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1、-毕业设计（论文）-动态电压恢复器(DVR)的测控回路设计与仿真-第 23 页毕业设计（论文）题目名称：动态电压恢复器（DVR）的仿真与测控电路的设计院系名称：电 子 信 息 学 院班 级：电 气 092 班学 号： 指导老师： 2013 年 5 月论文编号：200900474231动态电压恢复器（DVR）的仿真与测控电路设计The Control circuit design and simulation of the Dynamic Voltage Restorer (DVR)院系名称：电子信息学院班 级：电气类092学 号：200900474231学生姓名： 指导教师： 2013年5月
2、摘要由于现代科技的发展，非线性负载和电力电子装置应用广泛，它们对电压扰动极其敏感，几个周波的电压扰动可能导致它们失灵或彻底损坏。在各种电压扰动或干扰因素中，电压跌落尤为明显，并已成为影响诸多用电设备正常运行的非常严重的动态电能质量问题。本文以动态电压恢复器为研究对象，首先介绍了其工作原理以及基本结构，以及其系统的Matlab仿真，其次又主要从硬件设计方面对整个控制电路进行了设计，最后还简单的介绍了一些软件算法与控制算法。在硬件方面，设计电源电路、检测电路、调理电路，将截止频率设置成500Hz，对电路中元器件的参数进行设计，并将电源电路、调理电路在Multisim的环境下进行了仿真，制成了电路板
3、，然后对电路的驱动以及对于光电隔离进行了硬件设计。在软件方面，介绍了四种信号检测算法，并进行分析，介绍PID算法控制，重点讲解了软件编程中SPWM波形的生成算法。关键词:动态电压恢复器，硬件电路，Multisim仿真，控制算法 AbstractWith the development of modern science and technology,the nonlinear loads and powerelectronics equipment are widely applied.Those loads are generally sensitive to electricaldistu
4、rbances which may cause them to malfunction or even to fail.Among various powerinterruption or disturbance factors,voltage sags are currently the largest cause of disruption inpower supply systems.In this paper, the dynamic voltage restorer as the research object . First , introduced its working pri
5、nciple and basic structure, as well as its system Matlab simulation, and secondly from the hardware design of the main aspects of the entire control circuit has been designed, and finally introduces some simple software algorithm and control algorithms. In terms of hardware, I designed the power cir
6、cuit, detection circuit, conditioning circuit, the cutoff frequency is set to 500Hz, And the components in the circuit design parameters. The power supply circuit, conditioning circuit were simulated in Multisim, And I put them into a circuit board. Then drive on the circuit and optical isolation fo
7、r the hardware design. On the software side, this paper describes four signal detection algorithms, and it describes PID control algorithm, It focuses on explaining the software programming SPWM waveform generation algorithm. Key words: dynamic voltage restorer, the hardware circuit, Multisim simula
8、tion, control algorithm.目录1 绪论21.1 研究背景与意义21.1.1 现代电能质量问题21.1.2 电压凹陷问题31.1.3 电压凹陷的成因31.1.4 电压凹陷的危害41.1.5 电压凹陷的解决方案41.2 研究现状52 动态电压恢复器的工作原理与结构62.1 动态电压恢复器的基本结构与原理62.2同相位补偿的MATLAB仿真与分析73 动态电压恢复器测控电路的设计与分析103.1 检测电路10霍尔传感器10交流电流互感器10电阻分压103.2 调理电路123.3 电源电路173.4 过零检测电路193.5光隔电路的设计203.6驱动触发电路224 电压信号的检测
9、方法对比254.1 交直流变换采样254.2 均方根法254.3傅里叶分析264.4 基于瞬时无功理论的坐标变换275 软件分析285.1 SPWM的生成285.2 主程序流程图316 结论33参考文献34致谢35附录361 绪论1.1 研究背景与意义在现代社会工业发展中，电能已经是最主要也是最广泛的能源形式之一，它具有经济、实用、清洁且容易控制和转换的等特点。电能也在人民生活和工业生产中有着举足轻重的作用，电能质量问题也是直接关系到国民经济的总体效益的因素。上世纪 80 年代以来，随着高新技术的发展和应用，现代用电设备对电能质量的要求越来越高。许多用户设备中都带有基于微处理机的控制器和功率电
10、子器件, 它们对各种电磁干扰都非常的敏感。而另一方面具有非线性负荷特征的设备在电力系统中的应用也越来越广泛，这些设备的运行可能会使电网中电压和电流波形畸变越来越严重，而且有时还会产生严重的电压波动、电压闪变和负序分量等电能质量问题。为满足高效的现代化生产, 维护用电设备的正常运行, 越来越多的用户向供电企业提出了高质量供电的要求。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验结果，维持人民生活和生产正常进行都有十分重要意义。1.1.1 现代电能质量问题现在对电能质量的定义，不同的部门有不同的定义，例如，国际电气与电子工程师协会(IEEE) 采用的是“Power Qual
11、ity” ，他们对电能质量给出的定义是：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备完全正常工作的。并认为电能质量问题是在供电过程中导致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象，如电压凹陷、过电压、电流谐波和电气噪声等。同时，电能质量还应包括电力系统的可靠性问题，包括系统的容量储备和安全性等。在早期对电能质量的认识主要局限在电网频率和电压水平，即主要强调供电系统稳态的特征，而不考虑其暂态特征的影响，电力供应企业对电能质量的控制手段主要是依赖于对供电电压的调整。 目前虽然传统的电能质量问题如谐波、闪变、三相不对称等依然存在，而且 严重性还在增加。但是近些年来随着高新技术
12、的飞速发展，精密机械加工、微型电机、基于微处理器检测控制用电设备和各种电力电子设备在电力系统负荷中占的比例不断增加，它们对系统干扰比一般机电设备敏感，对供电质量的要求也很高，就是仅仅几个周期的供电中断或电压瞬间凹陷都将影响这些设备的正常工作，甚至引起生产中断或者生产报废品，造成巨大的经济损失。这类电能质量问题称为现代电能质量问题，它主要包括暂态过电压、电压凹陷、电压瞬间上升、供电瞬间中断问题。1.1.2 电压凹陷问题 与其它现代电能质量问题一样，电压凹陷是近年来才引起关注的。在国外有调查表明，对电力用户影响最大的电能质量问题就是电压凹陷。电压凹陷容易引起计算机系统混乱、调速设备跳闸以及机电设备
13、误操作等，它是使敏感设备不能正常工作的主要原因，已经成为影响用电设备安全稳定运行的最主要的电能质量问题。电压凹陷是指电压有效值在短时间突然下降的，又叫做电压瞬间跌落、电压骤降、电压下凹、电压暂降等。国外对电压凹陷也有不同的称呼，有voltage sag(IEEE) 和 voltage dip(IEC)两种。在对电压凹陷进行定义时也存在着差别，根据国际电气与电子工程师协会(IEEE)的定义，电压凹陷指电力系统中工频电压有效值迅速下降到额定 值的 10%90%，持续时间为半个工频周期到 1 分钟，然后回升至正常值附近。而国际电工委员会(IEC)标准对电压凹陷的定义则是：电力系统中工频电压有效值迅速
14、下降到额定值的1%90%，持续时间为l0ms 到 1 分钟。电压凹陷的特征可以用四个量来描述：凹陷幅值、持续时间、相位跳变和电压凹陷频次。1.1.3 电压凹陷的成因电压凹陷产生的原因主要有系统短路故障、雷击、大功率器件启动等几个方面，电力系统中发生瞬时短路故障是电压凹陷发生的主要原因。目前配电系统中的线路主保护是电流保护，但是该保护下线路中大部分区域上的故障不能无延时地切除。在线路某处发生短路故障到保护装置动作将其隔离的这段延迟的时间即内会造成很大的损害，故障线路所连母线的其他线路就会出现电压凹陷。同时由短路故障引起的电压凹陷可能沿着电网扩散而给大量用户造成问题。这种原因导致的电压凹陷是由故障
15、类型和故障点距离以及继电保护装置水平来决定的。雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电也是造成电网电压凹陷的主要原因，特别是在雷电发生较多的地区。因雷击引起的电压凹陷持续时间比瞬时短路故障引起的要长，而且影响的范围很广，其特征量与系统的绝缘水平、线路结构、所处环境等有关。大功率电机启动时也会导致附近区域电压的出现凹陷现象。这种电压凹陷中电压下降的幅度一般不大，但是持续时间比前两种情况都要长。电动机在启动时，启动电流远大于正常时电流，且功率因数很低，其对附近变电站母线的影响比正常工作时扩大数倍，因此会造成附近电压降低，电机在所处线路上所占负荷比重越高，发生电压凹陷时情况越严重。1.1.4 电压凹陷的危
16、害在众多的电能质量问题中，电压凹陷和电压短时中断被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的最主要的电能质量问题，其发生的频率最高、影响最为严重、造成的经济损失最大。电压凹陷会导致逻辑控制器误动、调速装置失灵、使接触器与辅助继电器断开、计算机系统的数据丢失等，从而造成很大的工业损失。在国外对电压凹陷的检测已经很早就开始了，从一些公布的情况中可以看到其严重的危害性。加拿大电气协会从1991年开始用三年时间对电能质量问题进行调查，在 550个供电点上进行电能质量监测，测量结果表明平均每个用户每月发生38次电压凹陷，且几乎天天都在发生，这给工业生产造成了严重损失。美国的300多个电能质量监测器的观测数据
17、表明：高达92%的扰动事件是持续时间不到2秒钟的电压凹陷。英国一家造纸公司平均每年要遭受30次电压凹陷，而每次造成的损失不少于14万英镑。可以看出，电压凹陷已成为威胁现代社会各用电设备正常、安全工作的主要干扰，是现代电能质量问题的重心。因此，解决电压凹陷问题是十分必要。1.1.5 电压凹陷的解决方案由于现代电网规模越来越大，电压等级也越来越高，所以抑制故障的成本也很高。而故障清除操作的改进成本也很高，且只能依靠继电保护技术的进步。但这些方法价格昂贵而效率很低，运行时功率损耗也比较大，补偿的精度也不高。所以必须克服上述方法的不足，找出成本低、效果好、能耗低的补偿方法是十分有必要的。对于电压凹陷的
18、危害，可从电力系统和电力用户两个方面采取措施来解决：在系统侧的措施主要包括两种：减少电网故障和改进系统故障清除操作。但是由于在电力用户侧的措施主要是加装处理装置。早期的做法是采用不间断电源、采用大功率电力电子技术和配电自动化技术综合应用，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电能供应。而动态电压恢复器 (DynamicVoltage Restorer-DVR)是其中的主要产品之一。1.2 研究现状在目前的DVR的理论研究上主要是集中在主电路结构和控制方法上。在主电路结构上，主要研究不同的三相系统逆变器的结构对故障电压补偿的效果上的区别。在控制方法上，主要是如何快速准确的捕捉
19、到畸变电压，并对其进行很好的补偿，这其中最主要的是对不平衡的畸变电压进行的补偿，以及在储能一定的情况下，尽量的延长补偿电压跌落的时间，即能量优化的补偿。在近几年里，关于动态电压恢复器DVR各种研究以及控制方法的设计在国内外十分的多，因而也有一些公司开发出来了一些产品，例如美国的GE、瑞士的ABB、德国的西门子还有我们国内的一些公司也研发并生产出了DVR产品。在几年前清华大学电机系柔性交流输电配电系统研究所也独立研发并制造出了一台10KVA/380V的三相DVR样机。在各个大学研究所关于动态电压恢复器DVR的研究十分的多，这也说明DVR在当今社会对电网电能质量问题治理的重要性。2 动态电压恢复器
20、的工作原理与结构2.1 动态电压恢复器的基本结构与原理 图2.1.1 工作原理图 从上图中我们我们可以看到，DVR系统的工作原理如下：当电网中的电压降低时，连接在敏感型负载前端的检测模块其可以检测到电网中的电压，检测到的电压信号通过调理电路进入DSP中，调理电路其中主要是滤波电路和偏置电路组成，其目的是将信号进行滤波进行偏置，是信号变为幅值在0到3V间的模拟信号。信号通过DSP的IO进入DSP内部，DSP通过将检测到的信号与标准的电压进行比较，若其电压与标准电压有偏差时，也就是电压有跌落时，DSP的EV模块将会产生SPWM来驱动逆变电路工作，但强弱电之间要有隔离，因而就有一个光隔模块。当SPW
21、M进入逆变模块后，就会产生所需补偿的电压，通过串联变压器进入电网中，这时电网电压就会恢复到正常水平左右。滤波电路后端的检测调理电路其主要是对逆变器产生的信号回馈到DSP与标准要补偿的电压进行误差分析，这也是控制上闭环控制。主电路的过零检测电路主要是对补偿电压的相位进行控制，使其相位与电网的相位一致，使其达到并网的标准。2.2同相位补偿的MATLAB仿真与分析 在现在的补偿策略中，主要有完全补偿，同相位补偿以及最小能量补偿三种。对于完全补偿，其是指补偿电压与跌落后的电压相加之后能使网侧电压恢复到跌落前的电压，该方法从补偿效果上说是最好的，但是由于目前的电力电子技术水平，以及控制上的不易实现，因而
22、此方法目前一般不用。对于最小能量法，其也叫超前补偿法，也就是补偿电压超前网侧电压一个角度，从可以使补偿的功率因数降低，降低补偿能量。但是由于本设计在实验室中进行实验与验证，补偿的电压幅值也不是太大，因而我们采用的是同相位补偿。同相位电压补偿的补偿电压与瞬时电压同相位，只能进行幅值的补偿，不能补偿相角变化，其补偿相量图如图2.2.1 所示。但当电压出现切痕、突波等陡变时，由于补偿电压只能在此基础上产生，这种补偿方式效果不好，甚至可能出现恶化的趋势。这种补偿方式的缺点还在于无法控制DVR 输出的有功，对于那些对相位波动敏感的负荷显然无法适用。其优点在于实现简单，补偿速度快，DVR串联侧容量较小，可
23、补偿的电压范围最大，因此在对相位波动不敏感的场合应用广泛。 图2.2.1同相位补偿在仿真中，采用的是可编程电压源来模拟电网的电压进行周期性的跌落，设置正常输出电压为380V，设置跌落时间为0.2到0.6秒跌落，跌落幅值的30%，变压器变比为1:1，控制上采用闭环PID控制，PI参数设置为1与2，仿真原理图如下： 图2.2.2 MATLAB仿真图 上图是MATLAB做的一个同相位补偿的仿真图，控制上我们采用的是PI调节，闭环控制，下面我们看一下仿真结果： 图2.2.3 仿真结果图 从仿真记过图上我们可以看到，在仿真中，我们为了在算法上的方便，采用的都是标幺值算法，从结果上我们可以看到，进过DVR
24、的补偿后，主电路的电压基本上可以保持稳定在380V，但是补偿时还是有一定的谐波注入到电网中，但经过分析比对后，我们可以知道其主电路PHD值没有超过5%，这就从理论上证明了我们的方案与设计是合理可行的。3 动态电压恢复器测控电路的设计与分析3.1 检测电路 由原理框图可知，检测电路就是检测经过电路的电压、电流信号大小的，电压、电流经过检测电路到调理电路再到DSP中进行信号处理，检测方法有三种：霍尔传感器、交流电流互感器、电阻分压。 霍尔传感器：霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，其工作原理是磁场平衡式的，即原边电流所产生的磁场，用通过次级线圈的电流所产生的磁场
25、进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态。具体工作过程为：当原边回路有一大电流IP流过时，在导线周围产生一个强的磁场HP，这一磁场被聚磁环聚集，并感应霍尔元件，使其有一个信号输出Uh，这一信号经放大器N放大，再输入到功率放大器中，这时相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流Is。由于这一电流要通过很多匝绕组，多匝导线所产生的磁场Hs与原边电流所产生的磁场Hp方向相反，因而相互抵消，引起磁路中总的磁场变小，使霍尔器件的输出逐渐减小，最后当Is与匝数相乘所产生的磁场Hs与Ip所产生的磁场Hp相等时，达到磁场平衡，Is不再增加，这时霍尔元件就处于零磁通检测状态。上述过程是在非常短的时间内完成的
26、，这一平衡的建立所需时间在s之内，且是一个动态平衡过程，即：原边电流Ip的任何变化都会破坏这一磁场平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过次级线圈对其进行补偿。 交流电流互感器：原理同变压器，起电流变换和隔离两重作用。原理是电磁感应；作用： 隔离危险的较大电流； 比较精密的互感器接入电度表参与计量； 供工作 维修人员检查 检测 分析故障； 供给电磁继电器做保护 电阻分压：串联一个电阻，用分压的方法计算电压、电流值，但方法比较麻烦，而且没有上面两种精确。 三种方法都可以检测电压、电流信号，但是霍尔传感器的检测速度要快于交流电流互感器，出色的精度、良好的线
27、性度、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比强、反应时间快、频带宽，所以我选用的是霍尔传感器。 下面对电压霍尔传感器参数设定进行一下设计分析：若采样电压有效值220V,可以选择LEM的LV25-P电压传感器测量电压，转换率为2500:1000，电参数如下：产品型号：LV25P原边额定有效值电流：10mA原边额定有效值电压：10V500V各档原边电流测量范围：014mA副边额定有效值电流：25mA电源电压（5%）：12VDC或15VDC绝缘耐压（原副边之间）：50HZ，1分钟，2.5KV转换率：25001000电流消耗：24mA测量总精度（25）：0.8%F.S线性度：0.8%零点失调电流：0.1
28、5mA温度漂移（070）：0.35mA响应时间：40sdidt跟随精度：50As频带宽度：DC10KHz环境操作温度：1070环境贮存温度：2585采样电压有效值220V，该电压传感器原边额定有效值电流为10mA,因此原边选择R1=22k的限流电阻；副边电压有效值为1V，副边额定有效值电流为25mA，选择RM=40欧姆的测量电阻。如图3.1.1所示： 图 3.1.1 检测电路原理图3.2 调理电路我们利用DSP内部所带的AD外设检测电压，其内部AD的参考电压为3V。也就是其管脚可以接受的电压一般为0到3V的单极性信号，而我们通过检测电路出来的电压一般为双极性的正弦信号，因而我们可以把其偏置为0
29、到3V的范围内的信号。由于电磁干扰信号在传输的过程中还有一些谐波信号，我们采用二阶巴特沃斯低通滤波器把这些谐波信号给滤掉，以免其对正常信号产生影响。如下图3.2.1所示，是偏置调理和滤波的电路图： 图3.2.1 调理电路原理图 加法运算电路： 根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：虚断： (1)虚短：=0（解释：同相端接地，所以） (2) (3) (4)将(2)、(3)、(4)式带入(1)式可得：若，则：平衡电阻 由于运放管脚电流不能过大，我们选定51K的电阻。 有源低通滤波电路： 在模电中我们学过巴特沃斯电路，下面我们对此电路进行一下分析计算。二阶有源低通滤波电路如图3.2.2所示： 图3
30、.2.2 二阶滤波电路 有图可见，它是由RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即。 (5) 在该电路中，我们还要考虑一下传递函数： 在考虑到集成运放的同相输入端电压为 (6) 而与的关系为 (7) 对于节点A，应用KCL可得 由上式可得电路的传递函数为 (8)设 (9) 可得 (10) 上式为二阶低通滤波电路的传递函数式。其中 (9)为特征角频率，也是3dB截止角频率，而Q为等效品质因数。 我们上面的推导中可以知道截止频率的公式，即 (11) 在滤波时，我们设置截止频率为500Hz，由于在一般工程的，电阻的品
31、种比较多，而电容较少，那么我们设置电容为0.33，从而可以电阻值约为10K。下面我们对我们设计的调理电路进行Multisim软件仿真： 图3.2.3调理电路仿真图 图3.2.4偏置结果 图3.2.5调理结果 从仿真结果上我们可以看到，该调理电路的参数设计具体如下： 图3.2.6调理电路最终参数 在设计中我们用到的放大器是TL084，其管脚的功能图如下： 根据以上的设定，最终调理电路的板子管脚连接图如下： 图3.2.7 调理电路板子连接图3.3 电源电路在我们设计的电路中，每个电路都要外加电源使电路工作，我们所要用到的电源主要是+15V与-15V的直流稳压电源，所以我们还要设计一个电源电路。我们
32、设计电源电路时，我们选用的是LM7815与LM7915.。这两个芯片其外部形状。都是3个管脚，7815可以产生+15V，7915产生-15V。但是7815与7915的管脚功能不是太一样，其中脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。这样标注便于记忆。对于7815，引脚为最高电位，脚为最低电位，脚居中，不论正压还是负压，脚均为输出端。对于LM78*正压系列，输入是最高电位，自然是脚，地端为最低电位，即脚，如附图所示。对与LM79*负压系列，输入为最低电位，自然是脚，而地端为最高电位，即脚。知道了7815与7915的管脚输出，我们根据其典型运用，设计了一个电路，并在Multisim的环境下进
33、行了仿真。 图3.3.1 电源电路仿真 图3.3.2 仿真结果 从仿真中我们可以知道，我们设计的电路，它是可以满足我们的基本要求的。3.4 过零检测电路在我们对补偿电压进行并网的时候，为了保证补偿电压的相位与时序，我们通常要做一个过零检测电路，其电路结构如下：图3.4.1 过零检测电路图3.4.1中LM339AJ是一个电压比较器，电压信号接入LM339AJ，过零电路在工作时，电网没经过一次过零点LM339AJ进行一次电平翻转，从而输出与电网同频率的方波。迟滞比较器为双门限值输入的比较器，由于正反馈的作用，其门限电压随着输出电压发生变化，单门限电压比较器虽然电路比较简单，灵敏度高，但其抗干扰性能
34、差，当输入电压含有噪声和干扰电压时，其输出电压会时而正饱和输出，时而负饱和输出，如果控制电机，会频繁出先启停现象。为了提高抗干扰能力，所以采取迟滞比较器。迟滞比较器灵敏度虽然低了一些，但抗干扰能力比较强。令时，求出的输入Vi就是门限电压，图中所示上下门限电压为：过零电路仿真输出结果:图3.4.2 仿真结果3.5光隔电路的设计对于光电隔离电路来说，在设计中，我采用的芯片是HCPL-4504，下面我先介绍一下该芯片。对于该芯片是美国安捷伦公司（原惠普公司）专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片，该芯片内部集成了高灵敏度的光传感器，极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关的死区时间确保了安全，是功
35、率器件接口的很好的一个芯片。对于三菱公司的IPM来说，基本上都会在数据手册上推荐该芯片作为接口芯片。该芯片管脚图如下：图3.5.1HCPL-4504的管脚图其工作原理图如下：图3.5.2HCPL-4504的原理图该芯片在应用中最大额定值如下表：其电气特性如下：对于该芯片，其典型运用电路如下： 图3.5.3 HCPL-4504的运用电路说明：（1）IF为输入的电流信号，假设为16mA （2）为输出电压信号 （3）tPHL，tPLH为输入输出延时 （4）RL的选择建议在10K到20K之间 （5）CL的选择建议早10pF到100pF之间 （6）在5与8管脚之间加0.1uF的去偶电容 （7）7管脚与8
36、管脚需要短接3.6驱动触发电路我们都知道，在DSP产生的SPWM信号是比较小的，就算进过光电隔离电路后，其电压才能达到5V，这个电压是不肯能来直接驱动触发我们的IGBT正常的打开的，所以我们需要设计驱动触发电路。在我们主电路设计上，我的同组同学选定的三菱公司的IPM系列里面的PM100CLA120的IGBT模块。下面我对这个芯片进行一下介绍：图3.6.1PM100CLA120芯片图该芯片是三菱公司开发的第五代IGBT模块，其中，它内置了驱动触发模块，可以直接控制IGBT的正常关断与导通，其最大通过电流为100A，最大电压为1200V，开关频率为20K。在其内置的电路中，还有逻辑保护检测，短路、
37、过温、欠电压保护，其噪声也比较小。其工作时，温度对其影响相比其他的芯片来说也比较小，其最高工作温度为125度，因而这个芯片是比较好的。通过查找该芯片的使用手册，我们可以知道其典型电路，如图3.6.2所示： ，结合本系统的要求具体电路设计主要包括故障输出电路、电源电路和光电隔离电路。故障输出电路如图3.6.3所示，起作用当发生短路、过温、欠电压等故障时通过故障输出电路输入到DSP或其他保护电路对系统进行保护。由于逆变桥上下桥臂驱动电源需要分开单独供电，本系统电源电路采用4个电源模块，其中三个分别为上桥臂供电，因下桥臂有公共点，所以三个下桥臂公用一个电源模块，光电隔离器件采用上节所述的美国安捷伦公
38、司（原惠普公司）专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片HCPL4504。电路图如3.6.4所示：详细电路设计见附录。图3.6.2PM100CLA120的内部电路结构图3.6.3故障输出电路图 3.6.4电源电路和光电隔离电路4 电压信号的检测方法对比4.1 交直流变换采样根据电工学上对周期性信号有效值和平均功率的基本定义，并将其离散化可以得到： (1) (2) (3) (4) 为了提高精度，在连续一个周期内取N = 20均匀地对交流信号Uab 、Ia 、Ucb 、Ic采样20次， 算出有效值及对应的有功功率P1 、P2 和无功功率Q1 、Q2，再根据两表法的原理，计算出各种交流电的特征参数
39、。这种测量方法的优点是精度高、速度快。测量的有效值和平均功率一次就可以计算出来。其包含了基波和各次谐波的综合参数，真实地反应了被测信号的实际情况， 但缺点是无法将基波和其它谐波分离开来，因此不能反映电源的供电质量。另外为保证平均功率的精度必须在同一时刻对电压电流进行采样，而增加了部分硬件的投资。4.2 均方根法根据信号分析理论，周期函数f ( t ) 的傅里叶级数展开式经推导、离散处理可以得出: (5) (6) (7)式中: Akrm 、Akxm 、Akm分别是k 次谐波的实部幅值、虚部幅值和正弦波幅值。 平衡测量精度和计算工作量，在连续一个周期的时间间隔内均匀地对交流信号Uab 、Ia 、U
40、cb 、Ic进行12 次采样， 可以算出各信号基波的电压实部Uabrm 、Ucbrm 、电压虚部Uabxm 和Ucbxm 、电压幅值Uabm和Ucbm 、电流实部Iarm和Icrm 、电流虚部Iaxm和Icxm 、电流幅值Iam和Icm ，进而可以算出三相有效功率P、无功功率Q 和功率因数cos: (8) (9) (10) 用同样的方法可以算出其它谐波的特征参数。从上面的计算过程可以看出，傅里叶级数法可以计算出各次谐波的各种特征参数，计算精度较高。这对电源输出质量的分析是非常有用的。4.3傅里叶分析这种采样方法将交流电流和电压Uab 、Ia 、Ucb 、Ic先转成直流信号再送A/ D 转换器进
41、行采样，通过检测电压、电流以及两者之间的相位差，再用公式计算出三相电路的有功功率P、无功功率Q 、功率因数cos (11) (12) (13)交/ 直流变换采样计算方法的优点是运算简单、对A/ D 转换器的速度要求低、运算工作量小、对处理器的速度和性能要求也高， 电流电压测量的稳定性好；它的缺点是首先增加了交/ 直流变换环节，变换器反应速度慢（至少45 周期） 且精度不高（一般大于0. 2级），所以这种方法测量精度差、反应速度慢。 其次，由于采用过零比较器，相位差测量比较容易受到干扰，且不易被滤除。另外，相位差测量要占用较多的资源，使得这种方法不适合用于多路测量。使用商化的功率模块可以避开测量
42、相位差， 但成本提高了很多。因此这种方法只适用于要求不高的场合。4.4 基于瞬时无功理论的坐标变换其实瞬时无功理论通常也叫做坐标变换，是根据三相VSR一般数学模型的一种运算。所谓三相VSR一般数学模型就是根据三相VSR的拓扑结构，在三相静止坐标系（a,b,c）中，利用电路基本定律基尔霍夫定律对VSR所建立的一般数学模型的描述。对于静止的对称坐标系(a,b,c)中的VSR一般数学模型进行分析，可知这种VSR一般数学模型具有物理意义清晰、直观等特点，但在这种数学模型中，VSR交流侧均为时变交流量，因而不利于控制系统设计。为此可以通过坐标变化把三相静止的坐标转变为以电网基波频率同步旋转的（d,p）坐
43、标，这样经过坐标旋转过的变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量就转化为同步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统设计，三相静止坐标系中三相VSR一般数学模型进过同步旋转坐标系变换后，即转换为三相VSRdp 模型，因而瞬时无功理论也叫做dp变换。其公式如下： (14) 坐标变换器在监测时，瞬时性，快速性，以及准确性都是比较好的，因而我们采用此方法。 5 软件分析5.1 SPWM的生成SPWM技术目前已经在实际得到非常普遍的应用。经过长期的发展，大致可分成电压SPWM，电流SPWM和磁通SPWM。其中电压和电流SPWM是从电源角度出发的SPWM，而磁通SPWM则是从电动机角度出发的SPWM。 电压SPWM技术是通过生成的SPWM波信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机电源变频的一种技术。产生电压SPWM信号的方法有硬件法和软件法。其中软件法是使电路成本最低的方法，它通过实时计算来生成SPWM波。但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。DSP无疑是能满足这一要求的最理想的控制器。电压SPWM 信号实时计算需要数学模