毕业设计（论文）-小功率通用型变频器主电路、驱动电路设计与调试.doc

（二二八八年年六六月月本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书题题目目：小功率通用型变频器主电路、驱动小功率通用型变频器主电路、驱动电路设计与调试电路设计与调试学学生生姓姓名名：xxxxxx学学院院：信信息息工工程程学学院院系系别别：自自动动化化系系专专业业：自自动动化化班班级级：自自动动化化004444指指导导教教师师：xxxxxxxxxx讲讲师师内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘要交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论在交流变频调速系统中的应用，作为交流变频调速系统核心的变频器的性能也得到了飞跃性的提高，并越来越广泛地应用于工业生产和日常生活的许多领域之中。本文对通用变频器技术进行了简单的概述，对其包括的交流调速技术，变频调速技术都进行了论述。对变频器的发展进行了归纳，其中包括对与其密切相关的功率器件，控制方式以及PWM控制技术都进行了必要的说明。本文设计的通用变频器为单相输入交直交电压源型变频器。其主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路。整流电路采用单相桥式不可控整流电路，滤波电路采用电解电容滤波，逆变器是由6个IGBT构成的三相全桥式逆变器，主电路结构简单易调。驱动电路选用与IGBT配套的驱动芯片IR2103，继电器控制电路作为过流保护电路。同时配有电压、电流检测电路。对各个电路进行了参数计算以及器件选择。在设计完成之后，进行了该电路的实物焊接，并对焊接过程中出现的问题进行了分析解决。最后对电路各部分进行了调试。关键词关键词:交流变频调速；通用变频器；交流变频调速；通用变频器；IGBT；IR2103内蒙古工业大学本科毕业设计说明书AbstractACvariablefrequencycontroltechnologyisanimportantdevelopmentorientationofthetransmissionpowerofmoderntechnology.Withthepowerelectronicstechnologymicro-electronicstechnologyandmoderncontroltheoryusedinACFrequencyControlSystemtheconverterasthecoreofithasbeendramaticallyimprovedandmorewidelyusedinindustrialproductionanddailylifeinmanyareas.InthispaperwehaveasimpleoverviewtotheGeneralConvertandtheexchangeoftechnologyVVVFtechnologyisalsodiscussed.SummarizedthedevelopmentoftheConvertincludingitscloselyrelatedtothepowerdevicescontrolandPWMcontroltechnologyisalsoexplained.Inthispaperthegenericdesignforconverterofsingle-phaseisDC-AC-DCvoltageconverter.ThemaincircuitiscomposedofRectifiercircuitfiltercircuitandinvertercircuit.Rectifierdiodecircuitsusesingle-phasebridgeuncontrollablerectifiermodule.FiltercircuituseselectrolyticcapacitortofilterInverteriscomposedofsixIGBTthree-phasefull-bridgeinverter.Maincircuitsstructureissimpleandeasy.IR2103isusedasthedriveroftheIGBT.Relaycontrolcircuitisusedasprotectioncircuits.Atthesametimetherealsohavevoltagecurrentdetectioncircuit.Afterfinishthedesignthenextstepisweldingallpartsandsolveswhatismeetingintheexperiment.Finallycheckingtheallcircuits.Keywords：ACfrequencyconverter；Generalconvert；IGBT；IR2103内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目录第一章通用变频器概述.11.1交流调速技术的概况1，2.11.2变频调速技术的概况.11.3变频器的概况3.21.4变频器的应用.41.5通用变频器的发展.51.5.1关于功率器件.51.5.2关于控制方式关于PWM技术5，发展趋势展望.81.6系统硬件电路总体结构设计.9第二章主电路及保护电路工作原理.112.1主电路的工作原理.112.2驱动电路.122.3保护电路.132.3.1启动限流电路.132.3.2电流检测电压检测.162.4开关电源电路14，15.16第三章主电路及保护电路参数计算.183.1主电路参数选择.183.1.1整流二极管模块的参数计算.183.1.2滤波电容的选择.183.1.3逆变器功率器件IGBT的选择.193.2保护电路参数选择.193.2.1电流检测电路的参数计算.193.2.2开关电源变压器的参数计算14.20第四章电路板的调试.22内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4.1电路板调试注意事项.224.2电路板部分电路的检测.224.3电路板调试中存在的问题与解决.23结论.25参考文献.26谢辞.27附录1电路总图.28附录2电路实物图.29内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1第一章通用变频器概述1.1交流调速技术的概况1，2电动机按照供电电源的不同，分为直流电动机和交流电动机。由这两种电动机作为动力源的传动系统，先后于19世纪晚期诞生。众所周知，长时期以来直流电动机调速系统在调速传动领域中占有主导地位。它不仅形成了较完善的控制理论、简单的系统结构，而且有着控制方便且调速精度、调速范围、启制动性能、动态过渡过程等均很理想的优点，但它在工业应用中还有不少缺点，如：由于其复杂的电刷结构，使用环境限制的非常严格；需要经常检修和维护；与同容量的交流电机比较，直流电机结构复杂、体积大、重量大、价格高。相比之下，由于交流电机有着体积小、结构简单、坚固耐用、可用于恶劣环境中等优点，所以交流调速技术一直受到人们的密切关注。目前，从数百瓦级的家用电器到数千瓦级乃至数万瓦级的调速传动装置，可以说无所不包的都可以用交流调速传动方式来实现。交流调速传动的应用范围己经从最初的只能用风机、泵类的调速过渡到要求具有高精度、快响应等高性能指标的调速控制。从性能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置。在经过大约30年的发展后，交流调速电气传动己经上升为电气调速传动的主流。现在人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。随着电子控制器和电力电子技术的快速发展，相应的自动控制策略也有了长足的发展，在变换器的PWM控制技术方便提出了SPWM（正弦波PWM）、SVPWM(空间电压矢量PWM)方式以及各种相应的优化PWM方式。同时在控制理论上提出一系列新的控制方法使得交流调速系统不断显示出本身的优越性和巨大的社会效益，所以使得变频器交流电动机调速系统具有越来越旺盛的生命力。1.2变频调速技术的概况根据异步电机的转速公式：（1-1160(1)(1)fnnSSp内蒙古工业大学本科毕业设计说明书21）式中：同步转速；定子频率；磁极对数；1n1fp异步电动机的转差率，。S11nnSn当极对数P不变时，电机转子转速n与定子电源频率成正比，因此连续的改1f变供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。由于采用了可变频率、可调电压的交流电源向电机供电，实现了电机的转速调节，并在快速性、正反转控制和制动等方面的技术难点均得到了有效的解决之后，变频调速形成了调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，故可以方便地实现恒转矩或恒功率调速，而且它的整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，可与直流调速相媲美。随着电力半导体的发展，交流变频技术开始成熟并进入实用化，从而彻底改变了交流电动机所受的应用限制，逐渐成为了传动领域的主流。目前变频调速己成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用，随着一些新技术新理论在异步电动机变频调速中的应用，如矢量控制、无速度传感器技术等，它将向更高性能、更大容量以及智能化等方向发展。1.3变频器的概况3变频器是异步电动机变频调速的控制装置。变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。变频器种类很多，下面根据不同分类方法对其进行简单介绍。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3单相按相数分三相有环流交交变频器按环流情况分无环流方波按输出波形分正弦波电压型按储能方式分电流型交直交变频器脉幅调制按调压方式分脉宽调制1.交交变频器单相交交变频器的原理框图如图1la所示。它只有一个变换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源转换为变压变频(VVVF)的电源，因此，称为直接变频器，或称为交交变频器。图1-1交-交变频器2.交直交变频器交变频器又称为间接变频器，它是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经逆变器将直流电变成频率和电压可调的交流电。整流逆变DCACAC50Hz图1-2交-直-交变频器内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4(1)电压型变频器在电压型变频器中，整流电路产生的直流电压，通过电容进行滤波后供给逆变电路。由于采用大电容滤波，故输出电压波形比较平直，在理想情况下可以看成一个内阻为零的电压源，逆变电路输出的电压为矩形波或阶梯波。(2)电流型变频器当交直交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时电流波形比较平直，因而电源内阻很大，对负载来说基本上是一个电流源，逆变电路输出的电流为矩形波。电流型变频器适用于频繁可逆运转的变频器和大容量的变频器中。(3)根据调压方式的不同，交直交变频器又分为脉幅调制和脉宽调制两种。脉幅调制(PAM)PAM(PulseAmplitudeModulation)方式，是一种改变电压源的电压或电流源的电流的幅值进行输出控制的方式。因此，在逆变器部分只控dEdI制频率，整流器部分只控制电压或电流。脉宽调制(PWM)。PWM(PulsewidthModulation)方式，指变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。目前使用最多的是占空比按正弦规律变化的正弦波脉宽调制方式，即SPWM方式。1.4变频器的应用变频调速已被公认为最理想、最有发展前途的调速方式之一，它的应用主要在以下几个方面。1变频器在节能方面的应用风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可以达到2060，这是因为风机、泵类负载的耗电功率基本与转速的三次方成比例。当用户需要的平均流量较小时，风机、泵类采用变频调速使其转速降低，节能效果非常可观。而传统的风机、泵类采用挡板和阀门进行流量调节，电动机转速基本不变，耗电功率变化不大。目前应用较成功的有恒压供水、各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。一些家用电器，如冰箱、空调采用变频调速，也取得了很好的节能效果。2变频器在自动化系统中的应用由于变频器内置有32位或16位的微处理器，具有多种算术逻辑运算和智能控制功能。输出频率精度高达01001，还设置有完善的捡测、保护环节，因此在自动化系统中获得广泛的应用。例如，化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制等。3变频器在提高工艺水平和产品质量方面的应用变频器还可以广泛应用于传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域，它可以提高工艺水平和产品质量。减少设备的冲击和噪声，延长设备的使用寿命。使机械系统简化，操作和控制更加方使，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备的功能。1.5通用变频器的发展进入90年代，通用变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工业领域及家电产品中得到迅速推广。此时，变频技术和变频器制造已经从一般意义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵地，各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、财力，使之目前己经进入了高新技术行业。1.5.1关于功率器件变频器的主电路不论是交直交变频还是交交变频形式，都是采用电力电子器件作为开关器件。因此，电力电子器件是变频器发展的基础。第一代电力电子器件是晶闸管，晶闸管是电流控制型开关器件，只能通过门极控制其导通而不能控制其关断，所以也称为半控器件。由晶闸管组成的变频器工作频率较低，应用范围很窄。第二代电力电子器件是以门极可关断(GTO)晶闸管和电力晶体管(GTR)为代表。这两种是电流型自关断器件，可方便地实现逆变和斩波，然而，其开关频率仍然不高，一般在2kHz以下。第三代电力电子器件是以电力MOS场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表。这两种是电压型自关断器件，栅极信号功率小，其开关频率可达到20kHz以上，低压变频器的容量在380V则达到了540V；最高输出频率可达400600Hz，能对中频电动机进行调频控制。利用IGDT构成的高压(3KV63KV)变频器最大容量可达7460kW。第四代是以智能功率模块(IPM)为代表，IPM是以IGBT为开关器件，但集成有内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6驱动电路和保护电路。由IPM组成的逆变器只需对桥臂上各个IGBT提供隔离的PWM信号即可。而IPM的保护功能有过电流、短路、过电压、欠电压和过热等，还可以实现再生制动。简单的外部控制电路，使变频器的体积、重量和连线大为减少，而功能大为提高，可靠性也大为增加。1.5.2关于控制方式41Uf控制变频器Uf控制即恒压频比控制。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过保持Uf恒定使电动机获得所需的转矩特性。这种方式控制电路成本低，多用于精度要求不高的通用变频器。2SF控制变频器SF控制即转差频率控制，是在Uf控制基础上的一种改进方式。采用这种控制方式，变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调值系统。当电机稳定运行时，很小，因而很小，在这个范围内只要气隙磁通不变，异步电机转矩就ssw近似与转差频率成正比。通过控制转差频率就可以控制转矩，这就是转差频率控sw制的基本概念。转差频率控制系统的突出优点就在于频率控制环节的输入是转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的，这样，在转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步上升下降。这使得加、减速更平滑，使系统更稳定。但动态中磁通不会恒定，影响了系统实际动态性能。在频率控制环节中，偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。鉴于基本型转差频率控制系统存在的问题，学者们又提出了许多改进方案，最突出最具有革命性的方案当属矢量控制系统。3VC变频器异步电机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统（TransvectorControlSystem）或者称为VC(VectorControl)即矢量控制。该控制策略是对交流电动机一种新的控制思想和控制技术，也是异步电动机的一种理想调速方法。VC的具体做法是将异步电机的定内蒙古工业大学本科毕业设计说明书7子电流分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其相垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别予以控制。由于这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量。4DTC变频器直接转矩控制理论（DirectTorqueControl简称DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别（Identification简称ID)，通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。1.5.3关于PWM技术5，6PWM(PulseWidthModulation)，是脉宽调制型变频，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率。脉宽调制的方法很多，以调制脉冲的极性分，可分为单极性调制和双极性调制两种，以载频信号与参考信号频率之间的关系分，可分为同步调制和异步调制两种。目前，在PWM技术不断的提高过程中，SPWM技术和SVPWM技术应用最为广泛。全控型电力电子器件的出现，使得性能优越的脉宽调制(PWM)逆变电路应用日益广泛。这种电路的特点主要是：可以得到相当接近正弦波的输出电压和电流，所以也称为正弦波脉宽调制SPWM(sinusoidalPWM)。SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变其输出频率的大小。采样控制理论有这样一个结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8出响应波形基本相同。根据上述理论正弦波可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替。如图1-3所示PWM波与正弦波是等效的。各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。用同样的方法，也可以得到正弦负半周的PWM波形。完整的正弦波用等效的PWM波形表示就称为SPWM波形。因此在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，就可以准确地计算出SPWM波形各脉冲宽度和间隔。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。但这种计算非常繁琐，而且当正弦波的频率、幅值等变化时，结果还要变化。较为实用的方法是采用载波，即把希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系，且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。SPWM波形的实际应用较多。OOu0udUdUttrucuofuou图1-3PWM波形图上面介绍的变频电路控制方法着眼于输出电压正弦化，也可以是电流正弦化。然而对于三相异步电动机而言，无论控制变频电路的电压还是电流，最终目的是在内蒙古工业大学本科毕业设计说明书9电机内部的空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。按照圆形旋转磁场为目标来形成PWM控制信号，称为磁链跟踪控制。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到，所以又称为电压空间矢量PWM控制，即（SVPWM）。这种控制方法具有直流电压利用率高、电机谐波电流和转矩脉动小，电压和频率控制能同时完成以及实现简单等优点，目前以经得到广泛应用。1.5.4发展趋势展望电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，使变频器技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中体现在：1网络智能化智能化的变频器安装到系统后，不必进行那么多的功能设定，就可以方便地操作使用，有明显的工作状态显示，而且能够实现故障诊断与故障排除，甚至可以进行部件自动转换。利用互联网可以遥控监视，实现多台变频器技工艺程序联动，形成最优化的变频器综合管理控制系统。2专门化根据某一类负载的特性，有针对性地制造专门化的变频器，这不但利于对负载的电动机进行经济有效的控制，而且可以降低制造成本。例如：风机、水泵专用变频器、超重机械专用变频器、电梯控制专用变频器、张力控制专用变频器和空调专用变频器等。3一体化变频器将相关的功能部件，如参数辨识系统、PID调节器、PLC和通信单元等有选择地集成到内部组成一体化机，不仅使功能增强，系统可靠性增加，而且可有效缩小系统体积，减少外部电路的连接。据报道，现在已经研制出变频器和电动机的一体化组合机，从而使整个系统体积更小，控制更方便。4环保无公害保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。今后的变频器将更注重于节能和低公害，即尽量减少使用过程中的噪声和谐波对电网及其他电气设备的污染干扰。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书101.6系统硬件电路总体结构设计本课题要求设计通用型ACDCAC变频器主电路，驱动电路，电流、电压检测电路及保护电路。AC单相220V，50Hz输入，三相输出0-50Hz。图1-4电路总框图主电路：主要包括整流电路，滤波电路，和逆变电路三部分。分别如下：本课题为小功率变频器，输入电源为单相220V，故整流电路采用二极管单相桥式不可控整流模块将单相工频交流电整流成直流电，其价格便宜，且耐冲击电流较大；滤波电路采用电解电容滤波，将整流输出的脉动电压转化为平直的直流电压；逆变器是由6个IGBT构成的三相全桥式逆变器，把直流电变为频率可调整的三相交流电。驱动电路：选用与IGBT配套的驱动芯片IR2103。IR2103是拥有高电压，高频率，能输出高、低两路控制信号分别对相关联的两路IGBT进行控制。保护电路：保护电路主要有启动限流电路，电压、电流检测电路。电源电路：为主电路、驱动电路及其它电路提供各种幅值的电源。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书11第二章主电路及保护电路工作原理2.1主电路的工作原理在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性及稳定性直接影响整个系统的运转。因此主电路一般是由整流电路、中间直流电路和逆变器三部分组成。本课题选用的是电压型交直交变频装置对输入进去的工频电压进行调压调频。它包括不可控整流器、大电容滤波、三相电压型桥式逆变器，其电路原理图见图2-1：220V50HzUVW图2-1变频器主电路整流电路因变频器输出功率大小不同而异。小功率的，输入电源多用单相电源，整流电路为单相整流桥；功率较大的，一般用三相电源，整流电路为三相桥式整流电路。本课题属于小功率范围，因此选择单相不可控整流桥。虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率六倍的电压或电流纹波。此外，变频器逆变电路也将因为输出和载频等原因而产生纹波电压和电流，并反过来影响直流电压或电流的质量。因此，为了保证逆变电路和控制电源能够得到较高质量的直流电流或电压，必须对整流电路的输出进行平滑，以减少电压或电流的波动。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书12对电压型变频器来说，整流电路的输出为直流电压，直流中间电路则通过大容量的电容对输出电压进行平滑。而对电流型变频器来说，整流电路的输出为直流电流，直流中间电路则通过大容量电感对输出电流进行平滑。由于本课题整流电路采用PWM控制方式(由逆变器同时完成VVVF)，要求中间直流电路是电压源，所以一般采用电容器滤波。电压型变频器中用于直流中间电路的直流电容为大容量铝电解电容。要求必须在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，还要求给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而它的电容量必须较大，在本课题中使用了两个大电解电容，。2E3E当整流电路为二极管整流电路时，由于在电源接通时电容中将流过较大的充电电流(浪涌电流)，有烧坏二极管以及影响处于同一电源系统的其它装置正常工作的可能，必须采取相应措施。主回路中的压敏电阻是用来吸收交流电源侧开关引起的浪涌电压。主回路中逆变器是由开关频率高，通态电压低，耐压值高的6个IGBT组成。2.2驱动电路驱动电路驱动电路作为逆变电路的一部分，对变频器的三相输出有着巨大的影响。驱动电路是将控制电路产生的PWM信号加以隔离、放大，形成驱动各开关器件开关动作信号的电路。由于它的广泛应用，这类电路芯片的设计日益复杂化、集成化。它将逻辑电平的控制电路与可驱动多个IGBT的高低侧开关电路相连接。由于驱动电路因开关器件的不同而异，而本课题选用的开关器件是IGBT，它是电压驱动型开关器件，同时考虑到所开发的实物成本，所以我们选择了美国IR(InternationalRectifier)公司生产的型号为IR2103的2路快速IGBT驱动芯片。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书13图2-2IR2103管脚及外围电路原理图由图2-3可以看出驱动芯片IR2103可以同时驱动对称的两路IGBT工作。通过将两路PWM波分别送入HIN（高输入）端和LIN（低输入）端，同时管脚HO(高输出)端和LO（低输出）端输出两路控制信号分别送入对称两个IGBT的基极中，从而来实现对其的控制作用。在三个IR2103的同时控制之下的六个IGBT按顺序依次导通会产生出所期望的交流正弦电压。实现了直交的电压逆变过程。图2-4为对称两路输入和两路输出的时序波形。图2-3输入输出时序波形图IR2103的主要性能指标为：（1）集成了2路驱动，是一个6脚双列直插芯片。（2）上桥臂悬浮偏置电压：最大为600V；输出的最大正向峰值驱动电流：130mA；内蒙古工业大学本科毕业设计说明书14输出的最大反向峰值驱动电流：270mA；栅压范围：10V15V：开关时间：680ns150ns(典型值)；死区时间：520ns(典型值)。2.3保护电路2.3.1启动限流电路由于储能电容大，又由于启动瞬间电容器两端电压不能突变，故接入电源瞬间势必会产生很大的充电电流，didt很大，经整流桥流向滤波电容，可能使整流桥受到损坏，同时也可能使电源电压有较大幅度的下降，形成干扰。为了限制充电电流，在整流桥的输出端与储能电容之间串入一个限流电路。目前常用的限流电路大体可以分为继电器控制方式和可控硅控制方式两种。本课题设计的变频器采用的是继电器控制方式的限流电路。由于限流电阻长时间接入主电路，将会导致很大的热功率损耗；所以在滤波电容两端的电压达到一定值时，应当将其从主电路中移除。一般的方法是，利用电压检测电路来确定限流的时间。RC12007W、PD71N4007R2300K14WR31K14WNE1100uF10VR13K1WQ1NPN图2-4启动限流电路二极管D7是为了保护晶体管等驱动元器件。当图中晶体管由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在晶体管的c、e两极间，会使晶体管击穿，并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，从而避免击穿晶体管等驱动元器件。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书152.3.2电流检测10检测电路分为电压检测电路和电流检测电路。由于晶体管或二极管损坏；控制电路或驱动电路发生故障或由于干扰引起误动作；输出线接错或绝缘击穿造成短路；输出端对地短路或电机绝缘损坏等原因，变频器在运行中发生短路的可能性很大，故应有电流检测电路来实时检测系统的电流。567IC1BLPV358AGND3.3VAC27104AGNDR4712K110WR4812K110WR4512K110WIDC32184IC1ALPV358R4612K110WR4912K110WR5012K110WAGND3.3VAC291ufAGNDC281ufAGND3.3VAGNDR250.02图2-5电流检测中加法器电路和电压跟随电路内蒙古工业大学本科毕业设计说明书16R355.1K110WR3659K110WR3839K110WR42100K110WC23102IDCFAULTAR397681%R4010K110W3.3VAC22102AGND32184IC5ALM3933.3VAC211uFR415.9K110W1%C261uF567IC5BLM393D91N4148R371K110WC20104AGND3.3VAAGNDAGNDAGNDAGND3.3VAD161N4148R581K110WC33104AGNDR595.1K110W3.3VA图2-6电流检测中比较器电路电流检测的主要工作原理为：由串接在IGBT发射极上的电阻R25（0.1）对逆变后的电流进行采样。将采集到的检测电流通过电阻变换成电压信号送入加法器IC1B的正向输入端。由于经过逆变后的电压为正弦波形，幅值有正有负，比较器无法产生出所需的比较信号，因此这就要将采样信号抬高到大于零值之上。因此通过电压跟随器IC1A的作用产生一个恒定正电压值加到IC1B的正向输入端上，其幅值正好等于采样正弦波的幅值，使采样信号被抬高而保持恒大于零，从而使其能够产生所需信号。在此之后再将电流检测信号送入到比较器IC5A的同向输入端，与固定值3V做比较，大于3V则产生一个出错信号来控制DSP停止工作。2.3.3电压检测交流电压在经过单相桥式整流以及通过两个并联大电感的滤波之后，输出为平滑的直流电压，最大值可以达到交流电压的峰值311V，图中P端电压即为311V。在这之后通过三个串联的电阻将其分压从而得到一个小电压，作为检测信号送入DSP中。如果直流端电压过大，小信号超过一定值后，DSP将关闭PWM波的输出，从而降低直流电压的幅值，保护电路不过压，使其运行在正常工作状态下。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书17PAGNDC31ufAGNDR12220K1WR143.6K14WR13220K1WUDC3.246VAT400VD91N4148D81N41483.3VC2103AGND图2-7电压检测电路2.4开关电源电路14，15开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源实现了电能的高效率变换、将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高效率、高功率密度、高可靠性。由于开关电源的突出特点，开关电源更替线性电源是发展的必然趋势。现代的通用变频器大多采用开关稳压电源，因为使用开关稳压电源不但体积小，而且由于有输出电压反馈控制，可在输入电源电压大幅度变化范围(例如25%甚至更大)内使输出电压稳定，从而可以放宽欠电压整定值，使变频器运行可靠。本设计中IR2103、LM358等芯片都需要提供工作电压，这就要求设计一个通过电网供电从而得到直流+10V和+15V的开关电源。设计电路如图2-4。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书18E347uF25VC7104D3BYV26CC5222K630VR8100K1WC9104630V123456J2CON2C10104AKCEPC1NEC2501E2470uF25VD5SF12D710V12L13.3mH10VGND10E1470uF35VD4SF12GND12L23.3mHPNE51000uF35VC1110415VGNDC6104630VBP1S2S3ENUN4D5S7S8J4TNY264D615VR20260110WGNDD1415V图2-8开关电源电路由于实验要求对各芯片提供10V或者15V工作电压，因此通过将整流之后的直流电压经过DC-DC变换可以得到。DC-DC变换可以选择直流斩波变压方式，但由于这种电路结构简单斩波之后电压不够平直稳定，因此我们选择更为可靠的反激式变压器方式进行变换。反激式变压器的工作原理为：先是通过一次侧绕组把能量存储在磁芯材料中，一次侧关断后再把能量传回二次回路。反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。当开关元件导通时，二次侧二极管处于断态，一次侧绕组的电流线形增长，电感储能增加；开关元件关断后，一次侧绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过二次侧绕组和二极管向输出端释放。因此典型的变压器阻抗折算和一次、二次绕组匝数比关系不能在这里直接使用。这里的物理量主要是：能量、时间、电压。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书19第三章主电路及保护电路参数计算3.1主电路参数选择整流器的输入电压为单相工频交流电，当没加滤波电容时，单相桥式整流电路输出的平均直流电压为：（3-0.90.9220198dctUUV1）加上滤波电容后，的最大值可达到交流线电压的峰值：dcU（3-22220311dcmtUUV2）3.1.1整流二极管模块的参数计算整流二极管的选择应从电机在最大负载电流下仍能可靠工作的情况下考虑。由于本课题采用单相整流桥，整流后接入滤波电容，流过整流桥的每个二极管的电流波形近似方波，所以流过二极管的电流有效值为：（3-223011()23DmmIIdwtI3）式中，为电机最大负载电流峰值，其值一般取为电机额定电流的56倍。故二极mI管的额定电流为：（3-0.3680.36850.961.76641.57DDNmIIIA4）二极管的耐压为：（3-32220934DUV5）内蒙古工业大学本科毕业设计说明书20据此，我们选取二极管整流模块的参数为：1000V，10A，故选择型号为IN4007。3.1.2滤波电容的选择当输入单相线电压为220V时，整流输出的最大电压是311V，考虑到电压有10%的波动，则最大输出电压可达342V，因此滤波电容耐压值应在此电压之上，并有一定的安全裕度。故选取滤波电容E2，E3的是耐压值为450V。理论上，滤波电容的值越大越好，但考虑到体积成本等因素，电容值也不可能选得太大。事实上，中间直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的。根据经验，我们在实际电路中选取E2，为470uF450VE3为470uF450V。再用这两个电解电容并联构成直流滤波电路。3.1.3逆变器功率器件IGBT的选择IGBT是场控型大功率开关元件，具有自关断能力，开关速度高，所以采用IGBT可以使得逆变器结构小巧。但它热时间常数小、承受过载能力差，因此在实际应用时，应从负载最严重的情形来选择功率元件。最严重的情况是异步电机的启动电流为额定电流的(1.22)倍，且要考虑电流的峰值。IGBT的集电极电流计算公式为：CI（3-(1.22)(1.22)22220.965.43CmnI