三相三線制Vienna整流器系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

馮興田， 崔 曉， 陶媛媛

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東青島266580）

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)的重視程度日益提高，電力裝置的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，給人們帶來(lái)諸多便利的同時(shí)，許多電力設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的污染問(wèn)題卻日益突出［1-2］。諧波污染的一個(gè)重要原因是整流器產(chǎn)生的，降低整流設(shè)備輸入電流的諧波、提升整流器的功率因數(shù)，成為電力電子應(yīng)用中的重點(diǎn)研究方向［3-4］。三相三線制Vienna整流器是一種三相三電平Boost整流器，與其他三電平整流電路相比，該結(jié)構(gòu)功率因數(shù)高、開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力低、輸入電流諧波畸變率低、應(yīng)用價(jià)值高。

本文選用一種三相三線制Vienna 整流器作為設(shè)計(jì)對(duì)象，在Matlab 環(huán)境下構(gòu)建仿真模型，進(jìn)行仿真分析；采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28035 作為控制器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件［5-7］，設(shè)計(jì)了電壓、電流采樣電路，驅(qū)動(dòng)電路以及軟起動(dòng)電路，使用碳化硅功率器件搭建了三相三線制Vienna整流器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，為便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)。

1 三相三線制Vienna整流器設(shè)計(jì)

三相三線制Vienna整流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括4 大模塊：三相維也納整流器主電路模塊、DSP控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、采樣模塊。每個(gè)模塊具有選擇性、獨(dú)立性和可移植性。學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程的鍛煉，能夠舉一反三，全面掌握電力電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

圖1 三相Vienna整流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電源模塊主要提供控制、采樣、驅(qū)動(dòng)等部分的弱電電源。采樣模塊包括直流側(cè)采樣和交流測(cè)采樣兩部分。DSP控制模塊中，采用TMS320F28035 32 bit處理器作為DSP 控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)“雙核”控制和并行計(jì)算，控制簡(jiǎn)單且節(jié)約成本。

1.1 主電路結(jié)構(gòu)

Vienna 整流器主電路模塊結(jié)構(gòu)選擇三相六開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)［8-12］。圖2 所示為本文設(shè)計(jì)的三相三線制Vienna整流器電路結(jié)構(gòu)，ea、eb、ec為三相交流電源；ia、ib、ic為網(wǎng)側(cè)三相輸入電流；L1、L2、L3是值為L(zhǎng)s的三相濾波電感；r1、r2、r3是值為r的三相濾波電阻；C1、C2是值為C的直流側(cè)電容；RL為負(fù)載電阻，其兩端電壓為直流母線電壓udc；每相由兩個(gè)反向串聯(lián)的MOSFET構(gòu)成。

1.2 采樣與驅(qū)動(dòng)

圖2 三相三線制Vienna整流器結(jié)構(gòu)

分別對(duì)直流側(cè)電容C1和C2兩端的電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)電阻分壓送入差分放大器AD8221ARMZ，得到上、下電容兩端的采樣電壓。上、下電容兩端采樣電壓之和是直流母線電壓，作為電壓外環(huán)的輸入給到控制環(huán)中。交流側(cè)輸入電壓的采樣電路與直流輸出電壓采樣類似，分別對(duì)交流側(cè)三相輸入電壓進(jìn)行采樣，將信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓送入差分放大器，得到交流側(cè)采樣相電壓。

系統(tǒng)交流側(cè)輸入電流先經(jīng)過(guò)1∶1 000 的電流互感器和采樣電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。其中電流傳感器為HO10-P，供電電源為5V。電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)LMV324 四運(yùn)算放大器得到交流側(cè)三相采樣電流值，然后將結(jié)果送到DSP進(jìn)行數(shù)字控制運(yùn)算。

驅(qū)動(dòng)電路的可靠性和穩(wěn)定性關(guān)乎整個(gè)變換器的性能，本設(shè)計(jì)中，三相Vienna 整流器每相有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管組成一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，共有6 個(gè)MOSFET，因此DSP需要產(chǎn)生6 路PWM信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路采用1EDI40I12AF的MOSFET專用門極驅(qū)動(dòng)芯片，其將DSP 產(chǎn)生的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1.3 軟起動(dòng)電路

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)起動(dòng)的瞬間，忽略線路阻抗時(shí)，直流側(cè)上、下電容的電壓會(huì)產(chǎn)生突變進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)大的沖擊電流，造成開(kāi)關(guān)器件的損壞。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖3 所示的軟起動(dòng)電路。

圖3 軟起動(dòng)電路

當(dāng)系統(tǒng)接入電源起動(dòng)時(shí)，繼電器S觸點(diǎn)斷開(kāi)，主電路可控開(kāi)關(guān)器件不工作，輸入電壓通過(guò)整流和預(yù)充電電阻對(duì)直流側(cè)上下電容充電。由于預(yù)充電電阻的存在，抑制了起動(dòng)電流的沖擊，實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)。當(dāng)直流側(cè)母線電壓達(dá)到不控整流輸出電壓值時(shí)，上位機(jī)控制繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，限流電阻被短路。

1.4 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

本文以TMS320F28035 為核心進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)數(shù)字化控制程序，能夠增加系統(tǒng)的抗干擾性能，簡(jiǎn)化繁雜的模擬電路設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包含主程序和中斷程序兩大部分。其中主程序的功能是對(duì)寄存器、參數(shù)變量、I/O端口、EPWM 模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊等進(jìn)行初始化設(shè)置。中斷程序是控制部分的核心，主要實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制功能和PWM 的調(diào)制功能，程序主要設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

2 仿真建模與分析

基于Matlab/Simulink 搭建三相三線制Vienna 整流器的電路仿真模型如圖5 所示。系統(tǒng)主要由三相Vienna整流器主電路和控制電路構(gòu)成。主電路包括網(wǎng)側(cè)三相交流電源、濾波電感、整流模塊、直流側(cè)電容和負(fù)載；控制電路包括電壓外環(huán)控制、鎖相環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制和SVPWM調(diào)制等模塊。電壓外環(huán)控制器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定，控制保證系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運(yùn)行。系統(tǒng)采用的仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 Vienna整流器程序設(shè)計(jì)流程

圖5 三相三線制Vienna整流器的電路仿真模型

表1 仿真模型參數(shù)

動(dòng)態(tài)仿真分析波形如圖6 所示，負(fù)載在0.2 s 時(shí)由半載切換為滿載。圖6（a）表示a 相輸入電源ea和輸入電流ia波形，在負(fù)載切換時(shí)輸入電流ia產(chǎn)生了微小畸變情況，但始終跟隨輸入電壓波形并達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)；圖6（b）可以看出，輸出電壓雖然udc在負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生了較小的波動(dòng)，但可以在10 ms內(nèi)恢復(fù)到給定值，輸出動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

圖6 動(dòng)態(tài)仿真波形

3 系統(tǒng)平臺(tái)搭建與實(shí)驗(yàn)

各個(gè)模塊設(shè)計(jì)完成之后，將各部分按照電氣關(guān)系進(jìn)行連接，即可構(gòu)成三相Vienna整流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖7為系統(tǒng)控制板；圖8 為三相三線制Vienna 整流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)；圖9 為三相Vienna 整流器測(cè)試平臺(tái)，主要包括三相Vienna 整流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)、示波器、直流電源和滑動(dòng)變阻器等。整流器中開(kāi)關(guān)管和整流二極管均為SiC 材質(zhì)［13］，其型號(hào)分別為TK39N60W 和APT30DQ120KG，相比于Si 材質(zhì)的元器件，更適合應(yīng)用在高頻、高壓、高溫等大功率的場(chǎng)合。此外，SiC 材質(zhì)的功率器件以其損耗小、禁帶寬度大等特性，更利于降低整體系統(tǒng)的尺寸和增大變換器的功率密度。

圖7 控制板

圖8 三相三線制Vienna整流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖9 三相Vienna整流器測(cè)試平臺(tái)

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究［14-15］。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，為了避免沖擊電流帶來(lái)的不利影響，先通過(guò)限流電阻為直流側(cè)上下電容進(jìn)行充電，即軟起動(dòng)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)波形如圖10（a）所示。可以看出直流側(cè)輸出電壓的上升過(guò)程，滿足軟起動(dòng)要求。

由于DSP 控制器的輸出信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，需要驅(qū)動(dòng)電路將PWM 信號(hào)進(jìn)行放大，為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的可行性，圖10（b）給出了驅(qū)動(dòng)電路的輸出波形，可以看出開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形良好，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)滿足要求。

圖10（c）給出了穩(wěn)態(tài)條件下，三相Vienna 整流器交流側(cè)輸入電壓電流與直流側(cè)輸出電壓的波形。從波形可以看出，輸出電壓穩(wěn)定在給定值；輸入電壓與輸入電流同相位，系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運(yùn)行，輸入電流的波形畸變率較小，波形質(zhì)量好。

圖10 三相Vienna整流器實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了三相Vienna 整流器主電路、DSP 控制、驅(qū)動(dòng)、采樣等模塊，構(gòu)建了仿真與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。該平臺(tái)通過(guò)電路設(shè)計(jì)、仿真建模分析、軟件開(kāi)發(fā)、Protel 原理圖及PCB 繪制、實(shí)驗(yàn)波形測(cè)試、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等多個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)訓(xùn)，可以讓學(xué)生得到充分的訓(xùn)練，全面掌握一個(gè)電力電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，并能夠?yàn)殡姎夤こ虒W(xué)科的研究生課程“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”提供教學(xué)服務(wù)。