6kVA三相PWM高频整流装置的研究

6kVA三相PWM高频整流装置的研究目录1.PWM桥式整流器课题研究背景2.三相PWM整流器数学模型3.三相桥式整流器控制系统设计4.PWM整流器软硬件设计说明5.仿真设计和实验结果6.总结和后续展望课题项目背景与研究意义•整流器在工业中的广泛应用•校企合作的项目背景•高频电力电子器件的发展和出现带来的意义•高频PWM整流器的研究意义•PWM桥式整流器相对于同类高频整流器的优势•目前PWM整流器的发展方向第一章：PWM桥式整流器课题研究背景本文研究的内容•常见PWM整流器的分类和运行优势•PWM整流器的数学模型建立•PWM整流器的控制系统设计•PWM整流器的硬件系统设计本文准备解决的问题•SVPWM空间矢量调制的控制设计•重复控制加模糊PI控制的系统设计•CPLD+DSP硬件平台的控制设计第一章：PWM桥式整流器课题研究背景PWM整流器的数学模型建立图2-3PWM整流器简化结构图二值逻辑函数第二章：三相PWM整流器数学模型LCRLLLeaebecRlRlRlVaVbVcV’aV’bV’cRSRSRSRsRsRSeLiLidcabcPWM整流器的数学模型建立采用的开关函数描述的三相压控整流器的一般三相静止坐标系下数学模型变量表达式为：(2-17)其中(2-19)(2-18)(2-20)(2-21)(2-22)第二章：三相PWM整流器数学模型dccbaviiiXBEAXZXLcbacbajjccbajjbcbajjaRsssssRssRssRA/1)31(00)31(00)31(00、、、、、、CLLLZ000000000000CB000010000100001TLcbaeeeeE旋转dq坐标系下的数学模型1.在三相PWM模型中，方程矩阵中输入列向量中的都是正弦变量，不利于控制系统设计。dq变换可以将基波正弦变量将转化成直流变量，从而简化了控制系统设计。图2-4PWM模型简化过程第二章：三相PWM整流器数学模型cbaeee、、三相静止坐标系模型两相静止坐标系模型两相旋转坐标系模型Clark变换Park变换旋转dq坐标系下的数学模型所以通过第一次Clark变换和第二次的PARK变换后的数学公式为：（2-27）第二章：三相PWM整流器数学模型qqqdqdddqdLqqdddcUeRiLidtdiLUeRiLidtdiLisisidtdVC23对应的控制系统方案如下图所示。图3-1控制系统方案设计概述第三章：PWM整流器的控制系统设计系统控制框架设计直接电流控制内部控制系统设计双闭环控制方式前馈解耦控制SVPWM调制控制外围调制方式设计模糊PI控制重复控制控制部分（具体逻辑）直接电流控制原理直接电流控制引入了交流侧电流反馈，系统的交流侧电流动态响应速度快，控制性能更高，对应的控制结构框图如下：图3-3直接电流控制系统结构图第三章：PWM整流器的控制系统设计空间矢量控制SaSbScdpαβuα*uβ*控制变换控制变换dpαβdpαβ相角检查iαiβeαeβγγeaebeciaibicABCidiqUdUd*+-+--iq*=0id*uq*ud*电流内环控制系统设计变换至S域的对应控制方程为：（3-5）参考其他工程因素后的控制d轴系统框图为：第三章：PWM整流器的控制系统设计dddrefiIiPqqqrefiIiPiRLsiisKKiRLsiisKK)())(()())((RLs115.1sTKsPWMssKiiiP1didrefi电压外环控制系统设计参考其他工程因素后的系统框图为：图3-8电压外环框图第三章：PWM整流器的控制系统设计Vdc*+-VdcsTVS11vPKsKvlsTcr11cos75.0mSc1iLidc++-+重复控制系统设计图3-9三相PWM整流器PI+重复控制结构图第三章：PWM整流器的控制系统设计PI控制器重复控制器阶跃等非周期控制周期控制交流电流系统)(zP)(zPI重复控制PI控制diNQzNz)(zCderfiPWM控制矢量调制算法的设计与实现第三章：PWM整流器的控制系统设计三相电压值检测输入旋转坐标系下的UαUβ坐标变换A=1A=0B=2B=0C=4C=0N=A+B+CⅠ3Ⅱ1Ⅲ5Ⅳ4Ⅴ6Ⅵ2?0U?03UU?03UU是否是是否否数值查表输出扇区值计算机的程序流程同样是分成数据变换、扇区确定、时间判断三个部分来进行设计书写，但是在时间判断和扇区判断上则使用固定频率的时间段来简化方程求解过程，以达到计算的速度要求。其对应的程序流程图如图所示。图3-10空间矢量区间选择程序流程图PWM整流器的硬件电路设计下图介绍了硬件电路的主要板块构成，包括交流侧和直流侧的电流和电压采样电路和PWM驱动电路，以及一个核心的主控板电路。图4-1三相PWM整流器软硬件设计框图第四章：PWM整流器的软硬件设计控制板与信号调理板驱动板电压采样Q1D1Q4D2Q2D3Q5D4CV0Q3D5Q6D6D5D5ACACAC电流采样电压采样电流采样硬件电路参数设计交流侧电感参数设计满足电流波动范围满足电流变化的最大变化率直流侧电容参数设计满足最大电压变动的允许值第四章：PWM整流器的软硬件设计基于RCD缓冲的硬件死区电路设计图4-2基于RCD的硬件死区电路设计图图4-5基于RCD的硬件失去控制时序图第四章：PWM整流器的软硬件设计ENBENBENBENBA1A2A3A4YA1YA2YA3YA4ENBPWMINA1A3YA1A2YA2YA374HC24474HC244D1D2C1C2U2R1R2PWMUPPWMDOWNENB12U1PWMINTVVTPWMDOWMPWMDOWMPWMUPPWMUPPWMUPPWM整流器的软件流程设计本样机采用的DSP+CPLD平台主要是为了实现系统运算环节和外部逻辑控制环节的分离工作。其中DSP负责所有数据处理环节，CPLD芯片在整个控制构架中实现的功能便是驱动控制输出、故障逻辑合并输入、控制状态输出锁存。从一定程度上来讲CPLD实现了DSP的输出执行和状态保护功能。图4-8DCP+CPLD平台的控制部分任务管理设计第四章：PWM整流器的软硬件设计DSPTMS320F28335EPM3256ATC144调理电路通讯电路12路PWM脉冲输入12路PWM输出12路PWM故障回馈3路开关量输入12路采样故障回馈12路模拟量输入12路AD采样通讯数据232数据通讯3路线电流过流报警2路线电压过压报警直流侧电流过流报警直流侧电压过压报警缺相故障输出3路限电流故障报警普通故障综合回馈严重故障综合回馈DSP主程序设计图4-9三相PWM整流器主程序设计流程图第四章：PWM整流器的软硬件设计设备通电初始化程序数组装置硬件保护状态检测硬件保护故障报警开关机信号检测正常故障关机信号开机信号外部ADC采样输入数据采集调理相续、缺相判断硬件保护故障报警不存在缺相和断相故障均值滤波存在缺相和断相故障同步旋转坐标系锁相环产生dp调制波电压外环和电流内环指令生成空间矢量调制相位计数器更新CPLD控制逻辑设计图4-12CPLD部分控制逻辑图第四章：PWM整流器的软硬件设计模糊控制流程设计图4-14模糊控制程序设计流程图第四章：PWM整流器的软硬件设计进入模糊控制子程序kkee,计算maxeek？maxeekmaxeek？maxeekkkee,量化计算maxeek？maxeekmaxeek？maxeekukkukkkuuku，同时令，并计算通过查询表得到u?maxuuk?maxuukmaxuukmaxuuk返回NNNNNNYYYYY基于均值滤波的相许判断改进算法图4-15均值滤波相许检测程序设计流程图第四章：PWM整流器的软硬件设计开始采样A(t)、B(t)、C(t)相序为正序相序为负序X(t)=A(t)*a(t)+B(t)*b(t)+C(t)*c(t)设置参考a(t)、b(t)、c(t))(1)(X)(Y0itXnttiniY(t)阈值报警否是PWM整流器仿真研究图5-1仿真模型设计图第五章：三相半桥PWM整流器的实验研究样机实物图第五章：三相半桥PWM整流器的实验研究样机实验波形第五章：三相半桥PWM整流器的实验研究样机实验结果分析图5-11a额定负载下谐波电流分析第五章：三相半桥PWM整流器的实验研究样机实验结果分析图5-12三相输入电流波形图第五章：三相半桥PWM整流器的实验研究表为三相PWM整流器的运行温升记录表，运行电压值为：Vab=397V，Vbc=397V，Vca=396V；电流值为：Ia=10.9A，Ib=10.7A，Ic=11.1A。环境温度：14.1℃。最大温升为辅助电源板温升，一小时后温度升高25°，最小温升为电容对应温度温升3.8°，主功率器件IGBT升温12.5°，concept驱动温升4.5°，电感温升为20°，满足设备长期运行的温度要求。第五章：三相半桥PWM整流器的实验研究整流部分时间9:109:4010:10IGBT21.622.326.6电感19.629.834.6电容14.616.417.9concept驱动驱动16.617.618.6辅助电源板散热片34.834.138.6DSP25.225.528.7CPLD30.334.933.4电源芯片28.631.834.8AD芯片芯片33.434.933.4内容总结完成了PWM整流器的控制系统设计搭建了PWM整流器的硬件和软件平台对PWM整流器的控制设计进行了仿真设计实现了PWM整流器的样机测试和调试工作第六章：总结和后续展望后续的展望软开关的研究和使用多电平拓扑结构的研究和使用第六章：总结和后续展望汇报完毕，请各位老师斧正，谢谢