中功率三相电压型PWM整流电路设计
摘要
随着电力电子技术的发展，整流器的发展经历了由不控整流器、相控整流器到PWM整流器的发展过程。不控整流器和相控整流器对电网注入大量谐波及无功，造成严重的电网“污染”。PWM整流器使网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，解决传统整流器的弊端，满足“绿色电能变换”潮流，因而得到了广泛的应用与研究。
本文首先概述PWM整流器，简略介绍了PWM整流器的分类。尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法是将PWM整流器分成电压型和电流型两大类。
由于本设计采用的是三相电压型PWM整流电路，所以详细分析了其主电路的拓扑结构、工作原理。并在此基础上进行直流侧电感、交流侧电容和IGBT管参数的计算。控制电路通过专门用于三相SPWM波发生和控制的集成电路芯片SA8281和单片机89C52及其外围电路来实现。控制系统中采用电压、电流双闭环控制。按典型II系统设计电压外环，其主要作用是控制三相VSR直流侧电压；按典型I系统设计电流内环，其主要作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。驱动电路采用由美国国际整流器公司生产的大功率IGBT专用的桥式电路驱动集成芯片IR2110及其外围电路来实现。通过单相桥式整流电路来设计驱动电源。保护电路主要是通过程序来实现的。具体需要设计检测电路，通过检测电路将电流信号、电压信号发送到单片机，然后单片机经过内部处理后，决定是否命令SA8281中断SPWM波的输出。
本设计最后使用ORCAD/Pspice软件对三相电压型PWM整流电路的主电路进行性能仿真。实验结果验证三相电压型PWM整流电路输出稳定的直流电压，实现了高功率因数整流，电网侧相电压、电流基本同相位，电流跟随性能好的优点。 关键词 ：PWM整流器；双闭环；ORCAD/Pspice仿真
Abstract
With the development of power electronic technology, rectifier development is experienced by uncontrollable rectifier, phase controlled rectifier to the development process of PWM rectifier. Uncontrollable rectifier and phase controlled rectifier on power grid into large harmonics and reactive power , cause serious pollution. PWM rectifier can make the net side current sine, and runs on unit power factor rectifier, solve
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the disadvantages, to meet the \green electricity transform \trend, thus obtains the widespread application and research. This paper first gives an overview of PWM rectifier, briefly introduces the classification of PWM rectifier. Although the classification methods varied, but the most basic classification method is divided into PWM rectifier voltage and current of two kinds.
Because this design is used in three-phase voltage type rectifier circuit, so a detailed analysis of the main circuit topological structure, work principle and mathematic model. And on this basis the DC side capacitor and inductor, AC side of IGBT pipe parameters calculation. Control circuit for three-phase SPWM wave through the occurrence and control of integrated circuit chip SA8281 and 89C52 MCU and its peripheral circuits to achieve. Used in the control system of voltage, electric current double closed loop control. According to the typical II system design of voltage outer loop, voltage outer loop is the primary role of DC side voltage control of three-phase VSR; according to the typical I system design of current loop, current loop is mainly used by voltage outer loop output current command current control. Driving circuit used by the United States International Rectifier company produces high-power IGBT special bridge circuit driver IC IR2110 and its peripheral circuit to realize. The single phase bridge rectifier circuit to design the driving power supply. The specific needs to design the detection circuit, the detecting circuit of current signal, voltage signal is sent to the SCM and SCM, through the internal processing, determines whether a command SA8281 interrupt PWM wave output.
This design finally uses ORCAD/Pspice software to three-phase voltage type PWM rectifier circuit performance simulation. The experimental results verify the three-phase voltage type PWM rectifier circuit to realize the high power factor rectifier, grid side phase voltage, current and phase, current tracking performance advantages. Key words: PWM rectifier; double closed loop; ORCAD/Pspice simulation
目录
前 言 ............................................................... 1 第1章 绪论 .......................................................... 2
1.1 本文设计任务 .................................................. 2
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1.2 本文设计方案 .................................................. 2 第2章 三相电压型PWM整流器原理及控制方法 ............................ 2
2.1 PWM整流器概述 ................................................ 3 2.2 三相电压型PWM整流器（VSR）分析 ............................... 3 2.3 三相电压型PWM整流器的电流控制技术 ............................ 6
2.3.1 三相VSR间接电流控制 .................................... 6 2.3.2 三相VSR直接电流控制 .................................... 6 2.4 SPWM调制波的实现 ............................................. 7
2.4.1 89C52简介 .............................................. 7 2.4.2 SA8281工作原理简介 ..................................... 8 2.4.3 SA8281各引脚功能简介 .................................... 8 2.4.4 SA8281的内部结构及工作原理分析 .......................... 9 2.5 对于三相VSR交流侧电感、直流侧电容参数选择的分析 ............. 10
2.5.1 三相VSR交流侧电感分析 ................................. 10 2.5.2 三相VSR直流侧电容分析 ................................. 12
第3章 三相电压型PWM整流电路的主电路设计 ........................... 15
3.1 主电路的拓扑结构选择 ........................................ 15 3.2 IGBT管的选型 ................................................ 15 3.3 交流侧电感设计 ............................................... 16 3.4 直流侧电容设计 ............................................... 17 3.5保护电路设计 ................................................. 18
3.5.1 交流侧过流保护 ........................................ 18 3.5.2 IGBT的保护 ............................................ 18
第4章 控制电路的设计 ............................................... 20
4.1 本设计采用的控制方式 ......................................... 20 4.2 检测电路的设计 ............................................... 20
4.2.1 直流侧电压的检测 ....................................... 20 4.2.2 交流侧过电流的检测 ..................................... 20 4.3 调制比m的确定 ............................................... 21 4.4 电流PI调节器的设计 .......................................... 21 4.5 电压PI调节器的设计 .......................................... 23
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第5章 驱动电路的设计 ............................................... 26
5.1 驱动芯片选取 ................................................. 27 5.2 驱动电路的设计 ............................................... 27 5.3 驱动电源 ..................................................... 28 第6章 软件程序结构图设计 ........................................... 29 第7章 ORCAD仿真 .................................................... 31 结 论 .............................................................. 33 致 谢 .............................................................. 34 参考文献 ............................................................ 35
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前 言
电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并且在电力系统中得到日益广泛的应用。它几乎渗透到社会的各个方面：比如交通运输、航空航天、无线电通信与电视、电力系统、冶金、石化、汽车电力电子应用技术、电话、核能利用、国防军工科技等等领域。电力电子技术在推动科学技术和经济发展以及国防建设中发挥越来越重要的作用。
电力电子技术根据用电场合而改变电能的应用方式，使得电能更好地满足当今人们的需求，并通过功能和性能的提高来产生更好的经济效益和社会效益。因此，电力电子技术又被很多人认为是电能应用的优化技术。
功率半导体开关器件性能的不断提高促进了电力电子变流技术的迅速发展，如变频器、高频开关电源、逆变电源、以及各类特种变流器等。这些变流装置在国民经济的各个领域中取得了广泛应用，给我们的衣、食、住、行带来极大的便利，但同时也造成了电力系统的严重“污染”，消耗大量的无功功率。目前常用的变流装置需要整流环节，以获得直流电压，由于整流环节很大一部分采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因此对电网产生严重的谐波污染，并且使功率因数低下。
当今世界正面临能源、环境保护的双重压力，因此促使人们在电力电子技术的发展中探索一条“绿色”之路。对于变流装置，“绿色”电能具有电网无谐波污染、单位功率因数，以及功率控制系统的高性能、高稳定性、高效率等传统变流装置所不具备的优越性能。
PWM整流器因其具有高功率因数、四象限运行，低谐波污染等优点，越来越受到广泛的应用。而且进一步研究表明，由于PWM整流器的网侧电流及功率因数均可控，因而被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。当今，通过变流装置处理再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比值，已经成为衡量国家技术进步的主要标准之一。据统计，二十世纪末期，美国发电站生产的电能40%以上都需要经过变换和处理后才供负载使用的。并且预计到21世纪二、三十年代，美国发电站生产的所有电能都将经过变流装置的变换和处理后供用户使用。
由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，这一特性使PWM整流器控制技术及其应用获得进一步的发展和拓宽，渗透到了其它众多领域，如：静止无功补偿（SVG），有源电力滤波（APF），统一潮流控制（UPFC），超导储能（SMES），高压直流输电（HVDC），电气传动（ED），新型UPS太阳能，网通等可再生能源的并网发电等。
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