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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：李**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：廣東 上傳時(shí)間：2023-11-14 格式：DOCX 頁數(shù)：4 大小：40.12KB 積分：12 舉報(bào) 版權(quán)申訴

大功率電能質(zhì)量信號發(fā)生裝置的交-直-交拓?fù)?/p>

0用電質(zhì)量信號發(fā)生裝置研究隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在我國長距離制造、信息、計(jì)算機(jī)、通信等行業(yè)存在著大量的智能、精細(xì)、復(fù)雜的電子設(shè)備和控制設(shè)備，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)機(jī)床、直線等。這些設(shè)備對于電能質(zhì)量問題比傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備更加敏感。當(dāng)電源電壓發(fā)生畸變,如跌落、閃變、諧波等問題時(shí)會(huì)給這些行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國因?yàn)殡娔苜|(zhì)量問題所帶來的損失一年超過500億美元。因此,國內(nèi)外學(xué)者對電能質(zhì)量問題進(jìn)行了大量的研究。然而,目前的研究主要集中在對電能質(zhì)量問題的檢測、分析、評估、治理方面,對用電設(shè)備的電能質(zhì)量敏感度研究還沒有引起足夠的重視,這方面的研究成果較少。如能對其進(jìn)行深入研究,并改善用電設(shè)備的電能質(zhì)量敏感度,將可以大量減少電能質(zhì)量問題所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。開展用電設(shè)備的電能質(zhì)量敏感度研究需要能夠產(chǎn)生各類電能質(zhì)量問題的大功率電能質(zhì)量信號發(fā)生裝置?，F(xiàn)有設(shè)備存在結(jié)構(gòu)笨重、功能單一、輸出精度不高、輸出功率小、缺乏智能化、通用性差的缺點(diǎn),因此,缺乏合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也制約了當(dāng)前的研究工作。目前,對電能質(zhì)量信號發(fā)生裝置的研究主要包括以下內(nèi)容:1)大多用線性功放產(chǎn)生電能質(zhì)量信號,采用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的較少;2)主要研究控制技術(shù)方面,功率電路設(shè)計(jì)涉及較少;3)逆變輸出的信號主要以正弦波為研究對象,涉及具有突變特點(diǎn)的信號較少;4)三相AC-DC-AC電路直流特點(diǎn)研究較多,單相AC-DC-AC電路直流側(cè)電壓特點(diǎn)研究較少。計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展為研制新型的電能質(zhì)量信號發(fā)生裝置提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文針對電能質(zhì)量信號發(fā)生裝置的特點(diǎn),結(jié)合控制策略,進(jìn)行了軟件、功率電路設(shè)計(jì),推導(dǎo)了直流電壓的數(shù)學(xué)模型用于指導(dǎo)直流側(cè)電容設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心,大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)作為開關(guān)器件研制了試驗(yàn)樣機(jī),并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。1特性硬件設(shè)計(jì)如圖1所示,樣機(jī)采用雙脈寬調(diào)制(PWM)結(jié)構(gòu),以DSP作為控制核心,由輔助電路、觸發(fā)電路、采樣電路、功率器件、直流電容、濾波器等構(gòu)成電路硬件。整流側(cè)控制實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制和保持直流電壓恒定的功能,采用電流滯環(huán)控制。逆變側(cè)采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制,用來產(chǎn)生各類電能質(zhì)量信號。2硬件設(shè)計(jì)2.1壓電下限值的確定整流側(cè)采用電流滯環(huán)控制,電感設(shè)計(jì)按照以下方法確定:電流過零附近的開關(guān)頻率最高,電感大小必須能夠保證跟隨參考電流的需要,從而確定電感的上限值,圖2為電流過零處一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的波形;在電流峰值附近的開關(guān)頻率較低,電流的諧波成分增多,需要依靠電感來抑制諧波,從而得到電感的下限值。圖3為電流峰值處一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的波形。其中,i*為參考電流。電感上限值確定如下。根據(jù)圖1寫出如下方程:式中:T為開關(guān)周期;Ed為直流電壓。電流過零附近,要使一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)實(shí)際電流i能夠跟隨參考電流i*的變化,即要求直線ab的斜率不小于直線oc的斜率,即經(jīng)推導(dǎo)可得,整流側(cè)為單位功率因數(shù)控制時(shí),輸人電感值的上限為:電感下限值確定如下。為使電流脈動(dòng)最小,在電流峰值附近應(yīng)當(dāng)有|△i1|=|△i2|,單位功率因數(shù)控制使得此時(shí)電壓也在峰值附近,有為抑制電流脈動(dòng),使最大脈動(dòng)幅值為△imax,將以上條件代入式(1),電感必須滿足下式:電感取值在介于式(4)和式(6)決定的值之間可以滿足要求。2.2信號覆蓋物電能質(zhì)量信號范圍不局限于簡單正弦波,還包括許多非正弦信號。普通正弦信號變化率相對而言不大,按照余弦規(guī)律變化,沒有變化率突變的點(diǎn)。而有些電能質(zhì)量信號會(huì)出現(xiàn)陡峭的上升或下降沿,如形成電壓凹陷、尖峰等信號;電能質(zhì)量信號包括很多不規(guī)則的信號,這些信號含有很多的諧波成分,要求很寬的頻域才能滿足要求,輸出濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)必須與之適應(yīng),因此可以根據(jù)輸出頻率特性采用低通濾波器。濾波器截止頻率的設(shè)計(jì)必須能夠保證通過高次諧波頻率,并考慮裕度和偏差。如果需要通過15次諧波,截止頻率必須大于750Hz,考慮裕度后可以選擇1000Hz以上的截止頻率。然后,根據(jù)截止頻率計(jì)算相應(yīng)參數(shù)。2.3含諧波時(shí)電壓波動(dòng)的仿真分析直流側(cè)電容的取值與直流電壓密切相關(guān),通過瞬時(shí)功率平衡原理建立方程,可以推導(dǎo)出直流電壓與直流電容之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型,該模型可以指導(dǎo)直流電容及電路其他參數(shù)的設(shè)計(jì)?？紤]輸入輸出電壓電流都含有諧波的情況,電壓電流的表達(dá)式如下:對于某次諧波不存在時(shí),可以令其幅值為0。根據(jù)瞬時(shí)功率平衡的理論,建立瞬時(shí)功率平衡方程,參見圖4得:式中:限于篇幅,直接給出解此方程的結(jié)果如下:Ps-Pu為輸入、輸出功率之差,為直流電容充電到控制電壓目標(biāo)值所需功率,在控制過程中是變量;當(dāng)直流電壓到達(dá)控制目標(biāo)穩(wěn)定后,此時(shí)ps-pu為0,Ed即為控制目標(biāo)電壓的平方值,此時(shí)式(10)可以表示為:當(dāng)輸入和輸出均為基波且直流電壓到達(dá)穩(wěn)態(tài)后:式中:K,λ為常數(shù)。通過對式(10)、式(11)的分析可得,輸入輸出量中含有諧波時(shí),電壓脈動(dòng)特點(diǎn)與只有基波時(shí)不同,由于通?；ú糠肿畲?就脈動(dòng)幅值而言,兩者基本相同,諧波主要影響脈動(dòng)的波形,使之發(fā)生畸變。圖5為輸出電壓包含諧波的仿真結(jié)果,其中Ut為輸出電壓。從圖中可以看出,諧波主要影響脈動(dòng)波形,對脈動(dòng)幅值影響不大,這可以從物理意義上給出解釋,因?yàn)橹C波主要產(chǎn)生無功分量,不會(huì)對直流電壓的幅值產(chǎn)生過大的影響。基于以上分析和仿真結(jié)果,在設(shè)計(jì)直流電容時(shí)可以按照只有基波的情況進(jìn)行計(jì)算,得到的電容值同樣滿足含諧波時(shí)的電路工作要求。對于波動(dòng),考慮如下的實(shí)際可能情況:在工作時(shí)發(fā)生電源電壓的突然變化,由于輸入電感的作用和控制時(shí)滯,此時(shí)直流側(cè)功率不平衡,導(dǎo)致直流電壓迅速上升或下降,因此在控制調(diào)節(jié)起作用前,直流電容必須能夠保證電壓波動(dòng)不超過允許值。設(shè)在波動(dòng)開始時(shí)刻直流電壓為ue,調(diào)節(jié)時(shí)間為△t,功率差值為△p,則設(shè)允許電壓波動(dòng)范圍為△u,達(dá)到功率平衡所需的調(diào)節(jié)時(shí)間為△t,則電壓脈動(dòng)幅值相對于電壓波動(dòng)很小,滿足電壓波動(dòng)的電容值也能滿足抑制電壓脈動(dòng)的需要,式(14)表明電壓的波動(dòng)程度與電壓調(diào)節(jié)速度密切相關(guān),選擇響應(yīng)速度快的整流控制策略能有效抑制直流電壓的波動(dòng)。3功率開關(guān)器件試驗(yàn)樣機(jī)容量為4.4kVA,交流側(cè)額定電壓為220V。選擇TMS3202407ADSP作為控制核心、智能化功率模塊(IPM)作為功率開關(guān)器件,型號為PM50RSK060,額定電流有效值20A,最高開關(guān)頻率可達(dá)16kHz～20kHz。3.1單位個(gè)數(shù)回流圖6所示為整流側(cè)輸入電流和輸入電源電壓波形,可以看到2個(gè)波形相位上基本保持一致,而且輸入電流基本為正弦波,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流。為保證實(shí)驗(yàn)的安全,交流電源前面經(jīng)過隔離變壓器和調(diào)壓器2級設(shè)備,因此等效電源的阻抗較大,導(dǎo)致實(shí)際電源容量不夠,電源電壓波形受到滯環(huán)電流波形影響發(fā)生畸變。3.2試驗(yàn)是什么參考波形由程序內(nèi)部調(diào)用函數(shù)生成。當(dāng)選定參考波形的類型和參數(shù)后,相應(yīng)的函數(shù)被調(diào)用,按照給定的參數(shù)生成參考波形數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中,用于控制和計(jì)算。參考波形實(shí)際上是存放在數(shù)組中的一系列數(shù)字。圖7～圖10分別為電壓產(chǎn)生持續(xù)80ms的短時(shí)中斷、波動(dòng)頻率10Hz及幅值變化15%的閃變、持續(xù)2ms及下降幅值為40%的凹陷、疊加了15%和10%的5次、7次諧波的實(shí)驗(yàn)波形。從圖7～圖9可以看到設(shè)計(jì)的試驗(yàn)樣機(jī)可以模擬電壓的短時(shí)中斷、閃變和凹陷。圖10(a)試驗(yàn)樣機(jī)輸出包含5次、7次電壓諧波的波形;圖10(b)是輸出電壓的頻譜圖,可以看到除了基波電壓外,還包含5次、7次電壓諧波。因此,從實(shí)驗(yàn)波形可見,本文提出的控制策略和電路設(shè)計(jì)是正確有效的,能夠滿足輸出電能質(zhì)量信號的要求。4直流側(cè)電壓模型電能質(zhì)量信號發(fā)生裝置的功率電路設(shè)計(jì)需要結(jié)合實(shí)際的控制策略、