位功率因数。这种变流装置称为单位功率因数变流装置。在功率不大的场合下，可采用全控型 PWM 整流器来替代传统的二极管和晶闸管整流。PWM 整流器是通过高频控制
16、开关管的开通与闭合，使电网输入电流为正弦波，并且电流和电压保持同相位或反相位，达到单位功率因数运行。所以对 PWM 整流器进行深入研究具有非常重要的意义。国内在这方面的研究起步较晚，目前同国外的应用和研究水平相比有较大的差距。将 PWM 变流器应用到蓄电池充放电装置，这方面的研究较少。对基于 PWM 变流器的蓄电池充放电装置进行控制研究具有非常重要的现实意义，符合建设资源节约型社会发展的需要。 1.2 蓄电池充放电装置的现状和发展目前蓄电池充电装置有以下四种：1、自耦变压器型：该充电装置没有恒流充电功能，充电的电流随电网的电压变化而变化，必须通过人工不断调整才能进行充电。该充电装置质量不易保证
17、，处于淘汰状态。2、功率晶体管型：该充电装置采用晶体管为工作器件，其工作在线性状态，通过调整功率其 C-E 极压降来稳压调整输出电压，稳定输出电流。该装置输出电流和电压波形都很好，但由于功率晶体管工作在线性状态，能量消耗大。目前这类型的充电装置不是以给蓄电池充电为主要目的，而是利用其输出电流和电压波形很好的特点，作为测试仪器，精确测量蓄电池的容量等性能。 3、晶闸管型：该装置采用晶闸管作为主要器件，通过控制晶闸管的导通角来调整流输出电压，实现恒流恒压充电。该类型的装置以其容量大、价格便宜等优点成为目前应用最广泛的蓄电池充电装置。但其网侧功率因数低、谐波污染严重，体积庞大。随着人们对节能和低污染
18、的日益重视，这类型的装置将逐步淘汰。 4、IGBT 和 MOSFET：该类型装置采用全控型器件 IGBT 和 MOSFET 作为主要器件，通过高频 PWM 控制开关管使网侧为单位功率因数、直流侧为纯直流。从电路拓扑结构上来看，有三相电压型 PWM 整流器、三相电压型 PWM 整流器加 buckboost、PFC 加移相全桥、Z 源等。该类型充电装置电气性能优越、低损耗，发展潜力巨大。1.3 本课题的研究内容 本课题致力于研发高功率因数、高效率、低污染的蓄电池充放电装置，以满足人们对高效环保能源的需求。为了更好地切入蓄电池充放电装置市场，在保证可靠性和可靠性的前提下，必须尽可能压缩成本，同时也要
19、考虑生产工艺，确保生产与维护简单。本课题以三相电压型 PWM 整流器作为主要研究对象，阐述 PWM 整流器的工作原理，并建立其数学建模，在此基础上设计前馈解耦控制器，然后根据项目的设计要求，设计了基于 PWM 的蓄电池充放电装置样机。最后，对样机进行系统调试，实验结果验证基于 PWM 的蓄电池充放电装置控制方法、工程设计的有效性和优越性。主要内容归纳如下： 1、本课题主电路使用三相 PWM 整流器，第二章介绍了三相 PWM 整流器的原理及控制方法。先简要介绍 PWM 整流器的四象限运行原理及其拓扑，再集中介绍三相 PWM整流器在 abc 三相静止坐标系和 dq 两相同步旋转坐标系下的数学模型，
20、再介绍前馈解耦和空间矢量控制。从模型到控制，都用数学进行系统的推导，将三相 PWM 整流器作了详细系统的分析。 2、 系统硬件设计包括主电路设计、控制电路设计、驱动电路设计和保护电路设计等部分。硬件设计具有以下特点：主电路与控制电路全隔离、全数字控制、充分考虑成本与生产工艺。 3、系统采用 TI公司的 TMS320F28035 作为主控芯片。本文给出了程序的结构与功能，并分析 AD 采样，控制计算，中断保护等的实现方法。程序具有代码简单，运算精度高，响应速度快，实时性强等特点。软件设计的介绍详细，可操作性强。第2章三相电压型 PWM 整流器的原理及控制2.1 PWM 整流器常见拓扑结构 随着
21、PWM 整流器技术的应用和发展，已经设计出多种多样的 PWM 整流器。PWM整流器按直流侧储能形式可分为：电压型和电流型；按电网相数分类可分为：单相、三相与多相电路；按 PWM 开关调制分类可分为：软开关调制与硬开关调制；按桥路结构分类可分为：半桥与全桥电路；按调制电平分类可分为：二电平电路、三电平电路与多电平电路。2.1.1 电压型三相PWM 整流器拓扑结构 电压型PWM整流器（Voltage Source Rectifer - VSR）最显著特征就是直流侧采用电容进行储能，从而使 VSR 直流侧呈低阻抗的电压源特性。 2.1 VSR 拓扑结构 图 2.2 a为三相半桥和全桥 VSR 拓扑结
22、构。其交流侧没有中线,6 个功率开关管通过电感与电网相联，这是最常用的三相 PWM 整流器，即所谓的三相半桥电路。其较适用于三相电网平衡的系统。若三相电网不平衡，则三相半桥电路控制性能将恶化，甚至发生故障。为克服这一个不足，可使用三相全桥 VSR 设计。本课题采用三相半桥整流电路，文中称为三相 PWM 整流器，其控制算法较为简单。 图 2.2 三相 VSR 拓扑结构2.1.2电流型 PWM 整流器拓扑结构 如图 2.3 示出单相电流型 PWM 整流器的拓扑结构，图 2-3 示出三相电流型 PWM 整流器拓扑结构，这是一半桥电路，其交流侧接有三相对称 LC 滤波电路；直流侧与单相电流型 PWM
23、整流器直流侧相同，三相电流型 PWM 整流器的控制相对复杂，制约了其应用和研究。 图 2.3 CSR 拓扑结构 电流源型整流器的优点是：1)由于输出电感的存在，它没有桥臂直流通过及输出短路问题；2) 开关器件直接对直流电流作脉宽调制, 所以其输入电流控制简单, 控制速度快。缺点是：1) 电流型 PWM 整流器通常要经过 LC 滤波器与电网联接，LC 滤波器和直流侧的平波电抗器 L1 的重量和体积都比较大；2) 常用的全控器件多为内部有反并联二极管反向自然导电的开关器件，为防止电流反向必须再串联一个二极管，主回路构成不方便且通态损耗大。2.2 PWM 整流器的运行基本原理PWM 整流器具有非常良
24、好的:1) 网侧功率因数控制（如单位功率因数控制）；2) 交流侧电流为正弦波； 3) 较快的动态控制响应；4) 电能双向传输。PWM 整流器能实现电能的双向传输，整流时从电网吸取电能，逆变时能将电能回馈到电网。进一步研究表明，由于 PWM 整流器网侧功率因数均可控，因而可有源电力滤波和无功补偿等非整流器应用场合。通过高频控制图 2-1 所示的六个开关管的开通与关断，就可以控制 VSR 交流侧电压au 、bu 和cu 的幅值和相位，使 PWM 整流器运行在四象限。a 相等效电路如图 2-4 所示。 图 2.4 PWM 整流器单相等效电路图a) 纯电感特性运行 b) 正阻特性运行c) 纯电容特性运
25、行 d) 负阻特性运行图 2.5 PWM 整流器交流侧稳态矢量关系 其中： 交流电网 a 相电动势矢量 交流侧 a 相电感电压矢量 VSR 交流侧电压矢量 交流侧 a 相电流矢量以交流电网a相电动势矢量以参考，如图2-5所示。假定| |不变，|=wl| |也不变，则al端点的运动轨迹是以 0 为圆心的|为半径的圆。当矢量端点运动至 A 点，超前a90度，PWM 整流桥的网侧显现纯电感特性。当矢量端点由 A点运动至 B 点的过程中，PWM 整流器需要从电网吸收有功和感性无功，PWM 整流器运行在整流状态。 当矢量端点运动至 B 点， 与同相，PWM 整流桥的网侧显现正阻特性。当矢量 al端点由
26、B 点运动至 C 点的过程中，PWM 整流器需要从电网吸收有功和容性无功，PWM 整流器运行在整流状态。当矢量端点运动至 C 点，Ia超前Ua，PWM整流桥的网侧显现纯电容特性。当矢量端点由 C 点运动至 D 点的过程中，PWM 整流器需要从电网放出有功和吸收容性无功，PWM 整流器运行在逆变状态。当矢量UaL端点运动至 D 点，Ua与Ia反相，PWM 整流桥的网侧显现负电阻特性。当矢量UaL端点由D 点运动至 A 点的过程中，PWM 整流器需要从电网放出有功和吸收感性无功，PWM整流器运行在逆变状态。2.3 三相 VSR 数学模型2.3.1 三相 VSR 的一般数学模型 三相 VSR 一般数
27、学模型就是根据三相 VSR 拓扑结构，在三相静止坐标系(a,b,c)中利用基尔霍夫电压和电流定律，对 VSR 建立一般数学描述。假设电网电动势为三相对称正弦波，网侧电感为线性电感。三相PWM 整流器拓扑结构如图中 2-6 所示。Ea ，Eb和Ec为三相对称电源相电压，ia，ib 和ic 为三相相电流，Udc为直流侧电压， L 为交流侧滤波电感， R 为电感及关开管的等效电阻，VT1至VT6 开关管组成三相 PWM 整流桥。为分析方便，定义开关函数, 为： 图 2.6 三相 VSR 拓扑结构由基尔霍夫电压定律写出三VSR电压方程:由基尔霍夫电流定律得：2.3.2 三相 VSR dq 模型 1、在
28、三相电压型变流器中，交流侧的电压和电流都含有三个分量，这给系统的控制带来难度，考虑到相电压和相电流分别满足约束条件：Ea+Eb+Ec=0和Ia+Ib+Ic=0,一般地，设矢量：V的三个分量满足约束条件：Va+Vb+Vc=0 ,下面对向量V进行一般性研究进行。Va+Vb+Vc=0 实质上在三维欧氏空间定义了一个子空间。定义abc坐标系到dq坐标系的变换矩阵为CroC23，对abc标系的任一矢量：其在dq坐标系的象为,即：上述变换称为： abc dq变换 2、abc ab变换 定义abc坐标系到ab坐标系的变换矩阵为Cab，对abc坐标系的任一矢量:其在ab 坐标系的象为:,即:上述变换称为： a
29、bcab变换。3、 VSR dq 模型的建立上式中相电压、相电流以及开关量都是三维矢量，可用 abc dq变换将变换成二维矢量，即：则：由以上两式得：上式两边右乘得：将其写成频域中的形式为：VSR 的 dq 模型见图 2.9 所示。图 2.9 三相 VSR 的 dq 模型2.4 三相电压型 PWM 整流器的控制2.4.1 常用控制方法 为了使三相电压型 PWM 整流器运行在单位功率因数状态，可以有多种控制方法。根据有没有引入交流侧电流反馈可分为两种，引入交流侧电流反馈的称为直接电流控制，没有引入交流侧电流反馈的称为间接电流控制。直接电流控制，是根据交流侧电压电流矢量关系来控制整流器交流侧电压，
30、使得交流侧电流和电压同相位。这种控制方法在信号运算过程中要用到交流电感量 L和电阻R 。当 L 和 R 的运算值有误差时，必然会影响到控制交果。些外，这种控制方法是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。因此，间接电流控制的系统应用较少。间接电流控制通过运算求出交流端电流指令值，再用交流电流作为反馈量，交流电流跟踪指令电流值。直接电流控制响应速度快，对系统参数依赖不敏感，因而得到了广泛的应用。直接电流控制可分为固定开关频率电流控制和滞环电流控制等。固定开关频率电流物理意义清晰，控制算法简便，且实现方便。且由于开关频率固定，交流侧滤波电感及变压器设计方便。但在开关频率比较小的情况下，电流动态响
31、应速度比较慢，且动态误差随电流变化率变化而变化。相比之下，而滞环电流控制则具有较快的电流响应速度，且电流误差只取决于滞环宽度，与电流变化率无关。但主要不足在于开关频率随电流变化率变化而变化，使网侧滤波电感设计困难，开关损耗增大，大大限制了其在功率变流领域的应用。图 2.10 为三相 VSR 固定开关频率 PWM 电流控制原理。稳态时，三相静止坐标 abc中的指令电流为具有一定频率、相角和幅值的正弦波信号；而二相同步旋转坐标系 dq中的指令电流为时不变直流信号。当电流内环均采用 PI 控制时，无法实现电流无静差控制。 图 2.10 为三相 VSR 固定开关频率 PWM 电流控制原理。稳态时，三相
32、静止坐标 abc中的指令电流为具有一定频率、相角和幅值的正弦波信号；而二相同步旋转坐标系 dq中的指令电流为时不变直流信号。当电流内环均采用 PI 控制时，无法实现电流无静差控制。 图 2.10 abc 坐标系中三相 VSR 固定开关频率 PWM 电流控制原理 而两相同步旋转坐标系 dq 中的 PI 电流调节器可实现电流无静差控制，如图 2.11所示。显然，同步旋转坐标系下的电流控制方案具有更好的稳态性能。要求较高的三相 VSR PWM 电流控制，一般优先采用同步旋转坐标系中的固定开关频PWM 电流控制方案。图 2.11 dq 坐标系中三相 VSR 固定开关频率 PWM 电流控制原理2.4.2
33、 三相 VSR 的解耦控制方法采用同步旋转坐标系中的固定开关频率 PWM 电流控制方案，能获得较高的三相VSR PWM 电流控制。由式下式可知，VSR 的 dq 轴变量相互耦合，因而给控制器设计造成一定困难。为此可采用前馈解耦控制策略，当电流调节器采用 PI调节。设 ： 用图表示如图 2.12 所示。 图 2.12 三相 VSR 的解耦控制2.4.3 三相 VSR 空间矢量控制空间矢量 PWM 控制策略是依据变流器空间电压矢量切换来控制的变流器。空间矢量 PWM 控制策略早期由日本学者在 20 世纪八十年代初针对交流电动机变频驱动而提出的其采用逆变器空间电压矢量的切换 以获得准圆旋转磁场。将
34、SVPWM 应用于 VSR 控制之中，主要继承了 SVPWM 电压利用率高、动态响应快等优点。基于固定开关频率的 SVPWM 电流控制，利用 dq 同步旋转坐标中电流调节器输出空间电压矢量指令，再采用SVPWM 使 VSR 的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的。前面所述，基于前馈解耦控制策略的电流调节器输出在了 dq 同步旋转坐标中 VSR交流侧空间电压矢量指令值Ud 和Uq。下面介绍如何采用 SVPWM 使 VSR 的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，也就是使： 写成矩阵形式： 第3章 蓄电池充放电装置的硬件设计为了研究基于 PWM 的蓄电池充放电装置，根据前面章节对 PWM
35、整流器工作原理和控制策略的理论分析，本论文设计了一台功率等级为3.6kW 的样机。样机设计由硬件电路设计和控制软件设计两部分组成，其主要性能指标如下： 额定功率 3.6kW； 三相三线制 380V15%； 功率因数0.98； 电流 THD7%； 效率90%； 充电电压 0360V； 充电电流 0.016A； 放电电压 160360V； 放电电流 0.0110A； 电压漂移3%； 电流漂移3%； 软启动，对电网无冲击电流。3.1 硬件系统构成 基于 PWM 的蓄电池充放电装置硬件系统如图 3-1 所示，系统主电路由变比为 4：1 的主变压器、电感、IGBT、电容构成。控制电路是以TMS320F2
36、8035 为核心，其外围电路包括控制系统供电电源电路、过零检测电路、采样调理电路、驱动电路和保护电路。过零检测电路用于产生与电网同相的方波信号，以实现电网的锁相控制，并将采样量经过调理电路进一步转化为 03V 电压，输入到TMS320F28035 的 A/D 口。驱动电路将 TMS320F28035 的 PWM 信号进行放大，驱动IGBT。保护电路分为电容电压监测、IGBT 过流检测和 IGBT 过温保护电路三部分。IGBT过流检测功能集成在驱动电路中。 图 3-1 基于 PWM 的蓄电池充放电装置硬件系统示意图 当蓄电池电压小于 160V 时，S1 断开，S2 闭合，三相 PWM 整流桥进行
37、恒压控制，稳定电容电压Udc1 ，BUCK 电路对蓄电池进行恒流充电；当蓄电池电压大于 160V 时，S1 闭合，S2 断开，三相 PWM 整流桥进行恒流充放和恒压充，实现能量双向流动和单位功率因数整流。 由于主变压器二次侧以后的系统是从主变压器二次侧取电与控制的，所以为叙述方便，如无特别说明，下文所说的电网都是指主变压器二次侧的三相交流电，其相电压为55V，线电压为 95V。3.2 主电路设计3.2.1 功率器件 IGBT 的选型 考虑到 PWM 整流器运行在单位功率因数状态，电网电压 d =15%的波动，整流器效率 h =90%，蓄电池最大电压为 Udc=360V，PWM 整流器可运行在充
38、电和放电状态，两者功率不一致。充电状态时，最大充电电流为Idcm=6 A，可得线电流效值为：放电状态时，最大放电电流为Idcm =10A，可得线电流效值为：IGBT 的承受的反向电压为直流侧电压，即 360V。选取 IGBT 时，额定电流CEI 要跟据实际工作最大电流的 1.5 倍选取，额定电压CEU要跟据实际工作最大反向电压的 1.52 倍选取，并考虑到散热条件。3.2.2 三相 VSR 电感设计在电压型 PWM 整流器主电路设计中，其交流侧滤波电感的设计非常重要。交流侧滤波电感的取值不仅会影响电流内环的动、静态响应，而且还制约着 PWM 整流器的输出功率、功率因数以及直流母线电压。进一步分
39、析研究，交流侧滤波电感的主要作用如下： 1) 隔离电网电动势与 VSR 交流侧电压。 2) 滤除 PWM 整流器交流侧谐波电流，从而实现交流侧正弦波电流控制； 3) 使 PWM 整流器具有 Boost PWM 整流器 AC/DC 变换性能； 4) 使 PWM 整流器获得一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。 VSR 交流电流过零时的电流变化率最大，此时电感应足够小，以确保电流响应的快速性。若忽略 VSR 交流侧电阻R ，考虑到三相 VSR 单位功率因数控制，电流过零时，电网电动势 Ea=0。3.2.3 电容的设计 考虑三相 VSR 直流电压由空载到满载扰动时的动态过程。这一过程实际上是
40、直流负载电流从零到额定电流的三相 VSR 负载扰动过程。由于负载电流阶跃增大，三相 VSR 直流侧电压因负载扰动而导致电压动态降落。若 VSR 直流电压控制器采用 PI 调节器，则此时 PI 调节器输出饱和，这意味着三相 VSR电流环将跟踪最大幅效电流。显然，若要求三相 VSR 满足负载扰动时的抗干扰性能指标，则 VSR 直流侧电容应足够大，其电容下限值为： 其中为三相 VSR 负载电流阶跃扰动时的直流电压最大动态降落，为等效负载。 本系统中选取直流侧电容参数为：电容量 2200uH，额定电压 450V。3.3 辅助电源电路设计辅助电源由变压器、整流桥、稳压管和电容组成。输出15V、5V、3V
41、 和两组相互隔离的 5V 电源。变压器二次侧输出为两组 9V 和带有中心抽头的 18V 交流电压。 各电源作用如下： 15V给采样电路的 78L02 供电 +5V给隔离运放 7800 二次侧和数字电路供电 +3V给采样电路提供基准电压 +5V-P2、+5V-P3给隔离运放 7800 一次侧供电 图 3-5 辅助电源电路图3.4 检测控制电路设计3.4.1 TMS320F28035 最小系统电路设计在数字控制器中，DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP 指令，可以快速地实现各种数字信号算法，具有很强的实时处理能力，为实时控制系
42、统的设计提供了一个理想的解决方案，已经成为电机及运动控制的主流芯片。 本系统采用 TMS320F28035 作为主控制芯片，TMS320F28035 是 TI 公司于 2009 年推出的新一代 Piccolo 微处理器，主频 60MHz，3.3V 单电源供电，多达 45 个增强型 GPIO引脚，16 路高速转换的 12-bitA/D 转换器，7 对增强型 PWM 口等。TMS320F28035 相 对 于 TMS320F2812 ,更 适 合 作 为电力电子控制芯片。TMS320F28035 价格比 TMS320F2812 低一半。TMS320F28035 的主频为 60M，低于TMS320F
43、2812 的 120M 主频，但已经满足控制要求。TMS320F2812 使用 3.3V 和 1.8V供电，上电和掉电的次序有严格要求，因而需要专门的电源芯片，如 TPS767D318。而TMS320F28035 使用 3.3V 单电源供电，比较方便，省去了专门的电源芯片。TMS320F2812的 PWM 和 CAP 模块使用 16 位定时/计数器，当计数时间较长时，往往需要分频使用，降低了精度。而 TMS320F28035 则使用 32 位定时/计数器，即使不分频，定时时间也可达 212/60M=71.6s。TMS320F2812 的事件管理器 EVA 和 EVB，每个事件管理器的三对PWM
44、 口使用共同的定时/计数器。而 TMS320F28035 的 7对 PWM 口有独立的定时/计数器，能配置成同周期同相位的计数，作为三相整流桥的控制，也能配置成不周期和相位的计数，去控制独立的 PWM 电路，使用更加灵活。TMS320F2812 需要专门的外部中断口，而 TMS320F28035 可选择 GPIO0GPIO31 中的其中一个配置成为外部中断口，多达三个。3.4.2 蓄电池电流采样电路设计为了对整个装置系统进行控制，需要对一些电气参量进行隔离、变换、取样、计算。本系统需要采样的量为蓄电池电压、充放电电流、交流侧 a 相电压、a 相和 b 相电流。 为了节约成本，本系统采用 780
45、0 隔离运放做电气隔离。该隔离运放采用两对隔离的 5V 电源进行供电，输出线性电压范围是-0.30.3V，输出为 PIN6 和 PIN7 的差分电压，两脚电压之差的范围是2.4V2.4V，放大倍数为 8 倍，如图 3-7 所示。 图 3.7 隔离运放 7800 的输入输出特性图 3.8 为蓄电池电流采样电路，采用 10A/150mV 的分流器与蓄电池串联，分流器上的电压经 RC 滤波后输入到 7800 的 PIN2 与 PIN3，输出脚 PIN6 与 PIN7 的电压经差分电路转换成单极性电压。由于输出电流可正可负，输出的单极性电压也可正可负，再经过抬升电路转换成 03V 电压输入 TMS32
46、0F28035。 图 3.8 蓄电池电流采样电路3.4.3 蓄电池电压采样电路设计图 3.9 蓄电池的电压采样电路，蓄电池的电压通过电阻分压作为 7800 输入电压。抬升电路有电阻 R34 接地，这样可以使该电路能测量一定的负压。设蓄电池电压为x伏， y 的变化范围是 03，相应地， x 的变化范围是-90.5452.3，输入输出为线性关系。该测量电路能测量一定的负电压，可根据测量值判断蓄电池是否反接。图 3.9 蓄电池电压采样电路3.4.4 交流侧电流采样电路设计 本采样电路采用 R9=470作为采样电阻，设相电流的瞬时值为x安，输入到TMS320F28035 的电压为 y 伏， y 的变化范围是 03，相应地， x 的变化范围是-42.042.0，输入输出为线性关系。也即该采样电路能测量有效值为 29.7A 的交流电。图 3.10 交流侧电流采样电路图3.4.5 电网电压过零检测和电压采样电路设计 图 3.