毕业设计（论文）-基于TMS320F2808的三相异步电机变频调速系统硬件设计.doc

中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书1 绪论1.1 三相变频调速系统的研究背景和意义在国民经济建设和国防科技事业的进程当中，交流变频调速的应用极为广泛和重要。而随着电力电子和微处理器技术的发展，调速系统也成为发展的潮流和目标。三相异步变频调速系统广泛应用于工业，农业，国防等各个领域。当前国外交流调速系统发展十分迅速各大商场推出的交流调速系统层出不穷，与国外相比，我国交流调速控制方式的研究起步较晚，技术基础薄弱，实际产品应用出现更晚。而且多数产品应用的是基本的SPWM控制，在高性能变频技术方面处于劣势。因此研究异步电动机的直接转矩控制系统对于推动我国高性能变频调速技术的发展具有积极的促进作用和重要的现实意义。随着新型电力电子器件的不断出现,三相异步变频调速系统将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使电机的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对电机性能的影响减至最小,新型的电机技术和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高异步电机工作效率。在交流调速领域中，应用最广的是交流变频调速系统技术。它主要用于需要交流电源的电压、频率可调(或恒压、恒频)的用电设备，如交流电机、中频电源及各种专用电源的中间环节等。这一技术的产生和发展为交流调速开拓了广阔的天地。国外交流调速在电气传动行业已占绝对优势，虽然国内直流调速还在大量使用，但近年来凡新建的电气传动系统均采用交流调速，其发展势头是迅速的。变频技术在供电电源方面的应用主要是:（1)将过去用电机、变压器产生交流电的地方用变频电源取代;（2）将计算机、电焊机、电子装置等用直流电源的地方改为以变频技术为核心的开关电源。变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大的经济效益。所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将5OHz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交直交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅、等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。它是作为80年代中发展起来的高性能的新型电机调速方法，在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂，实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。而本文研究的正是从异步电机的数学模型出发，根据变频调速原理从简单到复杂，利用比较容易实现的正弦脉宽调制的方法调试了系统的部分硬件电路，然后根据传统直接转矩的控制原理，对于近似圆形磁链的直接转矩理论进行了实验分析。在硬件方面课题采用了目前比较流行的数字信号处理器（DSP）作为本实验的控制器，其处理速度高的特点正好符合本实验的需要；主电路中，本系统采用了集成度高的功率器件；智能模块作为逆变环节，实现了高开关效率逆变以及故障诊断的功能，从而使控制系统的体积大大缩小，控制更加灵活。异步电机变频调速技术就是使用DSP器件及电子技术对异步电机进行变频和控制的技术。是一门综合了电力半导体器件、电力变频技术、现代电子技术、自动控制技术、DSP芯片技术等许多学科的交叉学科。随着科学技术的发展，变频调速技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，它已逐步发展成为一门包含更多学科的综合性技术学科，并在为现代通讯、电子仪器、计算机工业自动化、电网优化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电能方面起着关键的作用。变频调速技术诞生至今已经近50年，它对人类的文明起了巨大的推动作用。特别是在近年来，这种技术更是取得了突飞猛进的发展，己经形成较为完整的学科体系和理论。变频调速技术的发展主要是两个方面:一是变频调速系统所需器件的发展，因为变频调速系统器件是变频调速系统技术的基础和源头，变频调速器件的性能的提高，促进了变频调速系统技术的应用，提高了变频调速系统装置的功率，减小了体积。另一方面是变频调速系统技术在不同应用领域具体控制技术的发展。尤其是电机转速变换技术的发展与应用。异步电机变频调速技术是变频技术中最重要、最基本的共性技术。为了满足高效、高能量密度、高精度、快速响应、宽调节范围、低谐波失真和低成本的要求，变频调速技术从不控、半控强迫换流技术发展到普遍采用PWM控制和采用自关断器件的变频技术。1.2 三相异步电机变频调速系统技术的国内发展现状20世纪60年代中国三相异步变频系统史上发生了一场革命，异步电机由于其具有良好的起，制动性能，能够在大范围内平滑调速，因此在当时国际市场中起着绝对的优势地位。DSP的数字控制系统也取代了传统的PID模拟控制，提高了三相调速系统的控制性能。在国内六十年代初期，随着电力及电子技术的进展,电力系统对变频调速系统的控制功能也不断提出了新的要求,主要体现在对自动励磁调节器的功能要求上。变频调速系统的主要功能是维持电机转速为恒定值。当时应用的变频调速系统多为机械型的，其后又发展为电子型或者电磁型。在这一历史时期中,电机多采用直流励磁机励磁方式,励磁的调节多作用于直流励磁机励磁绕组侧,须经过具有相当惯性的励磁机功率环节实现对发电机励磁的调节.为此它属于慢速励磁调节系统。在六十年代后期，随着电力系统的大型化和发电机单机容量的增长，出于提高电力系统稳定性的考虑，自动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机转速恒定这一要求上，而更多地体现在提高发电机静态及动态稳定性方面。这标志着对变频调速系统功能要求已有了根本改变。在六十年代期间，有一点须说明，当时有一观点认为，在系统事故时，应当限制励磁的作用，以防止发电机定子电流过载。但是，前苏联的学者经过实验和实践证明：采用强行励磁可加速切除事故后异步电机的恢复，并缩短定子电流过负载的时间，这对于缩短事故后系统电机转速的恢复时间及系统稳定都是极为有利的。自六十年代至今，变频调速系统技术也有了极大的发展。概括地说，变频调速系统控制方式的演绎大致经历了单变量输入及输出的比例控制方式、线性多变量输入及输出的多变量反馈控制方式以及伴随控制理论发展起来的非线性多变量控制方式等几种主要的演绎阶段。近年来由于调速系统的数字化，其惯性时间常数已经大大减少，由此为通过调速系统直接抑制有功功率的振荡提供了可能。对于异步电机机系统亦有良好的控制性能。同时具有自检能力，在硬件故障时可进行自动切换。变频调速系统的发展与电力电子技术与器件的发展密切相关，它随着现代电力电子技术的发展而发展。国内近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关异步电机，同线性电机的相比较突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的一系列逆变异步电机调速系统。 世界各国正在大力研制开发新型异步电机调速系统，包含新的理论、新型模块化电路、新型电子器件等，以满足电机设备小型化、高效化和高性能化的时代发展要求。而国内现有的异步电机主要采用传统的工频技术，存在体积大、设备重、效率低、自动化程度低等弊端，已经无法满足现代工业发展的需求。从长远看，三相异步变频调速体统是电机的发展是方向。但难度大对设计提出了很高的要求，当前三相异步电机面临的主要问题是提高性能和改善可靠性。目前随着我国社会生产和人类生活的改进，变频调速技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科,它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电机起着关键作用。1.3本课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容是主要通过整流电路，逆变电路，变频器滤波器去外有DSP控制下把进入的单相工频交流变成直流电，再通过三相桥式逆变电路逆变成正弦脉宽可调三相比，从全新的思想出发，尝试的把几种方法结合在一个控制系统中，取长补短，形成一种新的混合控制方法。以提高控制性能。 研究变频调速系统的原理，及常用的实现方案。 设计并实现了一个基于DSP的变频调速系统控制的异步电机，建立了一个具有通用性的中小功率的变频调速控制的电机技术平台。该实验单元的主电路为“交直交”变化形式，如图1.1所示。该种整流电路把输入的单相工频交流电整流变换成为直流电。经降压斩波电路和电容滤波，得到平直的电压可调直流电源。最后，直流电源经过由新型复合器件绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的三相桥式逆变电路，逆变成正弦脉宽可调的三相交流电。从电网输入的单相交流电经过变频电路后可以得到谐波含量较小的三相交流电，而且输出的交流电的大小和频率均可调，提高了电能的利用率，降低了负载（异步电机）对电网电源的影响。图1.1 变频调速系统的系统框图技术指： 输入电压：220V（110） 输入频率：50 Hz (15%) 输出电压调整范围：036V 输出波形：正弦波 电源容量：2KVA 输出电压稳定度：额定36V输出时，误差小于5% 输出频率调整范围：调整范围为20Hz100Hz 相位和相位相差120(三相平衡性负载)保护功能：电源应具有输入及输出过流保护、过热保护、输入输出过压欠压保护频率和功率的电路：具有输出电压和频率的测量和显示功能。2 变频调速系统的结构和设计方案2.1 变频调速系统的结构从结构上看，变频调速系统可分为直接变频和间接变频两类。直接变频又称交交变频，是一种将工频交流电直接变换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式；间接变频又称为交直交变频，是将工频交流电先经过整流器整流成直流，再通过逆变器将直流变换成频率可变的交流的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频。 交交变频调速系统一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变负的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。其过程与可控整流器一样，不需要附加换流元件，方法简单，运行可靠。而且，交交变频器在低频时输出波形接近正弦，且为一次变流，具有较高的效率，还能实现四象限运行。但是由于这种方法使用晶闸管数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1/2,所以交交变频器在交流异步电机调速方面主要用于低速大功率传动，特别是起动转矩要求高的场合。交直交变频调速系统框图如图2.1所示，是目前变频电机的主要形式，该方式必须通过两次电能变换。效率稍低。但前级市电的干扰不会影响后级，输出波形好，变频范围宽。图2.1交直交变频调速系统框图 AC/DC：将交流电变为直流电，实现这一功能的变换电路一般称为整流电路。在AC/DC变换过程中常常引入高频变换环节，达到减小电源设备体积、减轻重量、提高效率、改善动态特性等目的，转换频率一般为几十千赫至几百千赫。 DC/AC：将直流电变为交流电，实现这一功能的变换电路，一般称为逆变器。逆变电路既可将固定的直流电压变换为固定幅值和频率的交流电压，亦可将其变换为幅值和频率都可调节的交流电压，后者常称为变频器。逆变器是电力电子装置中的重要组成部分，是不间断电源、交流电气传动、中频电源等许多设备的核心，因而其研究工作倍受人们的关注，研究的焦点是如何方便地调节逆变电源的输出电压和频率，并降低谐波含量，改善输出波形。迄今为止，降低谐波含量和调节输出电压(大小或频率)的常用措施有： 1）对逆变电源的开关管进行高频PWM调制，使逆变器输出为高频等幅的PWM波。2）通过改变逆变电源主电路拓扑结构，在主电路上进行波形重构以实现阶梯波形输出，减小低阶高次谐波含量。2.2 三相异步电机变频调速系统的方案设计 由DSP控制的变频调速系统框图如图2.1所示，本系统以DSP为控制核心，主要由整流器，滤波环节，逆变器，检测环节及控制回路组成。 图2.2三相异步电机变频调速系统设计框图系统主电路采用典型交一直一交电压源型变频器结构，整流环节采用单相桥式不控整流模块，逆变电路功率器件采用IGBT，中间直流环节加大电容滤波以获得平滑的直流电压，电网电压经桥式整流后对直流母线上的滤波电容充电，串联限流电阻R，是为限制过大的充电电流。若不用限流电阻，当系统合闸时会有相当大的充电电流，可能烧毁滤波大电容和整流模块。限流电阻只在电容刚开始充进行限流，当电容两端的电压充到一定值时，继电器K吸合，把限流电阻R，短路。电路中电容CZ、二极管VD和电阻R、构成一个典型的吸收缓冲电路。主回路工作时，因为功率器件开关频率很高，开关动作时会在直流环节中产生电流突变，若直流环节存在电感，则可能在功率器件两端产生很大的尖峰电压，吸收缓冲电路的作用就是吸收消除此尖峰电压。电容电压的检测用电阻RZ和R3分压进行检测，分别控制继电器K和过压保护电路。功率器件采用三菱公司智能IGBT模块。内含过压、过流、过热保护，是一种新型的功率器件。具有驱动电路简单、可靠性高等优点。系统控制电路包括了DSP的电路板以及以该板为核心分别扩展的数字信号处理板和模拟信号处理板，分别完成频率给定、按键选择调制方式及显示、低频补偿给定等功能，并对各种故障信号进行综合处理。同时，系统中会有一系列的检测、通讯、保护、故障处理电路，以保证本电源的安全稳定。本设计用TMS320F2808作为变频调速系统的控制芯片与其他单片机相比，其优势表现为:数据处理能力强、高运算速度、能实时完成复杂计算、单周期多功能指令、PWM分辨率高、更短的采样周期。TMS320F2808芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，集成了A/D转换，广泛采用流水线操作，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。2.3 三相异步电机变频调速系统的控制方式 目前，大部分三相异步电机变频调速系统主要是基于间接SPWM技术，采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)作为功率控制器件来提高功率主电路的控制性、稳定性和效率，以DSP作为控制核心进行控制和参数运算处理，提高了变频调速系统的操作性。生成SPWM常采用的方法有三种:一是完全由模拟电路生成；二是由数字电路生成；三是由专用集成芯片生成。模拟方法电路复杂，硬件太多，抗干扰性差，有温漂现象，难以实现最优化PWM控制(最优化PWM的调制波都不是正弦波)，系统可靠性差;数字方法按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，将其存入内存，然后通过查表及必要的运算产生SPWM波，该方法调频范围不宽，且占用内存大，与系统精度之间存在矛盾;由专用集成芯片生成三相SPWM波的技术近年来被广泛采用，常用的有NEF4752, SLE4520, MA818, MA828, MA838和MITEL公司研制的三相/单相PWM产生器SA828, SA838系列芯片。它们多与微处理器连接，完成外围控制功能，但在系统构成上仍然复杂。 PWM(脉宽调制)技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压的脉冲宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。SPWM(正弦脉宽调制)是由控制回路产生一组等幅而不等宽的矩形脉冲序列，用来近似正弦电压波。 对于高频PWM调制来说，开关频率越高，谐波含量越小，但开关损耗也越大，故不宜用在大功率逆变电源中。而波形重构方式往往需要多个逆变器来实现电压的叠加。波形重构的级数越多，出现的最低谐波次数越高，但主电路和控制电路也越复杂，相应地控制难度也越大，输出电压的调节也不甚方便，因此这种方式通常只在大功率逆变电源中采用。 利用PWM调制来调节输出电压和降低谐波含量是目前最为普及的技术，在中小功率逆变电源中应用非常广泛，PWM的生成方法也很多。变频电源采用的脉宽调制技术有两种: 一种是开关点预置控制方式，也叫消谐PWM，理论分析表明，早在1973年提出的消谐控制策略能有效地克服上述问题，它只需要较少的开关脉冲数即可完全消除容量较大的低阶高次谐波，取得很好的滤波效果，具有开关频率低、开关损耗小、电压利用率高等许多优点，是实现逆变电源PWM控制的理想方法。 消谐PWM控制就是一种经过计算的PWM控制策略，其基本方法是：通过PWM控制的傅里叶级数分析，得出傅里叶级数展开式，以脉冲相位角为未知数，令某些特定的谐波为零，便得到一个非线性方程组，该方程组即为消谐PWM模型，按模型求解的结果进行控制，则输出不含这些特定的低次谐波。消谐控制的优势己为人们认识，并开展了不少的研究工作，希望该方法得到实际应用。遗憾的是，迄今为止消谐方法还没有真正进入实际应用。按照消谐控制的思想，PWM波的相位是通过模型的求解获得的，而消谐模型是一个正弦函数的多元非线性方程组，其数值求解的过程极其复杂并且难以保证收敛，因此这种求解计算要在现有的微处理器(MCU)系统中快速实时地完成是相当困难的，这在相当程度上制约了消谐方法的实际应用。目前该方法的应用主要以离线控制方式实现，将其应用于无需调节电压大小的恒频恒压电源的控制是可行的;或事先计算某些特定电压的有关控制参数存入存储器中，根据实际需要分级调节输出电压，这种方式往往需要很大的存储空间，而且随着电压调节的分辨率增高，其存储空间随之增大。另一种是SPWM方案，SPWM方式的缺点是不易获得较高的基波幅值比、开关损耗较大。优点是可以通过提高开关频率来减小低次谐波影响，并可通过调节脉冲宽度来调节输出电压。本设计就是采用SPWM方案。3 主电路和驱动电路设计3.1 主回路的整体结构 三相异步电机变频调速系统的主电路由整流电路，滤波电路（中间直流电路），逆变电路。整流电路为电容滤波单相不可控整流电路，它将电网电压整流为直流电，供给逆变电路。中间直流电路的作用是滤波，使整流后电压更接近直流电。逆变电路的作用是输出符合要求的交流电。3.1主回路电路图3.2 整流电路整流电路是一种将交流电能转变为直流电能的变换电路。按输入电源的相数可分为单相、三相和多相，通常单相整流应用于小功率场合，三相整流通常用于中大功率场合，而多相整流则用于特殊要求的直流负载。按整流器件分，可分为可控整流和不可控整流两种。可控整流电路义可分为全控整流电路和半控整流电路。在全控整流电路中，整流器件全由晶闸管组成。半控整流电路则由整流二极管和晶闸管混合组成。不控整流电路全由整流二极管组成。3.2.1 整流技术整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。可从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍和双拍电路。近年来，在交-直-交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器、斩波器等使用。将全控整流电路中的晶闸管换为整流二极管就是不可控整流电路。其中，目前最常用的是单相桥式和三相桥式两种接法，由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，也称这类电路为二极管整流电路。1、电容滤波的单相不可控整流电路图3.2 电容滤波的单相桥式不可控整流电路主要的数量关系1） 输出电压平均值空载时，R=，放电时间常数为无穷大，输出电压最大，Ud =1.414U2。通常在设计时根据负载的情况选择电容C值，使RC（1.5-2.5）T，T为交流电源的周期，此时输出电压为 Ud =1.2 U22） 电流输出平均值输出电流平均值Id为Id=Ud/R在稳态时，电容C在一个周期吸收的能量和释放的能量相等，其电压平均值保持不变，相应的流经电容的电流一周期的平均值为零，又id=iC+iR得出：Id=IR3） 二极管承受的电压二极管承受反向电压最大值为变压器二次电压最大值，即1.414 U2。2、电容滤波的三相不可控整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构如下图所示电容滤波的三相不可控整流电路如图3.3所示：图3.3 电容滤波的三相桥式整流电路1）基本原理该电路中，当一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，Ud按指数规律下降。在wt=0时，二极管VD1和VD5开始同时导通，直流侧电压等于，下一次同时导通的一对管子是VD1和VD4，直流侧电压等于，这两段导通之前VD5和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流是断续的。实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。考虑电感时电流波形的前沿平缓很多，有利于电路的工作。2）主要数量关系输出电压平均值：输出电压平均值Ud在（2.34U2 2.45U2）之间变化。输出电流平均值： Id=Ud/R二极管的电流平均值为Id 的1/3，即IVD = Id/3=IR/3 。3）二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值2.45*U2。变频器的整流部分采用单相二极管不可控桥式整流，滤波电容的功能是滤平全波整流后的电压纹波，并在负载变化时，使直流电压保持平稳。根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电雷击等意外因素，取波动系数为1.1，安全系数为2，由此可知整流二极管电压额定值为:，即：684V 由于桥式整流总是为两个二极管串联，因此单个二极管的额定电压应该在342V以上，向上取为400V 。可选择36MB80A型单相桥式不控整流器,其为55A(可参考式3.1), 为800V. 为了保证给斩波器提供较平稳的直流电压，在整流桥后加了滤波电容,同时此电容还起滤波的作用。为了滤掉高频分量，在此电容的两端还并联了小的高频电容,整流输出电压的基波频率为100Hz,滤波电路的时间常数，即电容和整流桥的负载等效电阻之积应该为纹波的基波周期的6倍以上，此处取6倍。则:可选择两个1500uF/450V的电解电容并联。高频电容根据经验值可取,630V无感电容.3.2.2整流电路的设计整流电路采用电容滤波三相不可控整流电路。采用不可控整流电路可以提高功率因数便于控制等优点。目前大都不采用由单管组成的整流桥，而是采用由模块组成的整流桥，而整流模块的种类目前有四种，即全桥整流模块，共阴极整流模块、共阳极整流模块和桥臂整流模块。a)全桥整流模块 b)共阴极整流模块c)共阳极整流模块 d)桥臂整流模块图3.4 不同种类的整流模块这四种整流模块都可使用，但从模块的散热条件和连接方式等方面考虑，本设计采用桥臂整流模块来构成功率单元的三相整流桥。整流模块的主要参数有额定电压和额定电流，三相桥式整流电路中，整流管承受电压的最大值等于三相交流进线电压的峰值。为了在电源电压波动和出现瞬时过电压时不致损坏整流管，整流模块的额定电压应有23倍的裕度3.2.3整流二极管参数计算与保护电路的设计对于三相桥式整流电路中整流管额定电流的选择一般是按直流电流的最大电流值来计算： : 直流电流最大值，:电流储备系数， 一般情况下取1.22，但在功率单元中，由于考虑到整流电路中无预充电限流电阻，故可取为23倍。由于题目所给输出指标：输出额定电压80V，输出额定电流16A。取占空比为0.8时，输出电压为80V，则占空比为1时，输出电压为100V根据 2.34*U2 =100V得 U2=42.74V变压器变比 N=则变压器变比取N=5由此 U2=2=2*=214.54V=2*16=32A根据计算的参数可以选取整流二极管。本设计选用IR公司生产的桥臂整流模块型号为IRKD91/12 400V 50A。3.3滤波电路（中间直流电路）滤波电路如图所示图3.5 滤波电路主要由滤波电容和电感组成，电感的作用是对共模干扰信号(非对称干扰电流)呈现高阻抗，而对差模信号(对称干扰电流)和电源电流呈现低阻抗，这样就能保证电源电流的衰减很小，而同时又抑制了电流噪声。通常L的值很小且相等，对称地绕在同一个螺旋管上，这样在正常工作电流范围内，磁性材料产生的磁性互相补偿，以免磁通饱和，但是对于不对称干扰(共模)信号来说，这两个线圈产生的磁场相互加强的，对外呈现出的总电感明显加大。滤波电容是电压源型整流器中最重要的元件。因此对它的选择非常重要，它的性能及其参数的选择，直接决定着变频调速系统能否正常工作。滤波电容的参数主要有额定工作电压和电容量。滤波电容均采用电解质电容器，但目前电解质电容器的最高电压只能达到450V，因此，当其电压不能满足要求时，得用分组电容器串联。对其额定电压的选择可根据功率单元中间直流电压的最大值来选 择:：再生电压增量，一般为10%:功率单元进线电压有效值滤波电路的电压比较好选择，但对其容量的选择比较困难，因为对其容量选择太小同步发电机励磁电源将不能正常工作，若选择太大，会使系统的体积增大，目前设计者大都将其选择得很大，只要安装空间允许就尽可能的多用，但是对于功率单元来说，设计的基本出发点是要使其尽可能的紧凑，而体积尽量的小。故合理的选择电容器的容量就显得更为重要。滤波电容器的容量是按功率单元的容量来选择，一般按200uF / kVA来选择电容的容量或按以下经验公式计算：C=（3-5）T/本次设计按200uF / kVA来选择电容的容量。所以C=200*16*43.8*3/1000=420uF额定电压的计算如下：=68.13VUe=1.3*68.13V=88.56V所以本次设计选取滤波电容的额定电压为100V。3.4 逆变电路3.4.1逆变电路概念，原理及分类利用晶闸管或晶体管组成的变流电路将直流电转变成交流电供给负载使用，这种对应于整流的逆向过程，称为逆变。把直流电变成交流电的电路称为逆变电路，或变流器。如果我们把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去，称为有源逆变。如果交流侧不接电网，而直接接到交流负载上，将直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给交流负载，则称为无源逆变。通常我们所指的逆变电路即为无源逆变电路。作为实验装置来说，逆变电路的输出电压不必与电网相接，只需与负载相连，要能够保证负载正常工作。因此本课题选用的是无源逆变电路。逆变电路(无源逆变)的应用很广，通常可以归纳为以下几个方面： (1)把直流电变为交流电，供给交流负载的设备称为逆变器。它用于只有直流电而没有交流电的场合，如海洋中、高山上、宇宙探索等科学研究中。在这些环境中，得到的电源通常为直流电。而有些仪器、设备需要交流电供电，这就需要把直流电逆变为交流电。同样在发电站及一些重要部门也需要逆变器。 (2)如果所提供的电源为工频交流电，但一些重要的设备为提高供电质量和可靠性，都需要配备不停电电源(如通讯系统、计算机系统、生产过程自动化控制系统等)，逆变电路是其中的核心环节。 (3)如果所提供的电源为工频交流电，但用电设备需要的是频率可调的交流电，如三相异步电动机变频调速，就是把输入的三相工频交流电先整流滤波成为直流电，然后再通过逆变环节把直流电变换成为频率集电压大小均可调的三相交流电，如图所示，具有这种功能的设备称为变频器。图3.6电压型三相桥式逆变电路和工作波形变频原理结构框图 图3.6中输入滤波器的作用是减低直流端电压脉动并吸收逆变负载端的无功功率：输出滤波器的作用是减低负载端电压的谐波分量，保证负载电压的波形失真度达到设计要求。由于电力电子器件的发展和逆变电路应用领域的拓宽，从不同的角度进行分类，逆变电路的种类很多。若按直流电源的性质来分类，逆变电路可分成电压型逆变电路（图3.2电压型三相桥式逆变电路和工作波形)和电流型逆变电路，电压型逆变电路按输出端相数又分为单向逆变和三相逆变电路。 在电压型逆变电路中，它们的直流电源是交流整流后由大电容滤波后形成的电压源。电压源的交流内阻抗近似为零，它吸收负载端的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电压是幅值等于输入电压的方波电压。为使电感性负载的无功能量能回馈到电源，电压型逆变电路必须在功率开关两端反并联能量回馈二极管。 电流型逆变电路的直流输入是交流整流后经大电感滤波后形成的电流源。此电流源的交流内阻抗近似无穷大，它吸收负载端的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电流是幅值等于输入电流的方波电流。为适应电感性负载的要求，必须在功率开关上串联二极管，以承受负载感应电势加在功率开关上的反向电压降。电压型和电流型逆变电路的结构不同，应用场合也有区别，具体比较如下表3.1所示。表3.1 电压型和电流型逆变电路的比较项目电压型逆变器电流型逆变器中间滤波环节电容器C电抗器L电源阻抗小大负载电压波形矩形波近似正弦波负载电流波形近似正弦波矩形波二极管的位置与功率开关并联与功率开关串联再生运行由于电极极性不能变，难实现再生制动便于改变电极极性，容易实现再生制动常用制动方式能耗制动再生制动适用场合向多电极供电，不可逆传动或稳速系统以及快速性要求不高的场合单机传动，加、减速频繁运行或需要经常反向的场合由于全控型器件(如IGBT、功率MOSFET等)的出现和发展，电压型逆变电路的应用越来越广泛。电压型逆变电路按照输出电压的波形来分有方波型、PWM型以及SPWM型，其中SPWM逆变方式的某些技术指标更为先进，在中小功率设备中应用较为广泛。37 电压型三相桥式逆变电路和工作波形3.4.2 逆变电路的设计三相桥式逆变电路是最常用的逆变电路，主电路如图3.3三相桥式逆变电路所示，3.8三相桥式逆变电路它的基本原理是：每一个桥臂上的两个开关是交替开通和关断，交替的度数是180度，也就是S1和S2，S3和S4，S5和S6。而桥臂与桥臂的开同或者关断时间是60度，例如S1开通过后60度时S3开通。关断也是同样的道理，我们知道二极管是单相到通的，这样就形成了U，V，W三相交流电。其中Z表示负载。下面结合公式对三相SPWM控制法进行分析。要形成PWM波，三相正弦调制波的幅值一定要比三角波的峰值小才行。若将三相正弦波的幅值记为、，三角波的峰值记为，则有 式中M为调幅比，0M1。就是说正弦调制波（基波）的幅值一定要小于三角波的峰值。按这样的控制方法，三相变频电源的输出相电压就为直流电压的一半。将相电压进行傅立叶分析，可得到三相相电压基波的表达式为: 由于三相电源输出线电压为: 线电压基波幅值是相电压基波幅值的倍，即，所以，对线电压进行傅立叶分解，可得到线电压的基波表达式: 由上式可得，改变调制比M就可以控制输出线电压基波的幅值。在第二章4.2中已分析了M、N对SPWM的影响，并得到N20,0.5M0.9的结果。由以上分析可知，对三相SPWM控制法中，逆变器的输出线电压的基波幅值最大不超过=0.866。由于题目的并未要求做到压频比为恒定，切考虑到题目的参数特点，我在这里选取M为恒定，即就是逆变器不调压。输出高线电压为0到36V。这里不妨取M=0.85，则直流输入电压实际取直流输入电压为050V，则此时的调幅比M=0.831。直流斩波电路的输出也就在050V下设计的。3.5 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）驱动电路设计绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)简称IGBT,如图3.4所示因为它的等效结构具有晶体管模式,所以称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT于1982年开始研制,1986年投产,是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化,最大电流容量达1800A,最高电压等级达4500V,工作频率达50kHz。IGBT综合了MOS和GTR的优点,其导通电阻是同一耐压规格的功率MOS的1/10,开关时间是同容量GTR的1/10。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域,IGBT有取代GTR和VDMOS的趋势。图3.9 IGBT的内部结构等效图3.5.1IGBT结构和功能IGBT 是在功率 MOSFET 的基础上发展起来的，两者结构十分类似，不同之处在于 IGBT 比 MOSFET 多一个 P+层，即多一个 PN 结，并由此引出集电极，这个 PN结的引入，提高了 IGBT 的耐压水平，并可以通过传导率调制，减小通态损耗，但开关频率受到了一定的限制；栅极和发射极的结构与 MOSFET 类似。IGBT 相当于一个由 MOSFET驱动的厚基区 GTR。 IGBT是以 GTR 为主导元件，MOSFET 为驱动元件的达林顿结构。 作为压控型的器件，IGBT 的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压并且大于开启电压VGE时，MOSFET 内形成沟道，并为 PNP 晶体管提供基极VGE（th）电流，从而使 IGBT 导通，由于电导调制效应，使得电阻 Rmond 减小，这样高耐压的IGBT 也具有很小的通态压降。在栅极上施以负电压时，MOSFET 内的沟道消失，PNP 晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。IGBT 的输出特性，第一象限为正向运行区，在这一区内 IGBT 可以承受高截止电压和关断大的电流。通过控制栅极的电压，IGBT 可以由正向截止区域切换到饱和区域，这两种状态之间的主动区域（放大区）只是在开关过程中被越过。第三象限中的电流电压曲线表示 IGBT 的反向特性，这个特性由 IGBT 本身的性能及功率模块中的二极管特性（与 IGBT 串联或反并联）所决定。正向阻断状态：当集电极-发射极电压VCE为正，且栅极-发射极电压VGE小于开启电压VGE（th）时，在 IGBT 集射极之间的残余电流 ICES 很小。随VCE 增加，ICES 略微增加，当VCE 大于最高允许的集射极电压VCES 时，IGBT的pin结（p+井区/n-漂移区/n+层）会出现锁定效应，从物理角度上说，这时的VCES 对应于IGBT结构中PNP 双极式晶体管的击穿电压，进而导致IGBT的损坏。导通状态：当集电极-发射极之间的电压和电流均为正值时，IGBT 为导通状态，可以进一步划分为主动区域和饱和导通区域两部分。当栅极-发射极电压VGE 只是略大于开启电压VGE（th）时，由于沟道电流的饱和效应，输出特性的水平线所示，VCE呈现一个可观的压降，此时集电极电流 IC跟随VGE的变化而变化，这时的IGBT处于放大区域，IC跟随VGE 变化的关系由转移特性的斜率gfs来描述，gfs = dIC / dVGE = IC /(VGE -VGE（th）)。在放大区内，gfs随着 IC 和栅射极间的电压的增大而增大，随着芯片温度的增加而减小。在多个 IGBT 的并联应用中，模块在主动区域内的稳态运行是不允许的，而只能在开关过程中被经过，这是因为VGE（th）随温度的上升而下降，因此单个芯片之间的制造偏差就可能引起温升失衡。当VGE 超过开启电压VGE（th）一定量时，IGBT 的输出特性便进入图中的陡斜部分，这时 IGBT 的 IC 集电极电流只是由外部电路的参数来决定，这时称 IGBT 处于饱和区域，也叫开关处于导通状态。这时的 IGBT 的 C-E 间残余电压称为饱和压降VCEsat ，IGBT 的特殊结构使得其VCEsat 明显低于同类的 MOSFET 的值。PT(Punch Through)型IGBT 的VCEsat 在额定电流区域内随温度升高而下降，NPT型IGBT 的VCEsat 随温度升高而升高。反向运行状态：反向运行状态对应于第三象限，此时IGBT的集电极端PN结处于截止状态，IGBT 不具有反向导通的能力，由于人们在芯片设计中着重追求正向截止电压和优化集电极端口散热，目前的 IGBT 的反向耐压仅在几十伏左右，IGBT在静态反向工作时，其输出特性由模块内部或外部反并联的续流二极管特性来决定。3.5.2驱动电路的设计由于IGBT的迅速普及，用于栅极控制的驱动模块也应运而生。如富士公司的EXB系列驱动模块；三菱公司的M57962L、M57959L驱动模块；瑞士Concept 公司的SCALE系列驱动模块等。本设计采用三菱公司的M57962L驱动模块。它有以下几个特点：(a)采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合20KHz左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻(约185)，可将5V的电压直接加到输入侧；(b)如果采用双电源驱动技术，使输出负栅压比较高。电源电压的极限值为18V/15V，一般取15V/10V；(c)信号传输延迟时间短，低电平高电平的传输延迟时间以及高电平低电平的传输延迟时间都在1.5s以下；(d)具有过流保护功能。M57959L仍通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流，一旦过流，M57962L将对IGBT实施软关断，并输出过流故障信号。M57962L的典型应用电路如图3.5所示，驱动器应尽可能的靠近IGBT模块，其连线最好采用三股绞线，连接导线的长度限制在100mm以内。图3.10是M57962L的内部结构和与IGBT连接原理图 4 控制回路的设计控制回路主要由两部分个部分构成：控制电路部分、SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation)脉冲信号产生部分。控制电路用来控制实验电路单元中的逆变电路和保护电路的；SPWM信号产生电路用于产生六路SPWM波形；驱动电路可以对SPWM波形放大隔离驱动逆变环节中的开关元件导通与关断。而本设计的完成的控制主要有直流斩波电路调压控制和逆变电路变频的控制。结合我们自己的特点选择了控制器，逆变电路我们选用TI公司的TMS320F2808控制。4.1控制回路的原理4.1.1 PWM控制原理晶体管相控调压或PWM斩波器调压比串联电阻调压损耗小，效率高。而斩波调压又比相控调压又有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置。图4.1为PWM降压斩波器原理电路和输出电压波形。在图4.1(a)中假定晶体管先导通秒，然后关断秒。如此反复，则电枢电压波形如图4.1(b)。电枢断电压为平均值。图4.1 PWM降压斩波电路原理图及输出电压波形图a)原理图 b)输出电压波形图 ,式中,为一个周期T中，晶体管导通时间的比率，称为占空比或负载率。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的：（1）定宽调频法：保持一定，使在0范围内变化；（2）调宽调频法：保持一定，使在0范围内变化；（3）定频调宽法：+=T保持一定，使在0T范围内变化；不管那种方法，的变化范围均为01，因而电枢电压平均值的调节范围为：0，均为正值。4.1.2 控制回路设计 图4.2 TMS320 F 2808芯片引脚分配控制回路主芯片引脚分配图如图4.2所示。U，/U，W，/W，V，/V为PWM输出口。由于电平不匹配，中间环节加了电平转换芯片，其接口图如图4.3所示。电平转换芯片采用SN74LV4245A，/OE和DIR接地，表示信号从B口输入，A口输出，/OE为信号使能端。EN1为IGBT驱动芯片的使能端。输出的六路信号UP，UN，WP，WN，VP，VN分别接IGBT的驱动端，驱动IGBT的开短。图4.3 转换电平芯片4.1.3 控制芯片介绍 TMS320F系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计的，该系列DSP控制器将实时处理能力与控制功能集于一身。TMS320F系列DSP有如下主要特征：灵活的指令集内在的操作灵活性高速的运算能力改进的并行结构有效的成本 TMS320F系列DSP同一产品的器件具有相同的CPU结构，但片内存存储器和外设的配置不同。派生的器件集成了新的片内外设，以满足世界范围内电子市场的不同需求。通过将存储器和外设集成到控制器内部，TMS320器件减少了系统的成本，也节约了电路板的空间。在TMS320系列DSP的基础上，TMS320F2808有以下特点1 采用高性能静态CMOS技术，供电电压为1.8到3.3伏。执行频率100兆Hz，使得周期为10ns，从而提高了控制器的实时控制能力。2 基于TMS320F2XXXDSP的CPU核保证了TMS320F2808系列的DSP代码兼容。3 片内高达64K字程序RAM，64K字数据RAM，高达544字数据/程序双口RAM。4 事件管理EV单元包括：3个16位通用定时器，12个16位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实现：三相反相控制：PWM的对称和非对称波形：当外部引脚出现低电平时快速关断PWM通道：可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲：四个捕获单元；片内光电编码器接口电路：16通道A/D转换器。事件管理器适用于控制交流感应电机和直流电机，逆变器。5 可扩展的外部存储器，64K字程序存储器；64K数据存