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30kVA中频逆变电源的设计

作　者: 张文铎
导　师: 邱瑞昌
学　校: 北京交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 中频电源全桥逆变 PID 闭环控制 DSP2407
分类号: TM464
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 254次
引　用: 2次
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内容摘要

中频电源与普通的逆变电源相同,都是利用电能变换技术将市电或者电池等一次电能转换成用户所需要的二次电能的系统和装置,不同的只是中频电源输出电压的频率为中频。关于中频的定义,在不同的场合下都不一样,本文专指输出为400Hz的正弦波。这类中频电源属于特种电源的范畴,一般被广泛应用于航空航天、舰船、雷达、石油、冶金、通信交换机等领域中。早期的中频特种电源大都是采用电机机组产生的,通常由异步电动机和同步发电机构成。这种电源不仅体积大,输出电压和频率的稳定性也差,由于电源由旋转的电机组成,其机械和电磁噪音十分明显,可靠性也较低。因此,研制高集成度、高能量密度和高可靠性的静止式中频特种电源一直是人们追逐的目标,这一目标只有到现代电力电子器件和新型控制理论出现之后才有了实现的可能。本文针对400Hz中频电源系统的主电路和控制电路进行了研究和设计。SPWM逆变器是整个中频电源的核心部件。为了使逆变电源在各种负载情况下均能输出谐波含量低、稳态精度高、动态性能好的电压波形,控制方案采用了电流内环电压外环的双闭环控制,仿真表明这种控制方式能够实现设计要求。双环反馈控制方法原理清晰、易于实现、动态性能好,设计简单,可以很好地消除系统的稳态误差。为了实现三相四线制的电压输出,并且能够带不平衡负载,对多种主电路拓扑结构进行了分析和比较,最终主电路拓扑结构选用组合式三相逆变电源,在硬件上能够很好的满足设计要求。本文采用TI公司的TMS320LF2407A型DSP芯片设计了一种中频逆变电源,对电源主电路实现了全数字控制,提高了输出电压的精度和稳定度。控制算法通过软件编程实现使得系统升级方便,也便于用户根据各自的需要灵活地选择不同的控制功能。然后根据中频电源的组成和工作原理建立了其MATLAB仿真模型,在模型中通过不断调整系统中各元器件和算法参数进行调试。通过连接系统各部分仿真模型,对整个电源系统进行了仿真,并给出了系统的实验波形,验证了理论分析和数字仿真的正确性。最后,介绍了中频电源系统仿真分析软件的设计和开发过程。经实际仿真和分析,试验结果表明该仿真能够真实反映电源系统的动、静态性能,模型设计是准确的。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
1 绪论  12-18
  1.1 课题研究的意义  12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 中频电源与工频电源的区别  14-15
  1.4 技术要求与主要工作内容  15-18
    1.4.1 技术要求  15
    1.4.2 主要工作内容  15-16
    1.4.3 工作重难点  16-18
2 逆变电源设计  18-36
  2.1 系统的整体设计  18
  2.2 主电路的拓扑结构  18-23
    2.2.1 整流部分  19
    2.2.2 逆变部分  19-21
    2.2.3 单相逆变单元的选择  21-23
    2.2.4 系统主电路总体结构  23
  2.3 元器件的参数计算与选择  23-25
    2.3.1 整流电路参数计算  23-24
    2.3.2 逆变电路参数计算  24-25
  2.4 缓冲电路  25-29
    2.4.1 尖峰电压产生原理  25-26
    2.4.2 缓冲电路设计  26-29
  2.5 中间直流部分  29-33
  2.6 输出滤波电路  33-35
  2.7 本章小结  35-36
3 控制系统设计  36-54
  3.1 控制系统的硬件设计  36-41
    3.1.1 DSP最小系统设计  36-39
      3.1.1.1 TMS320F2407介绍  36-37
      3.1.1.2 DSP最小系统电源  37
      3.1.1.3 复位电路  37-38
      3.1.1.4 晶振电路  38
      3.1.1.5 ROM、RAM扩展电路  38-39
    3.1.2 电压、电流模拟信号采集电路  39
    3.1.3 模拟信号输出电路  39-40
      3.1.3.1 事件管理器模块  39-40
    3.1.4 控制板接地及隔离设计  40-41
  3.2 闭环控制策略  41-47
    3.2.1 控制方案设计  41-47
  3.3 控制系统软件设计  47-52
    3.3.1 集成开发环境CCS2介绍  47
    3.3.2 CCS2环境下开发DSP控制板  47-48
    3.3.3 SPWM的DSP实现  48-49
    3.3.4 PID控制算法设计  49
    3.3.5  49-52
      3.3.5.1 PID控制理论介绍  49-52
    3.3.6 增量式PID算法程序设计  52
  3.4 本章小结  52-54
4 辅助电路设计  54-64
  4.1 辅助开关电源设计  54-55
  4.2 驱动电路设计  55-57
    4.2.1 IGBT驱动器的选择  55
    4.2.2 门极电阻的选择  55-56
    4.2.3 驱动电路的设计  56-57
  4.3 检测电路  57-58
    4.3.2 电流检测与电压检测  57-58
  4.4 保护电路  58-60
    4.4.1 输入缺相保护电路  58
    4.4.2 过压和欠压保护电路  58-59
    4.4.3 输出保护电路  59-60
  4.5 抗干扰技术  60-61
  4.6 本章小结  61-64
5 系统仿真与实验  64-76
  5.1 SPWM仿真模型  64-69
    5.1.1 SPWM仿真波形的实现  64-66
    5.1.2 单相全桥逆变电路仿真  66-67
    5.1.3 控制方案的仿真  67-69
  5.2 系统仿真  69-72
    5.2.1 仿真参数  69
    5.2.2 仿真与结果分析  69-72
  5.3 系统试验  72-74
  5.4 本章小结  74-76
6 结论与展望  76-78
  6.1 本文主要完成的工作  76
  6.2 后续研究工作展望  76-78
参考文献  78-81
附录A  81-84
附录B  84-85
附录C  85-86
作者简历  86-88
学位论文数据集  88

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