高級(jí)電力電子反激變換器設(shè)計(jì)

1、研究生專業(yè)課程考試答題冊(cè)得分：學(xué)號(hào) 2011261691姓名 李紀(jì)波考試課程電力電子變換器設(shè)計(jì)與實(shí)踐考試日期 2012-7-1作業(yè)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電力電子變換器，負(fù)載為spwm異步步電機(jī)調(diào)速，要求：建模與主電路仿真，控制策略與系統(tǒng)仿真。第一章 三相單開關(guān)Boost PFC變換器設(shè)計(jì)三相不可控整流橋和開關(guān)器件組成的三相單開關(guān)PFC 電路拓?fù)?，由于其控制?jiǎn)單、成本低而受到人們的青睞。在這類三相PFC 中不僅不需要檢測(cè)輸入電流，而且只需用常占空比的PWM開環(huán)控制就可獲得高功率因數(shù)和低諧波電流的整流器。1.1 三相單開關(guān)Boost PFC變換器原理 圖1.1 三相單開關(guān)Boost PFC

2、變換器原理圖三相單開關(guān)Boost PFC變換器原理圖如圖1.1所示，假設(shè)三相交流輸入電壓為純正弦波，且對(duì)稱，則其表達(dá)式可為:其波形圖如圖1.2所示： 圖1.2 三相電壓圖 它主要有以下幾個(gè)工作過程：1） 開關(guān)模式一電路圖通電狀態(tài)如圖1.3所示 圖1.3 開關(guān)模式一 此時(shí)，Mosfet管導(dǎo)通，給電感充電，電感電流增大2） 開關(guān)模式二電路圖通電狀態(tài)如圖1.4所示 圖1.4 開關(guān)模式二此時(shí)，Mosfet管關(guān)斷初始階段，電感給電容充電，電感電流減小，直到A相電流為零。3） 開關(guān)模式三電路圖通電狀態(tài)如圖1.5所示 圖1.5 開關(guān)模式三此時(shí)，Mosfet管關(guān)斷中期階段，B相電感電流繼續(xù)減小，直到該相電流為

3、零。4） 開關(guān)模式四電路圖通電狀態(tài)如圖1.6所示 圖1.6 開關(guān)模式四此時(shí)，Mosfet管關(guān)斷后期階段，電感放電結(jié)束，只由電容給負(fù)載供電，接著開始下一個(gè)周期。 整個(gè)過程，三相電感電流波形圖如圖1.7所示：圖1.7 三相電感電流一周期變化PFC電路半個(gè)工頻周期內(nèi)，A相電壓與電感電流波形如圖1.8所示:圖1.8 A相電感電流變化其控制電路中只有一個(gè)電壓環(huán),輸出電壓與參考電壓的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后與固定頻率的三角波進(jìn)行比較來控制開關(guān)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)脈沖占空比的反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流側(cè)輸出電壓。1.2 三相單開關(guān)Boost PFC參數(shù)設(shè)計(jì) 1） 整流的輸入分析發(fā)電機(jī)與主電路直接相連，輸出三相電壓和頻率

4、的變化的交流電經(jīng)主電路變換成直流電。發(fā)電機(jī)輸出額定功率為1.5KW，額定電流3A，最高額定轉(zhuǎn)速1000r/min，最高額定電壓為380V。電源變換器正常工作要求發(fā)電機(jī)輸出頻率范圍：40-100Hz，輸出電壓U1范圍：250-380V。2） 直流輸出電壓的選擇直流側(cè)輸出電壓Ud不僅要滿足后級(jí)逆變對(duì)電壓的要求，而且要能保證功率因數(shù)校正電路輸入側(cè)升壓電感電流為正弦。Ud過低，一方面將會(huì)導(dǎo)致交流側(cè)電流畸變要重，甚至不能跟隨給定基準(zhǔn)電壓：另一方面，對(duì)逆變電路正常工作將會(huì)產(chǎn)生影響，直接影響電源變換器的三相恒定電壓和頻率的輸出。Ud過高，將會(huì)提高器件的耐壓定額，增加成本，也會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)的逆變

5、電路輸出線電壓為220V，考慮采用SPWM調(diào)制時(shí)可能產(chǎn)生逆變失效，所以直流母線電壓必須大于兩倍的相電壓輸出，即Ud>359.22V?？紤]系統(tǒng)帶負(fù)載及正常工作允許的壓降，確定Ud=600V。3） 整流橋的選擇在三相橋式不可控整流電路中，二極管承受的最大反向電壓為最大輸入線電壓峰值，即=537.32 V，因此其反向重復(fù)峰值電壓為1074.64 V，考慮一定裕量，則耐壓為1.6 kV。在最小輸入線電壓ULmin時(shí)，二極管承受最大電流Iamax=Po/ULmin=3.464A，考慮一定裕量，選擇額定電流為8A。5） 交流側(cè)電感選擇流過電感電流的最大值等于線路正弦波電流最大值加上疊加于該電流紋波振

6、幅的一半；其中，D為開關(guān)管的占空比，fs為開關(guān)頻率（本文取50Khz）計(jì)算得。6） 功率開關(guān)器件及續(xù)流二極管選擇在該設(shè)計(jì)中，由于開關(guān)頻率為50kHz，=1.5 kW，在最小輸入電壓時(shí)電流較大，故可采用IGBT 為主開關(guān)器件。功率開關(guān)管電流=8.48A，考慮安全裕量及工作環(huán)境因素，取2-3倍額定值，最終選擇25A。耐壓值選取2Kv。7） 穩(wěn)壓電容的選擇直流側(cè)穩(wěn)壓電容根據(jù)輸出功率、直流電壓，允許的電壓降落和輸入電壓頻率計(jì)算。=200uF第二章 SPWM逆變器設(shè)計(jì)2.1 SPWM工作原理以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和

7、期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。其中單極性波形圖如下所示：圖2.1 spwm波形圖原理當(dāng)參考電壓高于三角波電壓時(shí)，相應(yīng)輸出電壓為正電平，反之則產(chǎn)生零電平；z 負(fù)半軸是用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成；z 調(diào)制結(jié)果是產(chǎn)生等幅、不等寬的脈沖列。雙極性SPWM 調(diào)制方法和單極性相同。2.2 逆變器電路拓?fù)?按照SPWM 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM 波形的方法稱為自然采樣法。自然

8、采樣法是基本的方法，所得到的SPWM 波形很接近正弦波。但這種方法要求求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以在實(shí)時(shí)控制在線計(jì)算，因而工程實(shí)際應(yīng)用不多。逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及SPWM工作原理圖如下所示：圖2.2 逆變器主電路圖圖2.3 spwm產(chǎn)生原理圖2.3 逆變器電路參數(shù)設(shè)計(jì)1） 功率開關(guān)器件的選擇逆變器最大的電流耐壓取2-3倍的安全余量：1200V ， 12A-15A2） 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)濾波器的特性阻抗為，根據(jù)截止頻率的定義可得 ，選擇截止頻率可求得濾波電感電容值第三章 Matlab模型建立與仿真該系統(tǒng)的整體模型如下圖3.1所示,其中整個(gè)電路分為以下幾個(gè)模塊：三項(xiàng)不穩(wěn)定交流電源經(jīng)整流為直流電源，根據(jù)電機(jī)給定指令信號(hào)經(jīng)SPWM波型號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生三相全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制逆變器輸出三相電的幅值與頻率及相位，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。仿真原理圖圖3.1 系統(tǒng)仿真原理圖以下為仿真結(jié)果：1） 整流橋端電壓圖3.2 整流橋端電壓2） 異步電