（电力电子与电力传动专业论文）基于ipm的srd研究.pdf

太原埋1 人学硕士研究，l ；：位硷文 t h es t u d yo fs r db a s e do ni p m a b s t r a c t t h es w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v es y s t e mi san e wm o t o rd r i v e s y s t e m s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) h a sm a n yg o o df e a t u r e s s u c ha s s i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，l o w c o s ta n dh i g h e f f i c i e n c y s r d ，w h i c hs r m i su s e da sm a i nb o d y , h a sm e r i t so f b e r e rp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i ci n d i c a t o r i tn o to n l ya t t r a c t sm o r e a n dm o r e a t t e n t i o n ，b e c a u s e o fi t se x c e l l e n t s p e e dr e g u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ， b u ta l s o s h o w s c o m p e t i t i o n i nc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s t h ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n to ft h i s t h e s i s f i r s t l y , i t i n t r o d u c e ss t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o no fs r ds y s t e m ，r e p r e s e n t i n g o p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h es r m t h e ni ti n t r o d u c e sp o w e rc i r c u i t ， c o n t r o l l e r , c o h e r e n td e s i g na n df e a t u r e so fi p m a p a r tf r o mt h e g e n e r a li n t r o d u c t i o n ，t h i st h e s i sf o c u s e so na n8 6 ，7 ，5 k ws r m b a s e do ni p m ，s e l e c t i o np r o c e s so fi p mi si n t m d u c e di 1 1d e t a i l a n d d mi n t e r f a c ec i r c u i ti sd e s i g n e d t m s 3 2 0 f 2 4 0m a d e b yt ic o m p a n y i sa d o p t e da st h ec o r ed e v i c ef o rt h ec o n t r o l l e r , w h i c hg e n e r a t e s p w ma d j u s t e db yd i g i t a lp i a l g o r i t h m p w ms i g n a l sa n dr o t o r p o s i t i o ns i g n a l s a r ec o m b i n e dt oc o n t r o li p m t h em o d u l a r p r o g r a m m i n gi sa d o p t e di nd e s i g nt om a k et h es o u r c ec o d eu n i v e r s a l m a dr e a d a b l e f i n a l l y , t e s t sa r es u c c e s s f u l l ym a d eo nt h eb a s i so ft h e w h o l e d e s i g n 太原理1 火学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1s i 发展1 1 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，s r m ) 基本原理最早提出在 1 9 世纪4 0 年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单 可行的。1 8 4 2 年，英国的a b e r d e e n 和d a v i d s i o n 制造出了最初的s r m 模型， 但是因为当时的科技条件落后，电动机的运行特性很差。以后的1 0 0 多年 间，开关磁阻电机的发展缓慢。 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的研制投产为s r m 的研究发展提供了 重要的物质条件。1 9 7 0 年，英国l e e d s 大学步进电机研究小组首创一个开 关磁阻电机雏形，到1 9 7 2 年进一步对带半导体开关的小功率电动机 ( 1 0 w 1 k w ) 进行了研究。1 9 7 5 年有了实质性的进展，并一直发展到可以 翘5 0 k w 的电瓶汽车提供装置。1 9 8 0 年在英国成立了开关磁阻电机驱动装 置有限公司( s r dl t d ) ，专门进行s r d 系统的研究、开发和设计。1 9 8 3 年英国( s r d l t d ) 首先推出了s r d 系列产品，该产品命名为o u l t o n 。 1 9 8 4 年t a s c 驱动系统公司也推出了他们的产品，另外s r d l t d 研制了一 种适用于有轨电车的驱动系统，到1 9 8 6 年己运行5 0 0 k r n 。该产品的出现， 在电气传动界引起了不小的反响。整个系统的综合性能价格指标达到或超 过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。 美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了s r d 系统的研制工 作。在国外的应用中，s r d 一般用于牵引中例如电瓶车和电动汽车。同 时高速性能是s r d 的一个特长的方向。据报道，美国为空问技术研制了一 个2 5 0 0 0 r m i n 、9 0 k w 的高速s r d 样机。我国大约在1 9 8 5 年才开始对s r d 系统进行研究。s r d 系统的研究己被列入我国中，小型电机“八五”，“九 太原理工人学硕士研究生学位论文 五”和“十五”科研规划项目。 1 2 开关磁阻电动机的调速原理 1 2 1 开关磁阻电动机的基本结构 s r 电动机的定子和转子铁心是由硅钢片迭装的，在定子铁心内圆周和 转子铁心外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。控制器 根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令( 正 转或反转) ，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流 流过，产生磁场；s r 电机的运行原理遵循“磁场最小原理”，即磁场总是 要沿磁阻最小的路径闭合，因磁阻扭曲丽产生切向磁拉力，当定子的一相 通以激励电流时，在定、转子气隙间产生磁拉力，距离该相定子极最近的 一对转予极就被吸引而向着定予极中心线的方向转动。此时控制器根据转 子新的位置信息，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而 导通下一相，转予又会转向下一个平锸位置；这样，控制器根据相应的位 置信息按一定的控制逻辑连续的导通和关断相应的相绕组的主开关，就可 产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行；再运用 一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使 系统运行在最佳状态下。 1 2 2 开关磁阻电机的能量转化f f f 析t 1 】 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 + h 8 图1 1 四相s 6 极电机的运行原理图 f i g 1 1 s c h e m eo fs rm o t o r w o r k i n gw a y 从图1 一l 可以看出，相绕组通电时电压为u 。，其电压平衡方程式为 u s = 掣+ i r ( 1 1 ) 蹦 上式中：1 l f 相绕组磁链；i 相电流； r 相绕组电阻。 其中：1 l r 出 坐：些塑：出一d l ( 1 2 ) d td 0d td o 故 u 。= 三出d i + i v o d d l 目+ 龌 ( 1 3 ) 上式中：。转子旋转角速度： 工孚是由电流变化引起磁链变化而感应的电动势，又称变压器电 势； f 等是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电动势，又称 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 旋转电动势，它与电磁机械能量转换直接有关 垠是定子绕组压降； 按照机电能量转化定理，电机的静态转矩等于绕组磁共能w 。对机械位 置角的导数，即 m ：巫 ( 1 4 ) a 日 式中： w i n = i p ( 口，i ) d i o = c o r t s t 由上式可求得相电流产生的电磁转矩瞬时值，由于线性模式下电感与 电流无关，电磁计算公式简化为： m ：1i 2 些( 卜5 ) 从而求得m 相电机在一个通电周期的平均电磁转矩： m a = m 挣告m 。，州 由上式可以看出：1 电磁转矩的大小与绕组电流的平方成正比，这样就 可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流得到恒转 矩输出特性。2 转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上升 段通入绕组电流就会产生正向转矩，而在电感曲线的下降段通入绕组电流 会产生反向的电磁转矩。 转子位置、相电感与转矩三者之间的对应关系如图l 2 所示， 下图可分为三部分： 1 在0 0 0 1 段，电感曲线上升，磁阻转矩为电动转矩； 2 在o l e 2 段，电感维持不变，磁阻转矩为0 ； 3 在0 2 - - 0 3 段，电感曲线下降，磁阻转矩为制动转矩； 4 太原理一j ：大学硕士研究生学位论文 v 后m 沿v 子 i 厂厂丁 i 茎f ( 0 ) j l 眦 一 | | l h 0 oo 廿l oz ，s ： 勺 图1 2 转子位置相电感与转矩三者之间的对应关系 f i g i - 2 c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n a m o n g r o t o r p o s i t i o n ，嘲嘞g i n d u c t a n c ea n d t o r q u e 1 3 开关磁阻电机调速系统的组成 开关磁阻电动机调速系统( s r d ) ，是由s r 电动机、功率电路、驱动 电路、控制电路及转子位置检测器构成，如图i 一3 所示： 功率电路是由工作在开关状态的电力电子元件构成的功率变换器，它 是由直流电源( 或交流整流) 供电，输出周期性脉冲电流向s r 电机的各相 绕组按一定顺序供电，实现电能馈送给s r 电动机。由于s r 电机绕组电流 是单向的，使得功率变换器的主电路不仅结构简单，而且相绕组与主开关 元件是串连的，因而可避免直接短路故障。s r 电机功率变换器主电路的结 构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有关。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 塑塑垒望l 图1 3 开关磁阻电机调速系统的组成 f i g 1 3 s t l u c t u r eo f g r d 驱动电路是按照控制电路的逻辑控制意图，有一定规律地顺序发出驱 动信号，输给功率电路的电力电子器件，使其开通或关断。 控翩电路是根据输入量( 速度绘定) 的要求，按照电流传感器、位置 传感器的反馈信息，对s r 电动机相绕组的电压电流进行合理调节，使s r 电动机的转速与给定值趋于。致，实现对昧电机运行状态的控制，以达到 调节s r 电动机转速的目的。若控制器发出一系列控制信号，使电动机各相 主开关器件按一定的规律导通，则电动机连续按顺时针或逆时针旋转，并 输出机械能；若输出相反时序的触发信号，则电动机将反转。通过控制导 通角oo n 和关断角e 啦的大小，可以控制输出转矩的大小和方向。控制电路 是s r d 的中枢。 转子位置检测器随时检测出转子与定亍的相对位置，为控制电路提供 位置信号，以便正确控制相应稠绕组通电或断电，另外位置检测器同时检 测出s r 电动机的实际转速，将转速信号反馈给控制电路，实现速度负反馈 的闭环控制系统。 s r d 的主要优点为：s r 电机没有转子绕组，故其结构简单，成本较低； 在连接时，每一相的定子绕组必然同功率变换器的一只开关器件相串连， 6 太原理工大学硕 研宄生学位论文 所以s r d 的功率变换器不存在直流母线短路直通的问题，这样就增加了 s r d 调速系统的可靠性；s r 电机转动惯量小，雨输出转矩高；定子各相的 控制相互独立，所以当一相失控时，不会影响电机的运行。 s r d 的最大缺点是，若系统设计不当和控制方法不好，会导致电机输 出转矩脉动和噪声较大。 1 4 开关磁阻电机调速系统的应用 随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，s r d 系统已有了系列化产品，其多种功率s r d 系统在不同的工业部门和家用电 器中得到应用【2 l 。 ( 1 ) 用于龙门创床：工业上需要电动机能频繁启、停及正反转，开关 磁阻调速电动机能较好的实现。如机械工业中龙门刨床、铣床、冶金行业 的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降系统，建设工程中的沥青、 水泥混凝土系统等。 ( 2 ) 用于纺织“探边”设备：经过纺织行业的“探边”与“对中” 设备的实践使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其反 应速度小于0 3 s ，即电动机运转时，接到指令后，能在o 3 s 内实现反转， 并要求在2 4 小时内连续频繁运转，同时要求在较宽广范围内进行无级调速。 ( 3 ) 用于家用电器：将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成 为更完善新一代产品。s r d 系统具有优良的调速性能，有更高的电能机械 能转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。从而能有效的克服了变 频调速系统的弊端，使节能更为有效。一般情况下，空调均是高耗能型家 电，如果能节5 能以上，必将会获得较大的经济与社会效益。 ( 4 ) 在电动车驱动上的应用1 3 1 ：由于燃油汽车废气严重污染环境，故 发展和完善无污染的电动车是社会的必然。而发展电动车除了随车的蓄电 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 池要有高能量密封之外，再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速系 统作动力。面s r d 系统商效率、高可靠性、宽广的调速范围，卓越的启、 制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一。据有关资料报道，轻轨电 动车列车将列入我国“十五”重大科技攻关项目。 ( 5 ) 高速运行应用场合的开发：由于s r m 电动机具有坚固性和需要 相对低的开关频率，所以在叠片性能和轴承满足的条件下可作高速传动与 运行，为此，作为开发高速s r d 系统又是一个应用方向。据有关资料说明： 美国为空间技术应用研制了2 5 0 0 0 r r a i n 、9 0 k w 的高速s r d 样机，其电动 机有效材料仅为1 0k g 。 虽然s r d 系统在我国出现较晚，产业化工作滞后，它的特点目前尚未 被广大用户所了解，但由于s r d 系统具有十分优良的控制性能，从而使得 某些领域可取代现在仍广泛采用的交流变频调速系统，特别是在一些现有 调速系统难以胜任的场所发挥作用。 1 5 本课题的目钓和任务 在本课题中，对7 ，5 k w 开关磁阻电机的调速系统进行了设计，本课题 研究的主要内容如下： ( 1 ) 功率变换器的选择和i p m 在功率变换器中的应月：对于s r d 系 统而言，功率变换器的选择和主开关器件的性能影响了整个系统的性能和 成本，本文选择了具有少数器件的四相开关星点型功率变换电路，选用一 种新型的功率器件一智能功率模块( i p m ) 作为主开关器件，采用了霍耳电 流传感器( l e m ) 实对电流检测，功率变换器结构简单，运行可靠，价格 低廉。 ( 2 ) 控制器的的选择及硬件电路的设计：本文控制器的核心器件采用 t i 公司推出的面向电机控制的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 。硬件电路的 8 太原理1 一大学硕十研究生学位论文 设计主要包括：转子位置检测电路，p w m 斩波驱动电路，电流检测电路 速度显示电路和系统保护电路。 ( 3 ) 软件设计及编写调试相关程序。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章功率变换器电路设计 2 1 功率变换器的选择h 】 s l 功率变换器的作用是向开关磁阻电机相绕组输出周期性脉冲电流，驱 动电机运行并实现各种控制。所以功率变换器的设计在整个s r d 系统中占 有重要的地位，一个理想的功率变换器不但要与s r 电动机的结构相匹配， 而且要具备控制方便、成本低、效率高等特点。因此合理的选择功率变换 器是提高s r d 性能价格比的关键。 一个理想功率变换器电路形式应同时具备如下条件： 较少数量的主开关元件 可将全部电源电压加给s r 电机相绕组，即功率变换器主电路的直流 供电电压u s 与相绕组最大供电电压u m 之比最好为1 。 主开关器件的电压额定值与s r 电机额定值接近 具备快速增加相电流的能力 可通过主开关器件调制，有效地控制相电流 。当电机气隙磁链下降时，可将定子绕组储能回馈给电源 下面简要介绍几种s r d 功率变换器常用的主电路，并分析各自的优缺 点。 1 ) 双开关型功率电路 双开关型功率电路如图2 1 所示。每相有两只主开关和两只续流二极 管。 工作原理：以a 相为例。当s l 、s 4 同时导通，则电源向a 相绕组供电， 相电流方向如图中箭头所示； 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 双开关型功率电路 f i g 2 - 1p o w e rc o n v e n e ro f d o u b l e - s w i t c h 当s 1 、s 4 同时断开，则a 相将循v d i 、电源u s ，v d 4 续流。续流的 过程中a 相绕组磁场储能以电能形式回馈给向电源或向其他导通相转移， 由于电源电压反向串加于续流电路，强迫续流相很快关断，实现可靠换相； 当s l 通、s 4 断或s l 断、s 4 通，相绕组被主开关和续流二极管短接，加在绕 组两端电压为零，电流自由衰减。 双开关型功率电路的特点是： ( 1 ) 各主开关管的额定工作电压为u 。； ( 2 ) 电机绕组的额定工作电压u 。近似等于u 。，即u s u 。= l ； ( 3 ) 相电流的控制完全是独立的； ( 4 ) 适合各种相数的s r 电动机； 双开关型功率电路的主要缺点是每相需2 只主开关。 2 ) 单开关型功率电路 单开关型功率电路，如图2 2 所示。每相用一只主开关和一只续流二 极管，大电容c l 、c 2 串联后与整流桥并联，中点电位近似为u o t u s 2 。 工作原理以a 相为例：当s 1 导通，上侧电容c i 对a 相绕组放电，电 源u s 对a 相绕组供电，经下侧电容c 2 向构成回路：当s l 关断时，则a 相 电流经v d l 续流，向下侧电容c 2 充电；通常c i = c 2 ，故相绕组的额定1 。 作电压仅为电源电压的一半。 1 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 2 四相单开关型功率电路 f i g 2 - 2p o w e rc o m c e r t e ro fs i n g l e - s w i t c h 单开关型功率电路的主要优点是每相只用一只主开关。 主要缺点是： 第一，电源电压利用率低，每相绕组的电压仅为u s 2 ，末能用足开关 器件的额定电压和电源容量。 第二，这种结构的功率变换器在s r 电动机低速运行时，电容器c l ， c 2 两端电压会有较大波动，限制了系统整体性能的提高。 第三绕组关断时，续流时间长，限制了高速性能的提高； 第四，这种单开关型功率电路需要两只高压大容量电容，这也增加了 电路的成本和体积； 3 ) 公共开关型功率电路 图2 3 为三相公共开关型功率变换器的主电路，电路每相有四种工作 状态，以a 相为例：当s 通、s 1 通，电源电压加于a 相绕组，当s 断、s l 通，a 相电流经s l 、v d 续流，绕组两端电压为零，电流自由衰减：当s 断、s 、断，a 相电流循v d l 、电容c 续流，绕组中储存的磁场能量馈回电 源，绕组两端电压为一u s ；当s 通、s l 断，则v d 截止，v d i 通，相电流循 v d 和s 续流，绕组两端电压为零，电流自由衰减： 1 2 太原理t 大学硕士研究生学位论文 图2 - 3三相公共开关型主电路 f i g 2 - 3 p o w e rc o n v e r t e ro f p u b l i c - s w i t c h 公共开关型功率电路的特点是电路简单，控制方便，适合于任意相数 电机。但作为公共开关管的电力电子器件，其功率比相开关大很多，故该 种电路适合于小功率s r 电动机。 4 ) 四相开关星点电路 如图2 4 所示是四相开关星点电路。电路的特点是：采用两相通电方 式，可省去传统方案中的两个大电容，这时续流和换相的功能靠其他相绕 组的自身电感储能来实现。例如，由a b 相通电到c b 相通电的换相过程当 中，a 相关断，c 相开始导通，b 相维持导通。此时，a 相处于续流状态， b 相比c 相电流大，故中点电位增高，使a 相续流电流迅速衰减，由此实 现强迫换相。 图2 4四相开关星点电路 f i g 2 - 4 p o w e rc o n v e r t e ro f f o u rp h a s e 这种电路采用两相通电方式，而两相通电方式高速性能不佳，所以在 1 3 太原理工( 学硕士研究生学位论文 使用这种电路时要优化导通角。一种较为理想的选择是导通角为：75 。 2 2 5 0 。 本文采用的是四相开关星点型功率电路。该功率变换器为四相p w m 调 压调速s r d 的功率变换器，功率器件最少，成本最低。 2 2 主开关管选择及参数计算 s r m 电动机功率变换器主开关器件的选择与电动机的功率等级、供电 电压、峰值电流、成本等有关：另外还与主开关器件本身的开关速度、触 发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性及市场普及性有关系。 迄今为止，晶闸管( s c r ) 是使用时间最长，伏安容量最大的半导体 器件，而且价格便宜。但s c r 无自关断能力。可关断晶闸管( g t o ) 具有 普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流太，浪涌能力强和价格低：同时 又具有g t r 的一些优点，具有自关断能力、工作频率较高( 可达1 2 k h z ) ， 使用方便，由于给g t o 提供较大的反向门极电流不是件容易的事情，所以 选用可关断晶闸管作为功率电路的开关并不广泛。双极型功率晶体管 ( g t r ) 的开关频率高( 达2 5 k k ) ，具有自关断能力，在中、小容量 的s r d 中得到广泛应用。但g t r 输入阻抗小，要求驱动电路的功率很大。 功率场效应管( m o s f e t ) 是种单极型的电压控制器件，驱动功率小、 驱动电路简单、开关速度快( 可达几百k h z ) 、无二次击穿问题、安全工 作区宽、热稳定性好。适用于低电压、小功率的s r d 系统中。它的缺点是 较g t r 的通态压降大。 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 是8 0 年代出现的新型复合开关器件，是 m o s f e t 和g t r 复合而成的，它综合了m o s f e t 和g t r 的优点，具有前 者的输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有后 者的通态电压低、耐压高和承受大电流的特点，但大功率i g b t 模块需要专 1 4 太原理 ：大学硕士研究生学位论义 门的驱动电路，同时还需要用户设训各种保护电路，给i g b t 的应用带来小 便。在功率器件方面，将i g b t 功率器件，驱动电路及保护电路一体的智能 化功率开关模块( i p m ) 正逐渐取代绝缘栅双极性晶体管i g b t 。综合考虑 上述因素，本系统选用i p m 作为主开关元件。 智能功率模块( 1 n l e l l i g e n t p o w e r m o d u l e 简称i p m ) 不仅把功率器什和 驱动电路集成在一起，而且内部还集成了过压、过热、欠压等故障检测电 路，并可将监测信号送给控制电路，即使发生过载或是使用不当，也可保 证i p m 自身不受损坏。总之，i p m 正以其可靠性高，使用方便的特点赢得 越来越大的市场，尤其适合制作驱动电动机的交频器，是一种较为理想的 电力电子器件。 e 2 1i p m 的结构吲 7 1 智能功率模块 p m 是以高速、低功耗鲍功率器件i g b t 为主，同时把 优选的门极驱动电路和过流保护，短路保护，过热保护，欠压保护等多种 保护电路集成在_ 起的新型混合集成电路模块。由于门极驱动和保护回路 的电流范围不同，p m 采用两种不同的封装技术，小功率设备采用多层环 氧绝缘技术，中大功率设备采用陶瓷绝缘技术。 i p m 根据内部功率模块配置的不同可以分为四类：h 型( 内部封装一个 i g b d ，d 型( 内部封装二个i g b t ) ，c 型( 内部封装六个1 g b t ) 和r 型( 内 部封装七个i g b n 。 2 2 2i p m 自保护的特点7 j 智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 不仅把功率丌关器件 i g b t 及其驱动电路集成在一起，而且还内装有过电压，过电流和过热等故 障检测电路，并可将检测信号送到d s p 做中断处理。它由高速低工耗的管 1 5 太原理_ 大学硕士研究生学位论文 芯和优选的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使 用不当，也可以i p m 自身不受损坏。i p m 的主要特点为： 1 1 开关速度快。i p m 内的i g b t 芯片都选用高速型，而且驱动电路 紧靠1 g b t 芯片，驱动延时小，所以i p m 开关速度快。 2 1 低功耗。i p m 内部的i g b t 导通压降低，开关速度快故i p m 功 耗小。 3 1 控制电源欠压保护( u v ) ：i p m 模块使用外接直流电源+ 1 5 v 供电， 其允许电压的变化范围为1 3 5 1 6 5 v ，若直流电源电压下降到其允许的下限 值后，且超过一定时间t f o 时，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故 障信号。如果欠压时间小于t f o 时，则不发生欠压保护，不影响电路的正常 工作。 4 】过热保护：i p m 模块在靠近i g b t 芯片的绝缘基板上安装了温度传 感器，如果基板温度超过设定值( o t ) ，i p m 内部控制电路就会封锁门极驱 动并且屏蔽输八信号，保护功率设各，同时输出故障信号。直到湛瘦降到 设定的值后，i p m 才能正常工作。过热保护大多数应用于过载或散热条件 不良的情况下。 5 ) 过流保护：i p m 用带电流感应器的i g b t 芯片来连续检测功率设备 的电流，如果通过i p m 模块的电流超过设定值( o c ) ，且持续的时间超过一 定的延时时间t o f 文o c ) ，i p m 模块内部控制电路关断门极驱动，保护功率模 块，同时产生故障输出信号。如果有瞬间过电流或噪声，其时间小于延时 时间t o 行( o c ) ，过流保护不会误动作。 6 1 短路保护功能：负载短路或者系统控制器件损坏而导致短路时，i p m 的内置短路保护会保护i g b t 不受损坏。如果流过i g b t 的电流超过短路电 流的设定值时，则立刻发生短路保护，输出故障信号。为了缩短短路检测 与短路保护之问的响应时间，i p m 模块采用了实时电流控制回路( r t c ) ， 1 6 太原理l 大学硕士研究生学位论文 当短路发生时，r t c 可屏蔽除了i g b t 栅极控制电路的所有控制电路，使 响应时间缩短到l o o n s 以内，短路电流得到及时控制。 7 ) 桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效 防止上下臂同时导通。 8 ) 抗干扰能力强。优化的门级驱动与1 g b t 集成，布局合理，冗外 部驱动线；采取防静电措施。 9 ) 大大减少了元件数目。体积相应小。 2 2 3i p m 的选用 6 1 【7 l 1 选用i p m 的依据： 第一：在本系统中，电源输入为交流3 8 0 v ，经桥式整流滤波后直流电 压为5 3 7 v ，主开关管承受的电压最大值等于直流电源电压最大值，考虑到 2 倍的电压富裕量，则主开关器件的耐压定额为： u , - = 2 u s = 2x5 3 7 = 1 0 7 4 v 第二：根据i p m 的过流值确定峰值电流。 电机最大的瞬态值是： l c 僻勘2 舞x - 蒜甓 卵，吖j r 。， 其中：p ( 电机功率的额定值) = 7 5 k w ：v a c = 3 8 0 v 其余参数根据经验选择为： o l ( 变频器最大过载因数) = 1 5 ：r ( 电流脉动因数) = 1 2 0 ； t 1 ( 变频器效率) _ 9 6 ；p f ( 功率因数) = 0 7 由上式可得峰值电流： i c = 7 5 0 0 1 5 l ，4 1 4 1 2 0 ，9 6 0 7 1 7 3 3 8 0 = 4 3 2 a ； 根据i p m 的现有的市场规格选用p m 7 5 c v a l 2 0 。p m 7 5 c v a l 2 0 型号 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 的i p m 的额定电流为7 5 a ，集电极发射极( v c e s ) 电压为1 2 0 0 v ，导通输 入电压为小于等于o ，8 v ，关断输入电压为大于等于4 0 v 。 图2 5 和图2 - 6 分别为本课题所选六单元i p m 原理图和内置六个i g b t 结构图 圜2 5 内置六单元i g b t f i g 2 5s i xb u i l t - i ni g b t 图2 6 六单元i p m 原理图 f i g 2 6t h e o r yd i a g r a mo f s i xp a c ki p m s 2 i p m 的控制电路电源 1 ) p m 控制功率消耗 控制电路电流i d 与开关频率f c 有关：本课题所选的p m 7 5 c v a l 2 0 控制电流与开关频率关系为： 1 8 太原理1 一大学硕士研究生学位论文 ns i d e ps i d e ( e a c hs u p p l y ) p m 7 5 c v a l 2 0 d c ( r o a ) 2 0 i d 2 o c ( m a ) 2 0 k h z t y p em a xt y p em a x1 y p em a xr y p em a x 4 46 06 08 31 31 82 02 8 2 ) i p m 驱动电路的设计9 1 驱动电路是i p m 主电路和控制电路之间的接口，好的驱动电路设计对 装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。 i p m 对驱动电路输出电压要求： 1 、驱动电压范围是1 5 v 士1 0 ，电压低于1 3 5 v 将发生欠压保护，电压 高于1 6 5 v 将可能损坏内部部件； 2 、驱动电压相互隔离，以避免地线噪声干扰； 3 、驱动电源绝缘电压至少是2 倍i p m 极问反向耐压值( 2 v c e s ) ； 4 、驱动电流可以参阅器件给出的2 0 k h z 驱动电流要求，根据实际的开 关频率加以修正； 5 、驱动电路输出端滤波电容不能太大，这是因为当寄生电容超过1 0 0 p f 时，噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。 i p m 的供电电源1 9 1 如图2 - - 7 所示： 图2 7i p m 控制回路电源 f i g 2 7p o w e rs u p p l yf o ri p mc o n t r o lc i r c u i t 1 9 太原理_ _ ：r 大学硕士研究生学位论文 3 ) i p m 的接口电路1 6 】 接口电路的要求是低电平开通，高电平截止。h c p l 4 5 0 4 和p c 8 1 7 是 高速光耦，起到电气隔离i p m 与外部电路的作用，低速光耦可用于故障输 出和制动输入端。i p m 的控制信号c 州和故障输出信号f o 通过光耦传输。 图2 - 8 为本课题所选用的六单元口m 的接口电路图，其原理图及内置 i g b t 的结构图分别见图2 - 6 和图2 5 。其中( a ) 图中的u 、v 分别接电机 的b 、d 两相绕组，( b ) 图中u 、v 分别接电机的a 、c 两相绕组。p 、n 端接直流母线电压。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( a ) 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 m 。 i ：= 一= = 仨 w k i 诗1 1 u4 n f l甯 f 。 l “l 。l ! 一n o 2 一o i j h 一4 一j 1 9 n b 惟，j 霉r 百p “b 竺p ” i ” 岔一 p “ 号 ” 1 一* l l 要m 1 刑埘 l 五面1 订坤 膳 1 c 岬d l 土生曲。岫 4 i4 l p l “” z 瞄r ! j “l k 2 ll 剖k 叫 目。2 陛 ，i 叫：卜 h 日g r 一 j l ! l ” j l ! l - i i 生p m w 1 兰p 川 | i 。一! 三i j e _ i 2 ” 刿： 刊：瓮白 堇。 叫一m 卜 r 刊：裟b l u 一 ! 显：= w 一 班 章 p m l 旦 下厂 1l 慧毒i k _ ( b ) 太原蠼上人学硕士研究生学位论文 图2 8 六单元1 p m 接口电路 f i g 2 - 8i n t e r t h c ec i r c u i to fs i x - p a c ki p m s 其中 1 0 lv u p i 、v v p l 、v w p 卜v n l 是控制电源，外接输入典型值为+ 1 5 v 1 0 ，管脚v u 卧v v 吣v w p c 、v n c 是控制芯片的地信号，与控制部分 地信号地相接；u p 、v p 、w p 、u n 、v n 、w n 是控制信号，6 路p w m 信号 经过光耦隔离后，分别供给这些控制端子，再进一步控制6 只功率器件的 开通和关断。f o 是故障输出信号，当i p m 发生故障时，该端1 ：3 输出一低电 平信号，端1 ：3p 、n 是交频器主电路的直流侧正负电压输入端，2 2 0 v 交流 电经过整流滤波后，加在该端上，管脚u ，v ，w 是与负载相连的三相逆 变输出端，可向负载提供变频后的三相交流电，六单元i p m 共有5 个主回 路控制端( p 、n 、u 、v 、w ) ：6 个控制端，其中v u p l 、v v p l 、v w p t 分别 为u 、v 、w 相上桥臂控制电源输入的+ 端，v u 卧v v 卧v w e c 分别为u 、 v 、w 相上桥臂控制电源输入的端，u nv p 、w p 分别为u 、v 、w 相上桥 臂控制信号输入端，v n l 、v n c 为下桥臂公用控制电源输入，u n ，v n ，w n 分别为u 、v 、w 相下桥臂控制信号的输入。 2 2 4i p m 应用中的注意事项i ”1 1 ) 主电源电压范围：6 0 0 v 系列4 0 0 v 以下，1 2 0 0 v 系列8 0 0 v 以下， 主电源过电压保护的动作电压分别按4 5 0 v ，9 0 0 v 整定，由于开关时的d i d t 在i p m 内部布线的电感上会产生浪涌电压，为将浪涌电压抑制在最大值 ( 6 0 0 v 系列5 0 0 v ，1 2 0 0 v 系列1 0 0 0 v ) 以内，可在最靠近p 、n 端子安装 浪涌吸收器。 2 ) 控制电源v c e 电压范围为：1 5 v 1 0 ，制作控制电源时，应尽量 降低纹波电压，还要使电源的附加噪声降低最小，可在控制电源输出端接 1 0 u f 及0 1 u f 的滤波电容，保持电源平稳，修正线路阻抗。 3 ) 虽然i p m 内部已对外部噪声采取了相应的措施，但由于噪声的种类 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 及强度不同，也不可能完全避免误动作或损坏i g b t ，因此，对加于i p m 的 噪声，应采取足够的防范措施，如对a c 进线加噪声滤波器，加装绝缘接 地：在每相的输入信号与地( g n d ) 间加1 0 0 0 p f 的吸收电容；对于一个整 流变换器上接多个逆变器的场合，应在p 、n 主端子间加浪涌吸收器。 4 ) 过流保护及短路保护功能是以检测到的i g b t 集电极电流而动作的， 但并不检测续流二极管阳极电流，因而对续流二极管的异常电流无法保护。 除i p m 的内置保护功能外，为了使器件可靠工作，防止损坏，还应在主电 路的交，直流侧增加阻容保护和快速熔断保护。 5 ) 由于i g b t 的关断时间t o f f 的最大值为3 6 u s ，故在输入控制信号时， 应设置4 u s 的开关死区，防止在通断切换过程中同一桥臂的i g b t 同时导通。 国i p m 的内置保护功能仅针对非重复性异常现象的保护，使用时不能 长时间超过额定值，当有报警信号输出时，应马上停止输入信号，关闭机 器，由于i p m 保护动作能自动复位，应在排出故障后再启动。 7 ) 上桥臂侧仅有保护动作而无报警输出，当下桥臂出现异常时才有报 警输出，实际上大多数异常情况，如过载j 短路等最终都将通过下桥臂侧 的故障反映出来。 8 ) 电源上电时应先接通控制电源v e c ，然后再加主电源。如果先上主 电源，则可能在保护功能还未起作用时，i p m 已损坏。 9 ) 由于口m 大多数工作在p w m 信号控制的高频开关状态，且电流较 大，温度上升较快，即使有过热保护功能，但急剧的温度上升对i g b t 的安 全不利。因此，散热器的设计务必有充足的裕量保证管芯结温在额定值以 内，散热器的平整度0 + 1 0 0 u m ，粗糙度1 0 u m 以下，i g b t 工作时应配有 风扇降温。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 功率变换器的工作原理 功率电路采用四相开关星点型功率电路，功率电路如图2 - 9 所示。a 、 b 、c 、d 为s r 电动机的四相绕阻，i p m l 和i p m 2 为智能功率模块( i p m ) 。 i p m 的原理图及内置i g b t 图分另q 见图2 - 6 和图2 - 5 。其中i p m l 是用来给 a 、c 两相绕组供电的，具体方法为用图2 5 所示的u 、v 相的上桥臂供电。 i p m 2 是用来给b 、d 两相绕组供电的，具体方法为用图2 5 所示的u 、v 相的下桥臂供电。详细控制方式见图2 - 8 中的( a ) 图和( b ) 图。其中功 率开关用p w m 控制信号通过驱动电路来进行控制。为了防止三相交流电 整流后产生的瞬间过电流损坏整流桥，在主电路中串入电阻r l ，时间继电 器的常开触点k 与之并联，充电开始一定时间后，k 闭合，把电阻从主电 路中切除，电路进入正常工作。r v i 、r v 2 、r v 3 是三个压敏电阻，防止 电网出现瞬间高压而保护主回路。l l 和l 2 是两个霍尔电流传感器，由于a 、 e 两相不同时通电，故a 、c 两相共用一个传感器；b 、d 两相不同时通电， 故b 、d 两相共用一个传感器。在两口m 的p 、n 端连接的两个电容c 2 是 无极性电容，用来吸收浪涌电压的。四相绕组的工作过程为a b 、b c 、c d 、 d a 两相同时通电，循环导通工作。 1 ，歹 一p m l u lr m j。 一一一 - 一 o t 7 n 一一lj l 一二c l 一 c lui ，、- 2 ，：。、 。【绺 ， 一一一 v ( ；3 一 】l 一l = c 2 f u s e 厂、 h 图2 - 9 功率电路 f i g2 9p o w c c 订c u i t 汁鞠曲i汁雌萄+睾哥降昧奇$舛 #圣=*珲n 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 电机的控制特性【2 4 s r 电机的运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区和自然特性 区( 串励特性区) ，如图2 一l o 所示，恒转矩区的转速范围为：0 一n l ，恒 功率区的转速范围为：n l n 2 ，自然特性区的转速范围为：n z - - i i 3 ，一般的 调速区间为：o n 2 t懂特矩区 恒璃率区隼励f 摊区一 ，、 、， c c c 方式 i 阳方式 ： 1 o n s 【!t * e t - - t o n s tt q = c o n s t ， _