（电力电子与电力传动专业论文）基于hef4752的三相正弦逆变电源设计.pdf

p u 川人学坝i j 学位论史【2 0 0 5 ) t h e d e s i g no f t h r e e p h a s es i n u s o i d a li n v e r t e r p o w e r s u p p l yb a s e do nh e f 4 7 5 2 p o w e re l e c t r o n i c s & e l e t r i ed r i v e 8 p o s t g l a d u a t et a n gj i a n h u as u p e r v i s o rz h a n g d a i r u n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y ，p o w e rs u p p l yb e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti nw o r k ，l i f ea n de d u c a t i o n m o d e r np o w e rt e c h n o l o g yi sai n t e r s e c t s u b j e c tw h i c hs y n t h e s i z e ss u c hs u b j e c t sa ss e m i c o n d u c t o r ，a u t o - c o n t r o l ，c o m p u t e r a n de l e c t r o - m a g n e t i s m i tp l a y sak e yr o l ei na l lk i n d so fh i g hq u a l i t y ，e f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t yp o w e rs u p p l y s t e a d yv o l t a g ep o w m s u p p l yo fm o d e r ns w i t c h i n gh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n m a n yf i e l d s ，s u c ha sd cp o w e l 4s u p p l y ，a cp o w e rs u p p l y ，i n d u s t r yp o w e rs u p p l y ， c o m p u t e rp o w e rs u p p l y ，u p sp o w e rs u p p l y ，p o w e rs u p p l yo f m e d i c a lt r e a t m e n ta n d l i g h t i n g ，h i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yo fr a d a r ，p o w e rs u p p l yo fs o u n da n dv i d e o f r e q u e n c ya n ds oo i l o nw h i c ht h ei n v e r t m li sw i d e l ya p p l i e di nt h ep o w e rm o t o r d r i v es y s t e ma l l dd e v e l o p sm o r ea n dm o r ef a s t b a s e do nt i r ec o n s i d e r a t i o no fs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w c o s t ，t h es i n u s o i d a lp u l s e w i d t hm o d u l a t i o ni n v e r t e rd e s c r i b e di nt h i sp a p e rm a i n l y u s et h ei n t e 9 1 a t e dc h i po fi1 e t ? 4 7 5 2t og e n e r a t es p w m s i g n a l sw h i c ha r ei s o l a t e d w i t h a t o p t o c o u p l e l a n d t h e nt od r i v et h e3 p h a s e i n v e r t e l t h e nt h es p w m w a v e f o r m st h a th a v eh i g hv o l t a g e sa r e s i n u s o i d a la cs i g n a l sa n da r es u p p l i e dt o g e n e r a t e d ，t h o u g hf i l t e r s w h i c hb e c o m e l o a d ss o ，t h ef r e q u e n c yo ft h es i n u s o i d a l a cs i g n a l sc h a n g e sw i t ht i l ev a l l a b i l i t yo ft h es p w mw a v e f o r m s f r e q u e n c y t h i s p a p m d e t a i l e d l 3 d e s c r i b e si t s w o i kc o l l l s eo ft h ei n v e l t e l p o w e rs u p p l ya n dt e s t si t s f e a s i b i l i t ya n ds t a b i l i t yw i t he x p e r i m e n t s 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 1 、概述 1 1 电气传动在国内外的发展概况 电气传动是指以各类电动机为动力的传动装置与系统。因电动机种类的不 同，有直流电动机传动、交流电动机传动、步进电动机传动、伺服电动机传动 等等。众所周知，直流电动机尽管比交流电动机结构复杂、成本较高、维修 保养费用较贵，但其调速性能很好，所以，在调速传动领域中一直占据主导地 位。然而，由于电力电子技术的迅速发展，使电气传动发生了重大的变革，即 交流调速传动迅猛发展，电气传动交流化的新时代已经到来“。 交流电动机与直流电动机相比，有结构简单、牢固、成本低廉等许多优点， 缺点是调速困难。现在，借助于龟力电子技术已经很好的解决了交流电动机调 速问题，所以交流调速传动已进入与直流调速传动相媲美、相竞争并逐渐占据 主导地位的时代“1 。据日本早年统计，1 9 7 5 年销售的交流调速装置与直流调速 装置之比为1 ：3 ，而到了1 9 8 5 年，反了过来，成为3 ：1 。这种趋势，近l o 多年 来发展更快了。2 0 世纪术，在工业发达国家，交流调速就已占据主导地位“1 。 纵观交流调速传动发展的过程，大致是沿着三个方向发展的：一个是取代 直流调速实现少维修、省力化为目标的高性能交流调速；另一个是以节能为目 的的，改恒速为调速，适用于风机、泵类、压缩机等通用机械的交流调速：第 三个是直流调速难以实现的特大容量、高电压、极高转速领域的交流调速“。1 。 交流调速方式是按交流电动机转速公式建立的。对于同步电动机、磁阻式 电动机等，其转速为： ：60f(1-n 1 1 、 = 一 1 p 式中p 为电动机极对数； 厂为定子电源频率( h z ) 。 而对于笼型或绕线转子异步电动机，其转速为 疗= 6 0 f ( 1 一s ) l p( 1 - 2 ) 式中s 为转差率。 因此，原则上讲，改变极对数p ，改变转差率s 和调节频率厂都可以调速， 1 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 能调频调速：而对于异步电动机，以上三种方法虽均可以采用，但是变极调速 是有级调速，而改变转差率j 为目的的各种调速方法，如定予调压调速、电磁 调速、转子变电阻调速都是耗能型调速方法，只有变频调速是最为理想的调速 方法。近代，借助于电力电子技术，许多种新的调速方法得到了迅速的发展， 诸如串级调速、双馈电动机变频调速、无换向器电动机、交流步迸传动系统、 交流伺服系统等。这些新的交流调速方法，各有不同的特点，不同的应用领域， 不同的发展因缘、过程与前景。但是，串级调速与双馈电动机是使用传统的绕 线转子异步电动机，转子绕组需由集电环引出，有电刷与集电环的电接触问题： 无换向器电动机是同步电机结构，除小功率无换向器电动机，转子为永磁式， 甚至不需要转子位置检测器外，一般，大功率无换向器电动机不但有电刷与集 电环的电接触问题而且还要增加转子位置检测装置：至于步进电动机和交流 伺服系统是有特殊结构的特殊机种，应用范围也小。在电力电网中应用最普遍 的是标准系列的普通笼型异步电动机和同步电动机。这些电动机使用变频器进 行变频调速是最为合理的。因此，变频调速是交流调速中最为理想、最有发展 前途，发展最快的一种方法n ”。 1 2 变频技术的发展 纵观变频技术的发展其中主要是以电力电子器件的发展为基础的。第一 代以晶体管为代表的电力电子器件出现于2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 6 年贝尔实验室 发明了晶体管，1 9 5 8 年通用电气公司推出商品化产品“。它主要是电流控制型 开关器件，以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通而不能自 关断。 第二代电力电子器件以电力晶体管( g t r ) 和门极关断( g t o ) 晶闸管为代 表，在2 0 世纪6 0 年代发展起来。它是一种电流型自关断的电力电子器件，可 方便的实现变频、逆变和斩波，其开关频率只有l 5 k h z “”。 第三代电力电子器件以双极性绝缘栅晶体管( i g b t ) 和电力场效应管 ( m o s f e t ) 为代表，在2 0 世纪7 0 年代开始应用。它是一种( 场控) 型自关断 的电力电子器件，具有在任意时刻用基极( 栅极、门级) 信号控制导通和关断 的功能。其开关频率达到了2 0 k h z 以上，以电气设备的高频化、高效化、小型 化创造了条件“1 1 。 2 塑型查兰塑圭兰竺笙兰! ! ! 竖： 第四代电力电子器件，有出现于2 0 世纪8 0 年代末的智能化功率集成电路 ( p l c ) 和2 0 世纪9 0 年代的智能功率模块( i p m ) 、集成门级换流晶体管( i g c t ) 。 它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能化及功率集成电路的大规 模化，包括了逻辑控制、功率保护、传感及测量等电路功能1 。 经过4 0 多年的发展。电力电子技术已成为一门包括交流电路、电力电子器 件、计算机辅助设计、模拟电子学和数字电子学、微型计算机、控制理论、超 小规模集成电路、高频技术和电磁兼容等多学科的边沿技术“。正在向着高电 压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化的方向发展。 应用了脉宽调制( p w m ) 、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电动机矢量 控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等技术。被广泛的应用在变频技 术中，而变频技术应用最广的是变频器，通用变频器有以下五个发展趋势“： ( 1 ) 数控化。采用新型电脑控制，例如日本富士公司生产的大于等于3 0 k w 的变频器，采用两个1 6 位c p u ，一个用于转矩计算，另一个用于数据处理，实 现了转矩限定、转差补偿控制、瞬时停电的平服恢复、自动加减速控制及故障 自诊断等。对于小于等于2 2 k w 变频器采用一个3 2 位数字信号处理器( d s p ) ， 提高了计算、检测和响应的速度，扩充和加强了其处理功能。 ( 2 ) 高频化。为适应纺织和精密机械等更多领域的高速需求，变频器的频 率已由过去的o 1 2 0 h z ，发展到4 0 0 h z ，目前已提高到6 0 0 1 0 0 0 h z 以上。 ( 3 ) 数显化。由过去的指示灯、发光二极管、领导数码管，发展到目前的 液晶显示( l c d ) ，显示行数有1 、2 、3 、4 行等。 ( 4 ) 高集成化。提高集成片技术及采用表面贴片技术，使装置的容量体积 比得到进一步提高。 ( 5 ) 强化适应性。允许环境温度由过去普遍的o 4 0 扩展一l o + 5 0 。 允许相对湿度也由过去的8 0 提高到9 0 以上。有些户外场合，特别是军事部门 都提出了全温度要求。 总之，变频技术的发展趋势是朝着高度集成化、采用表面安装技术、转矩 控制高性能化、保护功能健全、操作简便化、驱动低嘈声化、高可靠性、低成 本和小型化的方向发展的。 3 门1 人学埘卜学位论史l 2 0 0 5j 1 3 变频调速的综合运用 变频技术的应用可以分为两大类：一种是用于传动调速；另一种是用于各 种静止电源。而变频器最为典型的应用是以各种机械的节能为目的“。 1 3 1 变频技术在照明和电源设备上的应用 应用变频技术的目的之一是节能。我国重点实施的“绿色照明工程”中， 变频电子节能幻是主要推广项目，其 ：作频率高达2 0 5 0 k l l z 以上。高频镇流 器的内耗一般在1 w 左右，而电感镇流器却高达8 w 左右，仅镇流器一项即可节 电2 0 ，再配上稀土三基色赢效荧光灯，取代普通的白炽灯可节电6 0 8 0 ； 取代普通的荧光灯可节电2 5 5 0 “。 1 3 2 变频技术在空调设备上的应用 空渊现被j 泛的应卅。空渊电动机一般为3 8 0 v 、1 5 - - 5 5 k w 。作为建筑物重 要的l c - i 1 i 5 ； 街，空渊风机采用变频涧速已是大势所趋。采用变转矩变频器，即 可满足空调的斋要，且司+ 节电3 0 4 6 0 ，又延长了空调机的寿命。再加上温湿 度传感器和微机闭环控制，成为现代化的空调室。而小型空调器数量最大，应 用面广，多为单向电动机驱动，故效率低，又笨重。后又采用微机三相电动机， 与相同功率小乜动机比，体积和重量可减小3 0 - - 5 0 左右。变频器可由三相 供 u ，也r t 九i i 三州输入、三相输f ： 【1 一。 133 变频调速在机床设备上的应用 变频调速被广泛应用在数控机床、车床和磨床上，能缩短加工周期，提高 产r 锗质量，述艘的没定也更容易实现，速度的再现性和速度的跟踪性也大大提 高，操f 11 也必简他。 134 变频技术在电梯设备上的应用 电梯是”种垂直运输工具，它在运行中不但具有动能，而且具有势能。它 经常处在正反转、反复起制动过程中。对于载重大、速度高的电梯来说，提高 运行效率、：1 ，约r 1 能是重点要解决的问题。 1 9 8 3 年第。台变压变步员r 1 2 t ：, t ：诞生，一日i f i 完全达到直流电梯的水平。它具有 体积小、重量轻、效率高、节省电能等一系列优点，是现代化电梯理想的电力 驱动系统。 9 8 9 年诞生了第一台交流直线电动机变频驱动电梯，它取消了电梯的机 房，对f u 梯f i , j , f l ；- 统技术作了噩大的革新使电梯技术进入了一个崭新的时期。 4 翌型查兰堡：! 兰垡笙苎! ! 竺! ： 1 3 5 变频技术在生产线中的应用 变频技术应用在胶片生产线中不但使得传动系统的维护性大幅度改善，而 且使同步性及负载分配的控制性高性能化，使维护工作大大简化。 同时变频技术还应用在喷涂生产线的吸排气装置中，提高了喷涂的质量， 降低了喷涂表面粗糙度，大幅度削减了电能的损耗，达到了节能的目的“”。 1 3 6 变频技术在教学实验设备中的应用 目前我国各大中专院校在化学实验过程中产生了大量的酸碱有害气体，为 保护师生身心健康，美化教学环境，有的学校采用了塑料离心通风机将这些有 毒气体排出教室。而以前的调速控制系统采用励磁调速电动机，达不到通风要 求的额定转速，使得性能大为降低。应用交流变频调速技术后，由于其安装方 便操作简单，且具有机械特性硬、调速范围宽、精度高和效率高等优点，又容 易实现闭环自控，成为交流电动机最理想的无级调速方法。 1 4 本文所做的工作 本文在分析电气传动的发展概况、变频调制技术的发展前景及其优越性的 基础上，设计了一套变频调速系统。所做的工作如下： 1 ) 主回路设计：选用不可控整流模块6 r i i o o e 一1 6 0 和c m i o o d y 一2 4 n f 模块 设计了耐高压、大电流主回路； 2 ) 控制回路设计：应用锁相环c d 4 0 4 6 和电平转换器c d 4 0 5 0 为大规模集成 电路h e f 4 7 5 2 提供时钟信号，进而由h e f 4 7 5 2 产生三相基波频率、幅值和死区 时间可调的s p w m 波形，该波形互锁后再经过光电隔离驱动模块m 5 7 9 6 2 l ，从而 得到三相六路控制信号； 3 ) 低压稳定开关电源设计：从主回路处取8 0 6 0 0 v 的直流电压供给t o p 2 2 7 单片开关电源芯片，经过其变换成需要的各种直流低压电源。其中7 路+ 2 4 v 供 给m 5 7 9 6 2 l 驱动i g b t 的电压信号，+ 1 2 v 供给c d 4 0 4 6 锁相环，+ 5 v 作为c d 4 0 5 0 、 h e f 4 7 5 2 、c d 4 0 7 0 和s n 7 4 0 8 的电源及m 5 7 9 6 2 l 驱动光电隔离二极管的电压； 4 ) 设计了过流、过压保护电路。 最后通过带电机、电阻负载的实验运行证明，该系统结构简单、成本低、 性能好、调试方便、运行可靠，具有广阔的前途和实用价值。 5 四j i i 大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 、异步电动机相关理论及s p w m 逆变技术理论 2 1 异步电动机相关理论 2 1 1 基本概念 以下介绍的是一些基本概念。变频器电源的许多功能设定都是建立在这些 基本概念的基础上的。 1 ) 工作频率厂r ：用户要求变频器电源稳定运行的输出频率，通常需要外部 设定。 2 ) 基本频率工：调节频率时用来作为基准的频率，通常是电机的额定频率 f n 。 3 ) 最高频率厶。；：变频器电源能输出的最大频率，应根据工作需要设定。 4 ) 调制波形：常用正弦或加三次谐波的加强型正弦作为p w m 脉冲的调制 波。 5 ) 恒磁通调速：对异步电机进行调速控制时，常常希望保持电机的主磁通 量不变，磁通太弱则铁芯不能充分利用，同样的转子电流下，电磁转矩小，电 动机带负载能力下降；磁通太强时，则电机处于过励磁状态，励磁电流增大， 限制了定子电流的负载分量，同样降低了电机带负载的能力。由公式 e 。= 4 4 4 k ，b o 。可知中。由e 。和，共同调节，对e 和厂进行适当的控制则 可保持中。不变。一般当电流频率在基频以下( f ) ，频率由额定值；。向 上增大，但电压u 的限制不能再升高，只能保持u 。= u 。不变，这必然使主磁 通o 。随厂的上升而下降，相当于直流电机弱磁调速的情形，属于近似的恒功 率调速方式。此时，电机的电磁转矩减小，负载能力下降，机械特性变软，但 是电机吸取电源的功率基本不变，具有“恒功率”的性质。在实际的装置中有 许多种u 和，_ 的关系，这就需要根据负载的情况加以选择。 上述概念主要讲了异步电机的变频调速必须以一定的规律同时改变定子电 压和频率，这就是v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 调速控制。 - 6 - 四j i l 大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 对于上述两种调速方式综合得到如图2 1 所示的关系： v n 啦。 o 圈2 - 1 异步电机变频调速时的控制特性 异步电机的v v v f 的实现有两种途径，它们是脉幅调制( p a m ) 和脉宽调制 ( p w m ) 。对于交直交的逆变器而言，逆变所得的交流电压的振幅值等于前 一级的直流电压值，改变直流电压值就可以改变输出电压。脉幅调制( p a m ) 技术从这个角度出发，在调节频率的同时也调节电压，从而实现了变频又变压， 由于它需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，两者还需要满足u 和， 之间的关系，其控制电路比较复杂。脉宽调制( p w m ) 技术则是利用脉冲电压 的平均值和占空比成正比这一点，在调节频率的同时，不改变直流电压的幅值， 而是改变输出电压高频脉冲的占空比，也同样可以实现变频又变压的效果， p w m 调制只需要控制逆变电路就可以实现v v v f ，与p a m 相比，控制电路简 化了许多，所以人们对p w m 技术的研究始终保持高度的热情。通用变频器常 用的正弦脉宽调制( s p w m ) 技术即是其中之一。 2 1 2 变频调速的定义 由于异步电动机的同步转速”与电源频率厂、转差率s 成正比，与电机极 对数p 成反比3 ，即： k = 6 0 f ( 1 一s ) p ( 2 3 ) 可以把调速分为三大类“： 1 ) 改变电机极对数p ，不方便，使结构复杂，且不能实现无级调速。 2 ) 改变转差率s ，会带来较大的转差损耗，效率降低，调速范围受影响。 3 ) 改变电源频率，从低速到高速都可保持高效宽范围和高精度的调速性能。 改变电流频率厂就能改变转速n ，从而实现调速，这就是变频调速。 7 v q 川1 八字i j 掌位论义( 2 0 0 5 ) 2 2s p w m 逆变技术理论 2 2 1p w m 控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不l - j 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。这里所说的 效果基本相i 司，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立 叶变换进行频谱分析，可发现它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差 讳，、 例如图2 - 2 巾a 、b 、c 所示的三个窄脉冲形状不同，图2 - 2 a 为矩形脉冲， 图2 - 2 b 为三角7 1 ：dj b 婶l ，图2 - 2 c 为正弦半波脉冲，但它们的面积( 即冲量) 都 等于1 ，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本 相同。脉冲越窄，其输出的差异越小，当窄脉冲变为图2 2 d 的单脉冲函数占( ，) 时，朋、1 ，的响应即为陔环节的脉7 【| 1 过渡函数。 | ，( 矗 ( b ) d ) 图2 - 2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 i ：述结沦赴p w m 控制的重要理论揍础。下面分析一下如何用一系列等幅 8 - 塑型垒兰坐! ：兰丝笙兰! ! ! 堕： 一一 而不等宽的脉冲代替一个i f 弦半波。 把图2 3 a 所示的正弦半波波形分成n 等份，就可把正弦半波看成由n 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于“, i n ，但幅值 不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。 如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅两不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形 脉冲的中点和相应证弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积 ( 冲量) 相等，就得到图2 3 b 所示的脉冲序列。这就是p w m 波形。根据冲量 棚等效果相同的原理，p w m 波形和正弦波是等效的。对于j | 二弦波的负半周， 也可以_ | _ 旧撙的方法得到p w m 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和 正弦波等效的p w m 波形，也称为s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形“。 图2 - 3p * m 控制的基本原理示意图 以上介绍的是p w m 控制的基本原理，按照l 述原理，在给出了正弦波频 率、幅值和半个周期内的脉冲数后，p w m 波形各脉冲的宽度和闻隔就可以准 确计算柬。按照汁算结果控制电i i ! r 各丌关器件的通断，就可以得到所需要 朐p w m 波形“”1 。 g 川人学坝 。学位论文( 2 0 0 5 ) 抵僦 槲蝴 潍 同附 删幽打。 图2 - 4 单极性s p w m 控制原理图 图2 - 5 双极性s p w m 控制原理 但是，这种汁算是报烦琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。 较为实刚的方法是采用调制的方法，i j 把所希望的波形作为调制信号，把接受 调制的信号作为载波，通过对载波的渊制得到所期望的p w m 波形。通常采用 等嫂三角形作为载波，吲为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称， 当它与任何一个i i 缓变化的渊制信i j 波肜相交寸，如在交点时刻控制电路中开 父器件的通断，就可以得到宽度证比j 信弓波幅值的脉冲，这正好符合p w m 控制的要求。当测制信号波为n = 弦波刚，所得到的就是s p w m 波形。一般根据 三珀波载波在半个删；【月内方i 硼变化，又可以分为两秒晴况。三角波载波在半 坚坐苎兰丝! ! 兰竺笙兰! 翌! ： 个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的s p w m 波形也只在一个方向变化 的控制方式成为单极性s p w m 控制方式，如图2 4 所示。如果三角波载波在半 个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的s p w m 波形也是在两个方 向变化的，这时成为取极性s p w m 控制方式“，如图2 5 所示。 2 2 2p w m 型逆变电路的控制方式 在p w m 逆变电路中，载波f c 与调截信号频率f r 之比n = f c f r 称为载波比n 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，p w i 逆变电路可以有异步调 制羁f 州步洲制两种控制方式。 a ) 畀步调制 裁波信号和渊制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调 制方式中，调制信号频率h 变化时，通常保持载波频率f c 固定不变，因而载 波比n 是变化的。这样，在调青4 信号的半个周朔内，输出昧神的个数不固定， 脉冲棚位也不圳定，币负f 周期的脉冲不对称，同时半周期内前后1 4 s ：4j 咀 蚓昧”也不对弥。! t j 矾；洲者号频率较低叫，载波比n 铰火，半周期内的脉冲数 较多，f 负半周期脉冲不对称和半周期内前后l 4 周期脉冲不对称的影响较小， 输出波形接近难弦波。当调制信号坝率增高时，载波比n 被小，半周期内的脉 冲数量减少，输出不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同 对，输出波 形和矿弦波形之川的差异也变大，电路输：特性变坏。对于三棚p w m 型逆变电 路米既，三槲输h j 的对称性也变差。因此，在采用异步明制方式时，希望尽量 提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的裁波比，改善输出 特性1 。 b ) 同步渊制 载波比n 等r 常数，f ：在变频时使载波信号和渊f f j | j 信争保持同步的训制方 式称为同步调制。在基本同步嘲制方式中，涮制信号频率变化时载波比n 不变。 调制信号半个周划内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的a 在三相p w m 逆变电路中，通常公用一个三角波载波信号，且取载波比n 为3 的整数倍以 使j 十f i4 俞l i j 波形严格剥称，l i 日h g ，为了使一相的波形- f 负半周镜剥韵：，n 应取 为奇数“”1 。 当逆变电路输出频率 艮低 卜j ，因为在半周期内输出脉冲的数日是固定的， 所以由p w m 调制而产生的f c 附近| | 谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波 川川人学f 峨i 学位论文( 2 0 0 5 ) 通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声，给电动 机的正常工作带来不利影响。 为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方法，即把逆变电路的输 出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比n 为恒定，不同频段 的载波比f i 同。在功率丌关器件所允许的频率范围内。在输出频率的低频段采 刷较高的载波比，以使载波频率不致过低而剥负载产生不利影响。各频段的载 波比应该都取3n 勺整数倍且为奇数”。 四川丈学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 3 、三相正弦逆变电源的系统组成及主回路结构原理 3 1 系统的组成及主回路结构原理 本电源是采用交一直一交的变频方式。将工频的交流电( 3 8 0 v ，5 0 h z ) 进行 交一直一交变换得到所需要电压和频率( 3 8 0 v ，5 5 h z ) 的输出。图3 - 1 示出了系 统主电路、控制电路及保护电路等的框图，其中主电路主要有两个级。第一级 是交直流变换，选用日本生产的三相不可控整流模块6 r i i o o e 一1 6 0 ，能够承受 1 6 0 0 v ，i o o a 的大电压和大电流。对电网进来的3 8 0 v ，5 0 h z 的工频交流电进行 整流，得到5 3 0 v 的直流电压；直流侧的电解电容c l 、c 2 用来对整流出来的直 流电压进行滤波，都选用1 0 0 0 u f ，4 5 0 v 的大电容。第二级是直交变换，运用 q l 、q 2 、q 3 、q 4 、q 5 、q 6 构成三相全桥逆变电路，将直流电压转换成负载所需 的幅值、频率( 2 2 0 v ，5 5 h z ) 的交流电。该逆变电源的功率为2 0 k w 。 图3 - 1 系统结构示意图 - 1 3 州川人学坝l 。学位论义( 2 0 0 5 ) 3 2 逆变器与滤波电路设计 3 2 1 逆变器的原理 幽3 - 2 为乖系统逆变器示意图，其中：玎关管选用的日本三菱公司生产的 c m l 0 0 d y2 4 n i ? 模块，每个模块巾有两只i g b ，r 丌关管，它们作为三相逆变桥同 一桥臂的两只管子。加在同一桥臂两只管子上的信号，他们的相位正好相反， 互差18 0 。，并且存在1 0 u s 的死区时间，能确保上下桥臂不会直通，避免烧坏 管予。而相与相之间的控制信号则互差1 2 0 。，如桥臂( 3 ) 落后桥臂( 1 ) 1 2 0 。， 桥臂( j ) 落后桥臂( 3 ) 12 0 。由于控制信号是f 弦调制脉宽信号( $ p w m ) ，所 以存经过f 巳感、电容滤波咀后在三柏负载上输出的信号为正弦信号。 图3 - 2 逆变器结构示意图 下面以第一组丌关管的元器件为例说明每个器件的作用，电阻r 。，。起隔离 作刷，防1 矧；i j 衍号i 赢接加在管予卜会产生很大的尖峰电雎。r 。是门极保护 c i 阻，f 乜阻r 。利电容c 。组成i g b t 的关断缓冲电路，凼为功率丌关管承受 过电压的能力较差，丌关管在丌关过程中管子漏极和源极之间会出现由于电路 分抑电感释放能量而出现的过电压。为了抑制丌关过程中出现这科，过电压，在 丌关僻的漏极。源极之划并联 b | ；儿r 。 i i i _ u 容c 。以吸收浪涌电压。引脚c 。 1 4 。 婴型查兰竺主堂皇笙兰：翌堕! 作为电压检测引脚，接驱动电路的检测引脚( 即m 5 7 9 6 2 l 的1 脚) ，用来检测 i g b t 的c 极电压，当门极电压为高电平，i g b t 导通，c 极电位变低，若c 极 电位大于i o v ，说明i g b t 或者发生过大的电流，或者发生上下桥臂直通短路， 各分一半电源电压，这时m 5 7 9 6 2 l 接收到信号，立即动作，实施软关断进行保 护，即首先降低门极电位使电流减小，再使其到零使i g b t 完全关断。由于发 生过流或短路直通故障时，i g b t 的电流非常大，硬关断会使d i d t 太大，产生 的尖峰电压通过寄生电容会使i g b t 重新导通而导致i g b t 损坏，因此，采用 软关断能可靠地保护i g b t 摆脱故障。在i g b t 关断时，加在m 5 7 9 6 2 l 检测引 脚上的二极管( 图3 - 4 中d 4 ) 承受与i g b t 的漏极相同的关断电压，因此要求 采用快速的高反压二极管，一般要取1 2 0 0 v 以上”“。 3 2 2 滤波电路的设计 当逆交器的输出不加滤波电路时，其输出波形只是s p w m 调制波，其中既 包含基波频率，又包含了高于基波频率的谐波，为了削减高次谐波，就需要设 置输出滤波器。 在本系统中选用了典型的l c 滤波器，它是一种低通滤波器，能充分抑制 高频成分通过，使低频成分畅通。电路如图3 3 所示： 输入 上输出 。j! 。 图3 - 3l c 滤波电路 = c o l = 2 班，x 随频率升高而升高：。、= 1 ( c o c ) = l ( 2 巧贮) ，x ，随 频率升高而降低。c o l = 1 ( c o c ) 所对应的频率为截止频率丘，五与l 、c 关系 如下： 匹| 川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 脚( 、l = 1 ( c o c c ) ；= 1 ( l c ) 正= 1 f ( 2 z r x l l c ) ( 3 1 ) 本系统中逆变器输出电压基波频率厂为5 5 h z ，最低次谐波频率 ，为 2 0 k h z ，设截止频率厶为2 k h z 。可以看出厂( 足，则c o l 五，则l l 1 ( c o k l c ) ，此时 脚。l 对最低次谐波的阻力很大，因此滤波器不允许最低次谐波信号通过，更不 允许高于最低次谐波次数的信号通过。因此当我们将l c 振荡电路的振荡频率 设计为办时就能有效的滤除高次谐波。现在计算l 、c 的值： f , - = 1 ( 2 万z 虿) = 丽( 2 ，吐) 令p = 三c 为特性阻抗，、则 l = p ( 2 n f c ) ( 3 - 2 ) 因为p 2 = l i c 所以得：c = 上p 2 综合以上几式得： c = 1 ( 2 矾户) ( 3 - 3 ) 由上式可知，主要知道f c 、p 的值，便可计算出l 、c 。 1 ) 特性阻抗p 的选择 特性阻抗p 与负载阻抗的关系是： p = ( 0 5 0 8 ) r 。 2 ) 截止频率五的选择 截j l 频率五与最低次谐波频率厶。的关系是： 厶= f k i i c h b 式中b 称为滤波器的衰减系数，它是滤波器的谐波输入电压与谐波输出 电压的比值对数。 为了i 十算出l 、c 的值，我们必须先知道逆变器输出的最低次谐波频率、 1 6 p u 川人掌顺j 学位论义( 2 0 0 5 ) 谐波电压幅值以及设计要求的输出谐波电压值。 本设计中， ，= 2 0 0 0 0 - _ , - ，基波厂= 5 5 h z 。最低次谐波电压幅值为2 0 0 v ， 要求其输出幅值为i o v ，则根据以上条件可以计算得：l = l o m h ，c = 3 9 f ， 囚电感值大的电感体积大，因此在实际中，可以将电容取得大些，而将电感取 得相剥小些。 3 3 驱动电路 驱动电路主要选用m 5 7 9 6 2 l 芯片，它具有隔离、电流放大和保护三重作用， 共有7 路，在本论文第7 章附有全部详图。由于每只i g b t 处在不同的电位，因 此，各管的驱动电路分别用不共她的2 4 v 电源。由+ 2 4 v a 与g n d a 输入。电源 详图也在第7 章附。卜。图3 4 是m 5 7 9 6 2 l 内部结构框图及六路驱动电路中的一 路。由这两个图一t 以看出当第1 4 脚输入为高电平时，第5 脚输出也为高电平， 加在j 。( 即，i ：关管) 上的 巳平为+ 1 5 v i 当第14 脚输入的为低电平的时候，第5 脚输出也为低电平，加在在j 。上的电压为一9 v ，这个反向电压使开关管能够迅 速关断。其中取起保护作用，避免由于见的泄露导致高压入侵损坏m 5 7 9 6 2 l 。 7 , 1 5 7 9 6 2 l 内g e 结 日框图 1 丽孑3 ： f ”1 斗 一 o l 玎， i j c3 0 0 , 2 u o 4 ： 聋。k 5 o ” 圈3 - 4 # 5 7 9 6 2 l 内部结构框图及驱动电路图 1 7 。 c | 4 ! ! 坐查兰竺! 兰些笙兰：! ! 堕! 一一 3 4 限流保护电路的设计 3 4 1 电感限流 由于在电机启动的时候，会造成很大的冲击电流，所以在整流桥后面如图 3 1 所示的直流侧加上电感值为l m i 的火电感上，使得在电机启动的时候，由 于电感线圈的阻力作用，能够抑制主回路上的电流。 3 4 2h e f 4 7 5 2 故障封锁信号限流保护电路 直流回路中串有r 3 ，其目的是和电阻r 2 、光耦合器g 0 1 3 0 、r 5 和r 6 等组 成过i = l 流保护u 路，当流过的电流超过4 a ，目大于2 v 时，光耦合器g o l 3 0 导通，从而使h f , f 4 7 5 2 的l 端篇10 ，触发札呔冲被封锁，从而保护了大功率晶体 管l 。 ， 3 5 能量再生制动电路的设计 当该电源带传动负载时处于制动状态的电机再生发电的能量送回中间直 流回路后，其能黾由并联在储能电容两端的制动电阻通过制动单元以电阻发热 方式消耗掉，其制动能力取决于制动电阻的允许功率。 图3 - 5 制动电路 该 l l 阻上的最大电流受制动晶体管最大允许集电极电流，的限制，此处 q 7 选用德国e u f e c 公司生产的f z 8 0 0 r 1 2 k s 4 的i g b t 模块，其集电极一发射 集电压u ，。为1 2 0 0 v ，集电板电流，。最大为3 0 0 a 。由此得制动电阻的最小值 1 8 ! ! 型查兰! 兰芏堂焦堡兰! ! ! 堕! r 。= 4 9 l 。而其电阻的最大值受减速制动中电机产生的有效再生功率限制，根 据负载情况的不同，会有所改变，在这罩设定其为r = 2 0 9 。最后根据实验 调节得r = 1 2 q 时能够获得很好的制动效果。 图3 - 6 制动电路控制原理图 在图3 - 6 中，没主电路直流电艇在4 8 0 v 5 8 0 v 之| 1 = j 时，逆变器处于正常运 行状态，当电压超过5 8 0 v ，低于4 8 0 v 时，- ) 1 ：关管q 7 丌通，通过电阻r 4 放电 释放能量，从而使主回路上电压降低，达到过压、欠压保护的目的。从图3 6 知道，该- 1 路主要选用施密特触发器模块c d 4 0 9 3 作控制，当其输出为高电平时， 0 7 导通。从图3 6 看出，输入电压范围为q 8 0 v 5 8 0 v ，在这里要将其变换成施 密特触发器c 1 3 4 0 9 3 的电压回差范围。通过调节电阻r 3 、r 4 可以调节c d 4 0 9 3 的电压回差范围同时配合明节i 】、r 2 使得当输入电压大于5 8 0 v 、小于4 8 0 v 时，施密特触发器c d 4 0 9 3 输出高电平，从而通过光电隔离m 5 7 9 6 2 l 使q 7 导通。 否则，q 7 不导通。通过实验调节，当r i - 6 0 k q ，r 2 = i 2 k q ，r 3 = i 2 k q r 4 = 1 2 k o 时，能实现i ，述功能。 。1 9 。 薪 啦羽 一兰笠亡=j1一 葚葚正一 叭型一一 斛气 叭书、 p q 川大学硕i 擘位论文( 2 0 0 5 ) 4 、t o p s w i t c h 超宽输入隔离式稳压开关电源设计 4 1 本系统运用开关电源的意义 开关电源自问世以来，就凭其稳定、高效、节能等优良性能而成为稳压电 源的主要产品。而高度集成化的单片_ 丌关电源，更是因其高性价比、简单的外 围电路、小体积与重量和无工频变压器隔离方式等优势而成为稳压电源中的佼 佼者”= | 。随着各种不同的单片_ 丌关电源芯片及其电路拓扑的应用和推广，单片 开关电源越来越体现出巨大的实用价值和美好前景。能够在很宽输入的电匿变 化范围内保证输出f 乜压即向外提供电源的稳定性。 4 2 芯片结构及稳压原理 近十几年来，美国电源集成公司( i ，i ) 、摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 、意一 法半导体公t i j ( s ( i s 一1 h o m s o n ) 、荚幽o n s e m i 公司等相继推出了t o p s w i t c h 、m c 、 1 , 4 9 7 0 、n c t ) 1 0 0 0 等刁i 同系列的单片开关电源产品。由于t o p s w i t c h 系列产品性 能稳定，价格实惠，故本文选择该系列中的一种芯片为核心设计制作了一种输 入范围极宽的稳压电源。”。 t o p s w i t c h 不论是三脚封装，还是d i p 一8 或s m b 一8 封装，其实质都是三端 元件，分别为控制端c ( c o n t r 0 1 ) 、源板s ( s o u r c e ) 、漏极d ( d r a i n ) 。控制端主 要有四个f i ! j - i j ：第，利用控制 h 流，的大小米自动调节占空比b ，当，变化 吲，占空比i ) 就在一一定范啊内变化：第二，它与内部并联调整器误差放大器相 连，能为j 出片提供币常工作所需的偏流：第三，该端还作为电源支路和自动重 启动补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来解决自动重启动的频率；第四， 对控制刚略进行i 偿。 源极s 与。出片内部助率m o s 管源极相连，并作为初级电路的公共地；漏极 d 与芯片内部功率m o s 管的漏极相连。 f o p s w i t c h 的内翻蟾斛勾主要包括以下10 个部分：控制电压源：高压电 流源；关断自动重启f 乜路：并联酮整器误差放大器；带隙基准电压源； 过热保护及 1 复位1 1 踏：过流保护电路；震荡器：脉宽调制器： 门驱动绒利输级。其内胡球j 框图如图4 一l 所示”“。 7 l 、o p g w il c j 0 额定1 关频率为l o