（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga控制的三相变频电源系统的设计.pdf

a b s t r a c t t h em a i no b j e c t i v eo ft h i st o p i cf o rv a r i a b l ef r e q u e n c yp o w e rs y s t e mi sh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n ，b e i n gu s eo ff p g af o rc o n t r o lo fv a r i a b l ef r e q u e n c yp o w e r s u p p l y c o n v e n t i o n a lm i c r o p r o c e s s o r , s u c ha st h e5 1s e r i e s ，i sn o ts t r o n g ，b e c a u s eo f t h e i rw e a kc o m m a n df u n c t i o n s ，s l o wp r o c e s s i n gs p e e d ，l o n gm u l t i p l i c a t i o n a n d d i v i s i o ni n s t r u c t i o nc y c l e ，s l o wt h ee x t e r n a lc i r c u i td a t at r a n s f e rs p e e d ，e t c t h e p e r f o r m a n c eo fv a r i a b l ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l yc a n n o tf u l l yp l a y , b e c a u s eo ft h e s e s h o r t c o m i n g s i ti sa l s od i f f i c u l t t or e a l i z et h ep o w e ro fm o d e r ni n d u s t r yo nt h e f r e q u e n c yr e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ec o n t r o l ，b u th i g h - p e r f o r m a n c ef p g a ( o rd s p ) h a v eb e e nr e s o l v e dt h e s ei s s u e s a st h ef p g a sh i g hs p e e d ，h i g hp e r f o r m a n c ea n d h i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es w i t c hi g b to ft h ee x p e r i m e n t a li n v e r t e r , a n d t h eu s eo fd i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i sd d s ，e t c ，s ot h ep o w e ro u t p u tw a v e f o r m i sh i 曲f r e q u e n c y ，h i g h q u a l i t y , h i g h p r e c i s i o n ，r e a l t i m ea n dw i d ef r e q u e n c yr a n g e ： a n ds u b c o n t r o lm e t h o du s e dt om a k ev e r yg o o dh i g ha n dl o wf r e q u e n c yw a v e f o r m s t h i sf r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e mi sc o m p o s e do fi n v e r t e rm a i nc i r c u i ts y s t e m a n dt h ef p g ac o n t r o lc i r c u i ts y s t e m ，i n c l u d i n gt h ef p g ad e v e l o p m e n tb o a r d ， i n v e r t e rd r i v ec i r c u i t ，a d s a m p l i n gc i r c u i t ，t r a n s f o r m e rc i r c u i t ，a u x i l i a r yp o w e rs u p p l y c i r c u i t ，r e g u l a t o rr e c t i f i e r , f i l t e ra n db u f f e rc i r c u i t t h ef p g a c o n t r o l l e ro u t p u tt h e6 p w m ss i g n a l ( p w m1 p w m 6 ) t oc o n t r o lt h ei n v e r t e rs w i t c ho f fo ro n ，t h eo u t p u ti s s a m p l e db yc u r r e n ta n dv o l t a g et r a n s f o r m e r s ，a n dt h e np a s s i n ga dc o n v e r s i o nu n i tt o c o n v e r ti n t od i g i t a ls i g n a l s ，f i n a l l y , t r a n s m i t i n gi n t of p g ac o n t r o l l e rt or e g u l a t et h e o u t p u t a sc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m f e e d b a c ks i g n a l st r a n s m i ti n t ot h ef p g a p i n s o nt h eo n eh a n d ，f o ro u t p u tr e g u l a t i o n ；t h eo t h e rh a n d ，f o ro v e r - c u r r e n tv o l t a g e p r o t e c t i o n s o f t w a r ed e s i g no ft h i sp r o j e c ti st ow r i t ev e r i l o gh d lc o d e ，u s i n gf p g al o g i c g a t e s ，i pc o r e ，l u tu n i t ，m e m o r y , c l o c k ( d m c ) a n do t h e rr e s o u r c e s ，g e n e r a t i n gt h e d d sm o d u l e ，t h et r i a n g l ew a v em o d u l e ，t h em o d u l et h a tt h r e e - p h a s es i n ew a v e ( m o d u l a t i o nw a v e ) a n dt h et r i a n g u l a rw a v e ( c a r r i e r ) t oc o m p a r e ，t h er e m o v em o d u l e ， t h ed e a dm o d u l e ，t h ea d - i u s tm o d u l e ，t h em u l t i p l i c a t i o nm o d u l e ，f mm o d u l e ，f a u l t ( o v e r c u r r e n t o v e r l o a d ，o v e r u n d e rv o l t a g e ，e t c ) d e t e c ta n db l o c kp r o t e c t i o nm o d u l e s ， h a r d w a r ew a t c h d o gm o d u l e ，s a m p l ec o n t r o lm o d u l e ，m u t u a li n d u c t a n c ec o n t r o l m o d u l e ，s i xp w m sp u l s ea n dr e l a t e da l g o r i t h m sm o d u l e ，a n db eg o i n gt oi m p r o v e d k e y b o a r da n dd i s p l a yc o n t r o lm o d u l e ，a n dp c s e r i a li n t e r f a c em o d u l e f i n a l ly , c o m b i n e dh a r d w a r ew i t hs o f t w a r ed e b u g g i n g ，p r o v e n ，s o f t w a r ea n d h a r d w a r eh a v ea c h i e v e dt h ed e s i r e dg o a l ，a n da c h i e v e dt h eb a s i cf u n c t i o n s ，a n dg o o d r e s u l t s t h es u b j e c to fa l lt h ec o n t r o lc i r c u i t r ya r ei n t e g r a t e di nt h ef p g a ，r e d u c i n gt h ep c ba r e a i i i a n di m p r o v i n gs y s t e mt e l i a b i l i t y , t e d u c i n g 删s v a r i a b l e f r e q u e n c yp o w 盯鲫p p l y ! ) 删砌e t h e i ro w ne n e 略yf o 舢sr e q u i r e dw i t ht h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t ，i ta p p l i y t h el n v e r t e r t e c h n 0 1 0 9 yw i d e ly ，w i t h e f f i c i e n ta n df l e x i b l e ，e n e r g y s a v i n g , m a t e r i a ls a v m 舀 d v n a m i cp e 向珊a n c e a n dg o o df e a t u r e s t op r o m o t ed e v e l o p m e n t o fv a n a b i e f r e q u e n c yp o w e ri si m p o r t a n tf o rt h e c h i n st h e ”l o wc a r b o ne c o n o m ya n dc i e a n e n e r g y ”s t r a t e g y k e v w o r d s ：f p g a p r o g r a m m a b l e l o g i c ，i n v e r t e r , d d s d i r e c t d i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r , s o p c s y s t e mo nap r o g r a m a b l ec h i p ，s p w m s i n l l s o i d a l p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 口 学位论文作者签名： 签字日期：年月 同 导师签名： 签字几期：前 星 、吨年 i ，多 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导帅的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 集成电路作为电子元器件最重要的基础产品之一，己渗入到电源、电机控制 领域。电源、电机控制集成电路的开发和使用已成为当今世界的高新技术，它在 工业控制，仪器仪表，家用电器等各电气自动化领域已成为必需的元件。电源、 电机控制：签片作为专用集成电路的一个重要方面，具有非常重要的作用，其不但 能简化外围电路，给电源、电机控制带来方便，且能缩小体积，降低成本，改善 性能，调整简便，还具有大大提高了系统的可靠性和抗干扰性的优点，具有非常 广泛的应用前景。 一个控制系统的性能取决于控制器所能达到的运算速度和控制精度。近几年 随着微电子集成技术的迅猛发展，可编程逻辑器件p l d 的广泛应用，利用可编 程逻辑器件来构成各类电源、电机的控制系统的研究方兴未艾。任何一类的 f p g a c p l d 均是由大量的门和触发器组合在一起构成的积木式结构芯片，把一 个复杂的数字控制电路全部设计到一个芯片中，从而实现系统的高度集成化和高 可靠性l 。 1 1 电力电子变频技术 电力电子技术诞生至今已经近5 0 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，已经形成较为完整的学 科体系和理论。各国专家学者认为：信息电子技术的发展造就了信息时代，而实 现“弱电控制强电”的电力电子技术的发展是人类社会的第二次电子革命。在将来 工业高度自动化的情况下，计算机技术、电力电子技术及自动控制技术将成为三 种最重要的技术。电力电子技术中最基本的电能变换形式可概括为以下四种： ( 1 ) a c _ d c ：把交流电能转换为直流电能，这种设备统称为整流装置。常 用于充电、电镀、电解和直流电动机调速等。 ( 2 ) d c _ a c ：把直流电能转换为交流电能，这种设备称为逆变器。逆变器 输：i 可以是恒频，如用于恒压恒频( c v c f ) 电源或不| 、日j 断供电设备( u p s ) ；也可以 变频，如用于各种变频电源、高频感应加热、电焊机电源、有功功率电源调节器 和交流电动机的变频调速等。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) a c a c ：将交流电能的任一参数( 幅值、频率和相位) 加以转换，实现这 类转换的设备称作交流变换器。其中，对交流电压幅值进行转换的设备称为交流 调压器，多用于调温、调光；对交流电的电压大小和频率进行转换的设备称为变 频器，多用于交流电动机的变频调速等。 ( 4 ) d c - - * d c ：将直流电能的任一参数( 幅值和极性) 加以转换，实现这一转换 的装置称为直流变换器或直流斩波器。主要用于直流电压变换器、开关电源和电 车、地铁、矿车、搬运车等的直流电动机的牵引传动。 如果把直流电看成频率为零的特殊交流电，以上四种变换都属于频率变换。 当然，它们可以复式变换。例如：整流器与逆变器组合，就称为交一直一交变换 器，这是目前应用最多的一种方案，在此种结构中，无论作为变频调速器还是 逆变电源，逆变技术在整个系统中都占有重要的地位。 变频技术是电力电子技术的主要组成部分，它的核心是逆变技术，它主要应 用在交流电机调速和供电电源两个领域。所谓变频就是利用大功率电子器件( 如 功率晶体管g t r 、绝缘栅双极晶体管i g b t 等) 将一种交流电变换成另一种用户 需要的交流电，如将5 0 h z 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( 又称交一交变频) ，即把市电直接变成其它频率的交流电，大多应用 在大功率的交流调速中及其它变频设备中；间接变频( 又称交一直一交变频) ，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s p w m 变频。常用的方 法有证弦波( 调制波) 与三角波( 载波) l l 较的s p w m 法、磁场跟踪式s p w m 法和 等面积s p w m 法等。 目前，用于变频器的电力电子器件主要有晶闸管、门极可关断晶闸管( g t o ) 、 双极型电力晶闸管( g t r ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、功率m o s 场效应管( 功率 m o s f e t ) ，以及最近几年在这些基本器件基础上发展起来的集成模块和智能功 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 等。 i g b t ( 绝缘栅双极晶体管) 是m o s e f r 与g t r 的复合器件，因此，它既具有 m o s f e t 的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热稳定性好的优点，又 包含了g t r 的载流量大、阻断电压高等多项优点，有更广泛的应用领域。从1 9 8 6 年至今，i g b t 发展很快，目前i g b t 的电流和电压等级已达到1 8 0 0 a 3 5 0 0 v ， 2 江苏大学硕士学位论文 关断时间已缩短到4 0 n s ，工作频率可达4 0 k h z ，擎住现象得到改善，安全工作区 ( s o a ) 扩大，己经成为大功率开关电源、逆变器等电力电子装置的理想功率器件， 本实验的逆变电路开关管采用i g b t 器件。 变频电源有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压 电源。变频电源的主要功用是将现有的交流电嘲电流变换成所需频率的稳定的纯 净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、 电压波形为纯正弦波( 无失真) 。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进 发达酗家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的 供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。三相变频电源主要有二大种类：电 晶体放大型三相变频电源和p w m 开关型三相变频电源。d p 系列三相变频电源， 以微处理器为核心，以p w m 方式制作，正弦脉宽调制等技术，使单机容量可达 1 0 0 0 k v a ，以隔离变压器输出来增加整机稳定性，具有负载适应性强、输出波形 品质好、操作波形好、操作简便、体积小、重莆轻等特点，具有短路、过流、过 压、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。变频电源的核心技术是逆变技术， 逆变技术的发展将直接影响变频电源的发展，现代逆变器的研究内容主要有以下 几个方面1 2 1 1 3 l ： 输出电压或电流波形正弦化技术：如s p w m 技术、多重叠加技术、多电 平逆变技术等； 降低丌关损耗，减小电磁干扰技术：如缓冲技术，软丌关技术等： 减少逆变器体积，重量技术：如内高频坏技术等； 提高直流电压利用率技术：如空间电压矢量p w m 控制技术、注入3 次谐 波的p w m 技术、梯形波p w m 技术等； 逆变器的并联运行技术； 绿色逆变技术； 智能化逆变技术； d e l t a 逆变技术等。 1 2 变频电源的国内外发展状况 ( 1 ) 国外研究状况 3 江苏大学硕士学位论文 逆变技术的主要用途是用于交流传动，静止变频和u p s 电源等设备的研制 与应用。逆变器的负载多半是感性负载，为了提高逆变效率，存储在负载电感中 的无功能量应当能反馈回电源。逆变器的原理早在1 9 3 1 年就在文献中提到过。 1 9 4 8 年，美国西屋( w e s t i n g h o u s e ) q 王气公司采用汞弧整流器制成了3 0 0 0 h z 的感 应加热用逆变器。近年来，随着新型的电力电子元件的不断产生与发展，新的控 制技术的出现，逆变技术也得到了飞速发展。1 9 6 4 年，由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 提出的把通信系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术 ( s i n u s o i d a p w m ，简称s p w m ) ，由于当时开关器件的速度慢而未得到推广) 。直 到1 9 7 5 年才由b r i s t o l 大学的s r b o w e s 等把s p w m 技术正式应用到逆变技术 中，使得逆变器的性能大大提高，并得到广泛的应用和发展，也使正弦波逆变技 术达到了一个新高度。此后，各种不同的p w m 技木相继出现，例如注入三次谐 波的p w m ，空间向量调制( s v w ) 、随机p w m 、电流滞环p w m 等，成为高速器 件逆变器的主导控制方式。至此，j 下弦波逆变技术的发展已经基本完善。 另外，世界先进工业国家知名半导体厂商都对电机控制芯片非常重视，竞相 研制开发出自己的电机控制专用集成电路，一方面供自己公司内部的电子整机使 用，同时供应国际市场。如美国的m o t o r o l a ，n a t i o n a l ，t i ，g e ， s e m l c o n d u t c o r ，德国的s l e m e n s ，荷兰的p h i l i p s ，同本的三菱，松下， 三洋等著名公司。电路也由模拟电路向模拟数字混合的集成电路转化，有的已经 完全实现了数字化。 目前，用于交流电机控制的芯片主要有m u l l a r d 公司生产的h e f 4 7 5 2 ， 德国西门子的s l e 4 5 2 0 ，英国m a r c o n i 公司生产的m a 8 1 8 ，这螳芯片具有以 下功能：能够实现对相序的控制，换相时能对同一路上下桥臂上的晶体管进行互 锁延时，能够输出逆变器所需的六路设定p w m 脉冲，输出频率可以在i h z 到上 百h z 之间连续调节，在检测到过压，过流，过载时能够对p w m 脉冲输出进行 封锁。这些芯片己经实现数字化，性能也比较稳定，虽然芯片本身具有这些功能， 但必须借助于微机，对s l e 4 5 2 0 而言，微处理机是在较低层次上介入控制芯片 的工作，微处理机无暇顾及更多功能。与s l e 4 5 2 0 类似，m a 8 1 8 功能比s l e 4 5 2 0 强大得多，虽然微机的介入程度很低，但也必须在微机的配合下爿能实现这些功 能。h e f 4 7 5 2 可以采用微处理器控制，也可以不用微处理器而用模拟控制。国 4 江苏大学硕士学位论文 内同类芯片是重庆钢铁设计研究院开发的z p s l 0 1 ，也须借助于微处理器或采用 比较复杂的外部电路才能实现那些功能。 微电子技术，电子技术，计算机技术在相互渗透和相互促进的关系中均得到 了高速的发展。现代信息社会的支柱，即计算机和通信，其主要硬件是集成电路。 以集成电路的发展为标志的微电子技术无处不在，已成为了现代信息社会的基 础。 集成电路自1 9 5 9 年在美国得州仪器和西屋电气公司诞生以来，以惊人的速 度发展。第一块集成电路上只有四个晶体管，而目前集成电路可以在一片硅片上 集成几千万，甚至上亿只晶体管。集成电路的发展经历了小规模l c ，中规模 l c ( m s l ) ，大规模l c ( l s l ) ，超大规模i c ( v l s i ) ，特大规模i c ( ul s l ) 的不同阶段。 集成电路的工艺也发展到深亚微米。目前0 2 5 微米和0 1 8 微米己开始进入大生 产。0 1 5 微米和0 1 3 微米大生产技术也己经完成开发，具备了大生产的条件。 2 0 0 3 年，几个主要的c p u 厂商推出的主流c p u 都采用了0 1 3 u m 的工艺，在另 一个关键技术一互连技术上，铜互连已在o 2 5 0 1 8 微米技术代中使用，与此同 时，集成电路的性能( 高集成度，高速度，低功耗) 也迅速提高，“奔腾4 m ”c p u 频率超过了3 g h z 。 早在1 9 6 0 年，i n t e l 公司的创始人之一g o r d o n e m o o r e 曾预言，集成电路的 功能随时间成指数增长。l c 近4 0 年的发展历史完全证实了m o o r e 的预言。集成 电路最主要的特征参数的设计规则从1 9 5 9 年以来4 0 年间缩小了1 4 0 倍。而平均 晶体管价格降低了1 0 7 倍。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络 化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越严格，集成电路规模越来越大，复 杂程度越来越高，传统l c 设计技术己经无法满足性能同益提高的整机系统的要 求。同时，由于l c 设计与工艺技术水平不断提高，目前，系统级芯片 ( s y s t e m o n a c h i p ，s o c ) 己能将包括数字l c 和模拟l c 的整个系统集成在单个芯片 上，完成系统的功能。s o c 的出现，使集成电路逐步向集成系统( i n i e g r a t e d s y s t e m ) 的方向发展5 1 。 ( 2 ) 国内研究状况 目前，市面上很多国内厂家生产的变频电源，在电磁兼容性和抗电磁干扰方 面与网际标准还有很大差距。滤波技术、谐波削去法等新型s p w m 波生成技术 5 江苏大学硕士学位论文 便成为重要的研究方向。 国内的变频电源行业j 下在迅速发展，其中变频加热方面的主要有以下几种： 沧州市电器控制设备厂一的b d c 系列智能变频电磁加热石油的电源控制装 置，选用可靠的大功率i g b t 或i g c t 进口模块与工业单片机控制，智能化数字 操作与p w m 调制技术。具有良好的软起动特性，中心开关频率可以达到 1 1 7 k h z ，输出频率可达l 1 5 0 0 h z 并具有多种参数设定和跟踪监控功能。在过 压、过载、欠压、短路、过热时，可快速进行关断保护以防止主要电子器件损坏。 g t s 系列油井变频电磁加热炉。它主要是由变频电源控制柜、耐高温电缆、 多组电磁加热器构成。电磁加热器串接在油管上，可延伸至井底油层，由终端构 成回路。电源柜输出的电流经耐高温电缆流向各个加热器，然后经油管管柱返回， 利用电磁加热器和油管管柱将电能转变成热能，对油管内和油层原油进行加温和 磁化，使其降低阻力，增加流动性，防止结蜡。 滨州智能科技有限公司研制的油f f l 用抽油杆变频加热系统，该系统采用中频 变频的方法，对抽油杆进行加热。较好地解决了稠油丌采难度大，能耗高的难题。 主要功能：节能效果明显。与传统的方法比较，节电率达4 0 以上。工作可靠， 具有记忆功能，投资回收快，故障报警。 以上产品虽然加热性能较好，也经受住了现场恶劣工作环境的考验，但都是 矩形波实现的变频控制，而小是证弦波，精度比较差，如果要求精度高就不适合 了，这也正是本课题研究的目的之一。 经过近十年的努力，我国的可控硅的电压和电流容量、性能以及产品的稳定 性有了很大的提高，快速可控硅和高频可控硅也已试制成功。基于s c r ( 半控型 的普通晶闸管) 的电源装置的研制范围迅速扩大，产品种类增多，涉及到变频调 速、中频感应加热、大容量丌关电源、小型轻量化4 0 0 k v 高压电源、电火花加 工电源、声纳电源等等。 进入2 0 世纪8 0 年代，国际上丌关电源开始实用化，p w m 高频调制技术、 软开关技术、处理网侧谐波电流和提高网侧功率因数的p f c 技术r 功率因数纠正 技术) 的研究以及柔性交流输电系统概念的提出引起学术界和企业界的广泛和浓 厚兴趣。电力电子技术的应用步入高频、高性能、高功能因数和低污染的新阶段。 近年来，中国电源产业的发展无论是从技术上，还是从产业的规模上来说， 6 江苏大学硕士学位论文 都发展到前所未有的阶段，成为社会各界关注的一个行业。随着经济的发展和科 学技术的进步，节约能源、保护环境己被社会各界所接受并且高度重视。电源是 节约能源的重要环节，经过电力电子和电源技术处理之后的电力供应，节能效果 明显。另外，电源产品的小型化还可以节约大量的铜、铁等原材料。所以，电力 电子和电源技术的发展是一个国家技术进步的重要标志i 引。 随着我国的改革开放，大量使用6 0 h z 电源供电的生产线、设备搬到我国使 用。由于我国供电电源频率标准为5 0 h z ，如果直接将这些生产线、设备接入我 国电网使用，一般情况下设备的整体效率会下降3 0 ；如果是精密的设备则不 能工作。所以现在一般的做法是自备发电机发6 0 h z 电源供设备使用。随着世界 能源的紧缺，小规模的自备发电成本同益高昂；而且自备发电造成噪音、环境等 严重污染及发电效率低的问题。怎样彻底解决这些问题，降低生产成本，提高企 业的竞争力，江门市安利机电工程有限公司成功开发出大功率变频电源设备替换 发电机发电，并在东莞台丰印刷电路板厂得以应用，取得极其满意的效果及非常 显著的经济效益。江门市安利机电工程有限公司与芬兰v a c o np l c 公司共同研发 的v f 系列变频电源，单台功率容量从4 5 k v a 1 5 0 0 k v a 。它是专门针对替换发 电机对整厂生产设备供电而特殊设计的。 随着现代电力电子技术、微电子控制技术的不断发展，采用开关管i g b t 作 为功率器件的大功率逆变电路( 4 0 0 k w 以上) 同趋成熟和稳定。特别在变频调速领 域，大功率变频器更得到广泛的应用，世界上几家著名的变频器生产厂家均形成 了系列化规模化生产大功率变频器产品，从而使大功率变频器无论在价格上、质 量上、稳定性等方面都有较大的改善，为采用大功率变频电源替换发电机打下坚 实基础。 1 3 变频电源的发展方向 变频技术是电力电子技术的主要组成部分，应用十分广泛，它主要应用在交 流电机的调速和供电电源两个领域。电源在电子设备中有着极为重要的地位，对 变频电源的研究具有蘑要的理论意义和工程实用价值。 传统的逆变电源技术采用模拟电路控制，在早期的现实条件下，模拟电路控 制技术满足了一定的要求，但是模拟电路存在一些固有的缺点： 7 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 因采用大量的分立元件，导致系统的成本偏高，可靠性下降。 ( 2 ) 器件热漂移问题的存在，导致系统输出性能变差。 ( 3 ) 产品升级换代困难。 在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。即便在逆 变电源的设计中采用了微处理器，例如5 1 单片机，但由于微处理器的速度有限， 通常只具有给定正弦波的发生、控制逆变电源的开关及实现保护显示等功能，变 频电源的核心逆变器的控制仍然需要模拟电路的参与，导致系统的成本偏高、 精度和可靠性不高、产品升级换代困难。 自2 0 世纪下半叶以来，微电子技术得到了迅速发展，使得将原先由许多l c 组成的电子系统集成在一片单片硅片上成为可能，构成所谓的片上系统( s o c ) ， 将信号采集，处理和输入输出等完整的系统功能集成在一起，成为一个专用的电 子系统芯片。当今电子系统的设计已不仅仅是利用各种通用l c 进行p c b 板级的 设计和调试，而是转向已大规模f p g a 或a s i c 为物理载体的系统芯片的设计， 其中基于f p g a 的系统称为可编程片上系统( s o p c ) 。s o p c 的设计以知识产权核 ( i pc o r e ) 为基础，以硬件描述语言为主要设计手段，借助以计算机为平台的e d a 工具进行。 现场可编程逻辑器件( f p g a ) 的出现和它同新月异的发展速度，为电机调速 和各类电源的控制提供了很好的契机。现在各类用于电机调速和各类电源的芯 片，各大公司均有成熟产品，而自行研究集成度很高的调速和各类电源芯片，已 经成为趋势，f p g a 在电机调速和各类电源领域越来越受青睐。由于f p g a 具有 足够高的时钟频率和大规模逻辑门，所以易于实现以往无法实现的算法，并且在 系统编程的特点使得其研发比较灵活。 2 0 世纪7 0 年代出现的各种计算机辅助设计c a d 软件，正好满足了这种要 求，解决了这方面的难题，特别是进入2 0 世纪9 0 年代以来，电子设计自动化 e d a ( e l e e t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术的发展和普及给电子系统设计带来了革命 性的变化，并已渗透到电子系统设计的各个领域。在半导体方面，可编程技术被 广泛应用于器件的设计上，给数字系统的设计带来了极大的方便1 8 - 1 0 】。 变频电源是电力电子技术的主要应用领域之一，j 下是电力电子技术的飞速发 展推动了电源技术的进步。而电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展为标 8 江苏大学硕士学位论文 志的，从某种意义上说，变频技术的发展过程正是半导体开关器件发展过程的反 映。当的变频电源正朝着以下几个方向发展： ( 1 ) 高频化 理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供 电频率的平方根成反比。所以当把频率从工频5 0 h z 提高到2 0 k h z ，提高4 0 0 倍 的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5 1 0 。 ( 2 ) 模块化 模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的 模块化。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成 了“智能化”功率模块( i p m ) ，缩小了整机的体积，也更方便了整机的设计制造。 ( 3 ) 数字化 在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七 十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础之上，而现在数字信号、数字 电路显得越来越重要，数字信号处理技术只趋完善成熟，显示出越来越多的优点： 便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰( 提高抗 干扰能力) 、便于软件包调试，也便于自诊断、容错等技术的植入。 ( 4 ) 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约， 而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染：其次这 些电源不能对电网产生过多污染，国际电工委员会( i e c ) 对此制定了一系列标准， 如i e c 5 5 5 ，i e c 9 1 7 ，i e c l 0 0 0 等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变 成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因子下降，使电 网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变1 1 1 1 1 1 列。 1 4 软开关逆变技术 传统硬歼关逆变器因受开关损耗的影响，丌关频率难于提高，而随着丌关管 的频率升高和高频所带来的诸多优势，如减少噪声、提高输出波形质量等，使软 开关逆变器又成为一个研究的热点之一，因此随着电力电子的发展，软丌关在逆 变器中的应用也将得到更进一步的发展。 9 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 软开关逆变技术概况 电力电子技术从5 0 年代中期诞生后，经过近5 0 年的发展，已经形成较为完 整的学科体系和理论，成为相对独立的学科门类。近年来，电力电子学更是获得 了突飞猛进的发展，并且这种发展被各国专家学者视为人类社会的第二次电子革 命。而软开关逆变技术的研究则是目前电力电子技术领域中最为活跃的一个研究 方向，对软开关理论的深入研究，以及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换 器的设计出现了革命性的变化。软开关逆变电路这个概念是由美国的d i v a n 博士 在1 9 8 6 年提出的，这个概念从一出现就显示出了蓬勃的生命力，并受到了各国 专家学者的充分关注。与常规的硬开关逆变器相比，谐振软开关逆变器具有许多 明显的优势，如低噪声、低电磁干扰、输出波形质量高、不需缓冲( s n u b b e r ) 电路、 散热器尺寸大大减小、丌关器件可在高效率和高可靠性下工作等。 ( 2 ) 软丌关逆变电路拓扑结构分类 软开关技术逆变器电路拓扑结构有多种划分方法，按谐振环节位置和结构、 丌关波形的特性及谐振的形式( 如并联或串联) 的不同，可以分为为如下几类： 负载谐振逆变电路 谐振网络和负载相连，在整个开关周期内以频率，进行振荡，这种负载上振 荡的电压和电流就可以为逆变桥中的主功率器件创造z v s 或z c s 条件，逆变桥 可以是半桥或全桥结构。一般情况下，分为两类： 串联谐振拓扑结构：谐振网络和逆变桥串联，逆变桥给谐振网络提供一个方 波电压。负载和谐振网络之间的连接是多种多样的，串联并联混合谐振结构( 如 串并、并串和多谐振) 。 并联谐振拓扑结构：谐振网络和逆变桥并联，逆变桥给谐振网络提供一个方 波电流，同样，负载和谐振网络之间也可以是串联或并联。 谐振环节逆变电路 在谐振环节逆变器的电路中，谐振环节位于直流总线上。根据该谐振环节的 结构特性和丌关模式，此种逆变器又可分为以下两种类型： 谐振交流环节逆变器( r e s o n a n t a c l i n k i n v e n e 卜r a c u l 指的是谐振环节的输 出是交流的电压或交流的电流，从而给逆变桥上的丌关提供了z c s 或z v s 条件， 同时也就要求逆变桥上的丌关必须是双向器件。 1 0 江苏大学硕士学位论文 谐振直流环节逆变器i ：( r e s o n a n t d c l i n k l n v e n e 卜r d c l l l 指的是谐振环节的输 出是直流脉冲，同时可以为逆变桥上的开关提供z c s 或z v s 条件，这时逆变桥 上的开关只要求是单向器件。 谐振过渡逆变电路 在这种逆变器中，输入总线电压或电流是阎定不变的，而软开关条件的实现 是通过逆变开关两端的电压和电流谐振而产生的。理想状况下，谐振只发生在开 关过渡的瞬间，而且应该使谐振电路在功率传递到负载的过程中吸收的能量达到 最小值，当然谐振能量一定要足够大( 与负载的变化无关) ，以满足产生z v s 或 z c s 的条件。这类逆变器包括极谐振电路、谐振吸收电路，准谐振电路和软开关 过渡技术的p w m 转换( z v t 和z c t ) 1 3 - 1 5 】。 1 5f p g a 在逆变控制中的优势 ( 1 ) 可编程逻辑器件在逆变控制中的优势 任何一类的f p g c p l d 均是由大量的门和触发器组合在一起构成积木式 结构的芯片，把一个复杂的数字控制电路全部设计到一个芯片中，从而实现系统 的高度集成化和高可靠性。主要特点如下： ( a ) 速度快。虽然不同公司不同系列的f p g a c l p d 的速度各不相同，但其 运行的时钟均可达几十m h z 甚至一百多m h z ，已是远大于d s p 和各类微控制 器的速度，现在也已有2 0 0 m h z 的产品问世。 ( b ) 规模大。目前市场上f p g a 的密度从几千系统门到2 、3 百万系统门。 在电机调速或电源的控制系统设计过程中，可以把所有的电路在一片：笆= 片中完 成，减少p c b 的面积，提高系统可靠性。 ( c ) 灵活性大。由于f p g a 不仅对其内容可重复编程，对其i 0 口也可以重 新配置。这样，当发现有的系统有缺陷或需要对系统进行升级时，则有可能不需 要改变p c b ，而只对f p g a c p l d 重新编程即可，从而降低成本，缩短开发周期。 ( d ) 设计开发简单。为了提高工作效率，f p g a c p l d 的丌发软件中集成有 不同的丌发方式，以适应各种不同的电子工程师的需要，如原理图设计方法、 a b e l 语言和h d l 语言( 包括v h d l 语言和v e r i l o gh d l 语言) 。目前，使用最 广泛的是h d l 语言，可大大降低硬件电路设计的难度，根据系统的行为和功能 江苏大学硕士学位论文 需求，“自上而下”地逐层进行设计描述、综合、优化、仿真与验证，直到完成整 个器件的设计。另外，还可以利用各f p g a 公司提供的功能内核( 1 p 核) ，使设计 更加快速和灵活。 ( e ) 由于f p g a 规模大、速度快，所以在f p g a 内可以实现各种复杂的功能， 如3 2 位算法函数、流水线乘法等复杂逻辑，以及复杂的控制函数和高精度的速 度调节等控制器1 1 6 l 1 17 】。 ( 2 ) 硬件描述语言在逆变控制中的优势 v h d l 和v e r i l o gh d l 都是硬件描述语言，本实验采用v e r i l o gh d l 编程， v e r i l o gh d l 程序在f p g a 控制器中运行，控制变频电源。d s p 控制的电源大多 数采用c c + + 语言或汇编语言编程方式，c c + + 语言或汇编语言在d s p 中逐条执 行，而v e r i l o gh d l 程序在f p g a 控制器中并行执行。这是f p g a 快速的重要原 因之一，v e r i l o gh d l 具有c c + + 等语言不具备的优点。 v e r i l o gh d l 是目前应用最为广泛的硬件描述语言v e r i l o gh d l 可以用来进 行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析 等。v e r i l o gh d l 适合算法级，寄存器级，逻辑级，门级和版图级等各个层次的 设计和描述。 v e r i l o gh d l 进行设计最大的优点是其工艺无关性这使得工程师在功