毕业设计24单相交直交SPWM变频电源的设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计24单相交直交SPWM变频电源的设计,电气电子毕业设计论文
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摘 要 由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的重视以及现存电力系统的种种弊端，分布式发电将在未来的供电系统中发挥越来越重要的作用。近年来以燃料电池发电技术，微型燃气轮机发电技术，光伏电池发电技术和风力发电技术为代表的新型分布式发电技术发展迅速。但是分布式发电技术发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相配套的变频电源就很有必要。 本文针对内燃机拖动永磁发电机的中小功率分布式发电系统，设计一套变频电源，将发电机发出的中频交流电变换为相电压 220V ,频率 50Hz 的工频交流电。在论述和分析了变频电源及其控制技术发展的概况和趋势的基础上，结合本课题任务的实际情况，设计了一套中小功率的逆变电源。系统中 PWM 控制信号采用专用集成芯片 SA4828 生成，减轻了控制器的工作量也提高了系统的可靠性。控制器选用集成了 A/D 转换器的单片机，使得系统的硬科复杂性降低，提高了可靠性。 ntsAbstract Since the exhaustion of the traditional energy, the high opinion of the environment anda variety of defeats of the current power system, distributed generation would bring into play more and more significant action. Recent years, some new distributed generation technology,such as fuel cell, micro gas turbine, solar cell and wind power generation, developed rapidly.But electricity generated by them can not merge into the electrified。 netting or supply the loads directly. It should be converted to the electricity with the phase to ground voltage is 220V,and the frequency is 50Hz to merge into the electrified wire netting or supply the neighboring lngdc. This paper introduces a medium and small variable frequency power supply for a distributed generation, which including a permanent magnetism dynamo pulled by a diesel engine, to converts the medium frequency electricity generated by the dynamo into the electricity which the ground voltage is 220V, the frequency is 50Hz. Based on surveying the development of variable frequency power supply and analyzing its development tendency, and considering the practical features of the assignment, the conversion system is designed as follows: it selects the 3-phase Pulse Width Modulation Engine SA4828 as the PWM control signals generator; it chooses the single-chip-computer PIC16F877 as the microcontroller, which integrated the A/D modulation, which cuts down the complexity of the hardware system and strengthens the dependability of the system. nts前言 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界 900/0 以上的电力负荷供电。但是，在配电网中，城市居民和商业用户、农村和半城镇区域的负荷具有很大的随机波动性。家用空调随气温变化的无规律启停，降水降雪和大风的无常发生，以及其他不确定因素所引起的负荷变化给配电网的规划、设计和运行带来了巨大的难题和挑战。特别是在我国中西部的偏远地区的农村和一些游牧民族地区，如果采用传统的集中式供电方式，新建配电网络，不仅技术上实现起来难度非常大，而且经济效益上也是不可 取的。因此，欧美的电力专家提出了投资省、发电方式灵活、与环境兼容的分布式发电与大电网联合运行的方式，以提高了电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。目前，大电网与分布式发叙distributed generation 相结合被世界许多能 A、电力专家公认为是能够节省投资降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是 21世纪电力工业的发展方向。 分布式发电的概念目前还没有完全同一的说法。一般来说，分布式发电指的是通过规模不大 (几 十 kW 到几十 MW)、分布在负荷附近的发电设施，为了满足一些特殊用户的需求，经济、高效 、可靠的发电系统。分布式发电并不是一个全新的概念，早期的小火电、小热电也属于分布式发电，只是由于技术经济性能不好，逐渐被淘汰了。近年来，分布式发电技术的研究取得了突破性的进展，分布式发电有望在电能 产中占有越来越大的比重，并对传统的电力系统供电方式产生重大的影响 。 新兴的几种分布式发电技术主要有 :燃料电池发电技术，微型燃气轮机发电技术， 光伏电池发电技术和风力发电技术 h-81。这些新兴的发电技术发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其变换 成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相配套的变频电源就很有必要 。 ntsAC DC AC中间直流环节恒压恒频 变压变频整流 逆变第一章变频电源的结构方案论证 1.1 变频电源结构设计 从结构上看，静止式变压变频装置有直接变压变频和间接变压变频两种结构方式。 1.1.1 直接变压变频装置结构原理 直接变压变频装置的结构如图 1.1所示。 交 -交 变 压 变 频 5 0 H zA C A C图 1.1直接 (交一交 )变压变频装置 这种装置只有一个环节，就可以把恒频恒压 (CVCF)的交流 电源变换成 VVVF电源，因此，称之为“直接”变压变频装置或交 -交变压变频装置。有时，为了表现其功能，又称周波变换器。 常用的交 -交变压变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期互相切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0。uu 的幅值决定于各组整流装置的控制角。， u。 的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角。一直不变，则输出平均电压是方波，要得到正弦波，就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。 1.1.2 间接变压变频装置 间接变压变频装置先将工频交流电通 过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置，或交一直一交变压变频装置。交一直一交变频器基本上由整流器、滤波器和逆变器 3 大部分组成。如图 1.2 所示。 图 1.2间接变压变绷装置 (交 -直 -交变频装置 ) nts 图 1.3间接变压变频装置的不同结构形势 a)可控整流调压、六拍逆变调压 b)不控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频 C)不控整流、 PWM逆变器调压调频 先用可控硅整流器将交流电压整成电压可调的直流电压 Vd。中间经过大电容或大电感进行滤波，统称为直流环节 。然后采用开关器件令它们轮流切换导通，则在负载上得到频率可调的交流电压 V0。 Vo 的幅值由整流器输出电压决定， V0 的频率由逆变器开关器件切换的频率决定，并且不受电源频率的限制。为了提高电网侧的功率因数。前级整流器也可采用不可控整流来获得，然后再经斩波器或有脉宽调制功能的逆变器来实现调压。如图 1.3 所示。如图 1.3a 所示的这种装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，两者要在控制电路上协调配合，其结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得比较低时，电网端功率因数较低。而输出环节多用晶闸 管组成的单相六拍逆变器，每周换相六次，输出谐波较大。这些都是这类装置得主要缺点。 如图 1.3b 所示的装置中，整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，在单独设置斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但调压时输入功率因数不变，克服了图 a 装置的缺点。输出逆变环节未变，仍有较大的谐波。 如图 1.3c 所示的装置中，用不控整流，则输入功率因数不变 :用 PWM 逆变，逆变暂波器 逆变ACACACDC DCDCACACAC 50 HZ 50 HZ 50 HZ不可控整流不控整流调压调频调压调频调压调频不控整流 逆变a )b )c )DCnts则输出谐波可以减少。这样，如图 1.3a 所示的装置中的两个缺点都消除了。 PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决 PWM 的开关频率，而开 关频率则受器件的开关时间的限制。采用 P-MOSFBT 或 IGBT 时，开关频率可达 l0kHz 以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为正弦波脉宽调制 (Sinusoidal PWM-SPWM)逆变器，成为但前最有发展前途的一种装置形式。 1.1.3 电压源型变频器和电流源型变频器 无论是交 -直 -交变频还是交 -交变频，从变频电源的性质上看，又可以分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类。对于交 -直 -交变频装置，两类变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。 交一奋交变频装置中，当中间的直流环节采用大 电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，而电流波形不规则，有许多毛刺。这类变频器称为电压源型变频器。电压型源变频器中的逆变开关器件都应反并联一个快速二极管，称为续流二极管，这是为滞后的负载电流提供反馈到电源的通路。一般的交一交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器 (如图 1.4a 所示 )。当中间的直流环节采用大电感滤波时，直流电流比较平直，从逆变器输入端来看。其馈电直流电源呈高阻抗，对负载来说基本上是 个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流源型变频散如图 1.4b 所示 )。 图 2.4 电压源型和电流源型交 -直 -交变频装置 a)电压源型 b)电流源型 由于电压源型和电流源型变频器中间直流环节的储能元件不同 ，使得两类变频器的性能有很大的差异。电流源型变频器给异步电动机供电时，容易实现回馈制动，便于四象限运行，适用于需要制动和经常正、反转的机械。电流型变频器的直流电压可以迅速改变，调速时动态响应也比较快，但是由于电感的作用，对负载的变化反映迟缓，而电压源型变频器适用于多台电机同步运行和稳频稳压 的电源。 交 -直 -交变频装置中，将直流电变换成交流电的电路部分一般叫做逆变器。根据+-+-CdUdUdLdIda ) b )逆变器逆变器nts逆变器部分采用的不同开关器件，可把变频器分为晶闸管变频器、 GTR(晶体管 )变频器、 GTO 变频器、 MOSFET 变频器、 IGBT 变频器和 IGCT 变频器，等等。 常用的交流变频技术以脉宽调制 PWM (Pulse Width Modulation)方式为主，由于该方式固有的特性的影响，系统中不可避免的产生高次谐波电流、漏电流及空间电磁波等电磁千扰 EMI (Electrical Magnetic Interference)。随着变频装置 功率及电压等级的不断提高以及对 EMT问题的日益重视，单一 PWM调制方式的弊病也在此过程中不可避免地显现出来。在这种背景下、多电平 (Multi-level Converter)、矩阵变换器和软开关 (Soft Switching)技术开始迅速发展。使用多电平组合的波形可以很好的降低高压时输出波形的 dv/dt,从而降低电磁千扰。 1.1.4 多电平变换器 多电平变换器的思想最早于 1981 年由 Nablac 等人提出的，它的基本思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。在传统的两电平变换器的大功率运 用中存在许多问题 :需要笨重、耗能、昂贵的变压器 ;为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗 ;而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。多电平变换器作为一种新型的高压大容量功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低 .并有开关器件应力小系统效率高等优点。 多电平思想提出至今，出现了许多电路拓扑。主要有 :二极管箱位型、飞跨电容 型。多单元串连型三种基本结构。 输出串连式 图 1.5单元串连多电平逆变器其中一相的电路结构 PENG F. Z 等学者在 1995 年提出了一种用多个带独立电压源的单相桥式逆变器组合而成的新型多电平级联变流器的主电路拓扑结构。这种采用多电平结构的变流AXnts器可以不用变压器，直接并入中压配电网中用作电压调节、无功补偿和有源滤波装置，图 1.5 为多电平级联逆变器的单相结构，每个电桥都有其独立的直流电压源，幅值都相同均为 E，在一个周期内，由 n 个单相逆变桥连接成的逆变器发出 2n+1 个电平，这种结构的优点在于比较容易使逆变器工作在高压的环境下。 通过叠加低压逆变器的输出电压获 得高压输出，主要包括 H 桥串连式多电平电路和三相逆变桥串联式多电平逆变电路。 这种方式主要优点是输入侧功率因数高 ;各个单元相对独立，容易采用方式冗余实现高可靠性 ;控制简单，易于扩展输出。主要缺点是存在工频隔离变压器，增加了造价、体积和重量。 级联式多电平变换器的结构特点如下。 优点 :电平数越多，输出电压谐波含量越少 :器件在基频下开通关断，损耗 小，效率高 ;无需钳位二极管和电容，易于封装、基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化 :可采用软开关技术，以避免笨重、耗能的阻容吸收电路 ;不存在电容电压平衡问题。 缺点 :需多个独立电源和工频隔离变压器，增加了造价、体积和重量。 二极管箱位式 通过箱位的方式串连使用低压开关器例直接输出高压，主要包括二极管中点箱位式多电平电路、电容悬浮式多电平电路和统一模式多电平电路。 这种方式的主要优点在于不需要隔离变压器利用低压器件构成高压大容量装置 ;结构简单、控制灵活，尤其是二极管中点箱位式多电平电路是目前应用较多的一种多电平电路拓扑结构。主要缺点是当电平数增加是，箱位二极管的数量急剧增加，因此，这种电路拓扑结构应用主要以三电平 、五电平为主。 二极管籍位型多电平逆变器应用较为广泛，但是在高压大功率的应甩场合， _二极管箱位型多电平逆变器的主电路拓扑和控制具有以下问题 :直流母线侧各电容电压可能不平衡。籍位二极管数量过多，内部开关器件的间接籍位造成内部开关器件承受较大的电压应力。级联型多电平逆变器虽然可以克服二极管箱位型多电平逆变器的缺点，但是由于需要大量的独立直流电源，这限制了它在很多应用场合的应用。 飞跨电容式 飞跨电容型多电平逆变器利用飞跨电容代替了箱位二极管，克服了二极管籍位型多电平逆变器固有的缺陷，只需要一个直 流电源，因此与二极管箱位型多电平逆变器和级联型多电平逆变器相比，具有重要的优点。 nts1.1.5 矩阵变换器 图 1.6矩阵变换器结构拓扑 矩阵变换器是一种强迫换相的交一交变频器，但与现在只适用于低速大容量传动的由三套可逆直流可控整流装置构成的交一交变频器的原理和电路结构完全不同。它是一组可控的功率半导体开关阵列，利用 PWM 控制将交流供电电源提供的交流电压直接变换成负载所需的变压变频电源 在 3 3 矩阵变换器中，输入端接三相工频电源，输出端接频率和电压可控的三相负载。在任何时刻，某相输入一定频率下的电压幅值总可以在 输入的同相或不同相的工频输入中找到，或者用脉宽调制的方法调制出来，只要把其间的开关按照需要开通或断开即可，但绝对不能把不同相的输入端同时接到同一输出端上。也就是说，输入端不能短路，与此同时，由于输出端接感性负载，任一相输出都不能瞬时开路，这是对 3 3 矩阵变换器的 9 个双向开关接通与否的基本要求。 综合比较各种电路拓扑结构的优缺点，课题中试验用变频电源系统的主回路是二极管不控整流、直流环节用大电容滤波、逆变电路采用 PWM 调压调频的结构。 1.2 系统结构设计 基于以上的分析比较，结合本课题的实际应用，设计的变 频电源系统构成如图1.7 所示。 (1)单片机。做为控制器的单片机是整个控制系统的大脑，它要完成对取样反馈回来的电压模拟信号转换成数字信号，决定 PWM 产生器 SA4828 输出 PWM 控制信号的任务，并通过显示电路显示出系统的最新运行状态。 (2)整流电路。将发电机发出的交流电转变成直流电，采用二极管三相不可控整流桥。 (3)滤波电路。二极管不可控三相整流电路输出的直流电含有输入交流电 6 倍频率的纹波，通过大电容将带有纹波的电压波形滤得比较平滑。 ACACACLRnts 图 1.7系统结构图 (4)逆变电路。将直流电逆变成负载需要的交流 电。采用智能功率模块 IPM 的逆变器不仅驱动简单，而且内部包含了多种保护电路，使系统变得简单。当需要保护动作时， IPM 将向控制器发出报警信号。 (5)专用 PWM 产生器 SA4828 和隔离电路。根据单片机提供的输出 PWM 控制波形的信息，产生供给 IPM 的驱动信号。由于系统强电部分和弱点部分要实现电气土的隔离，所以中间需要加上光祸隔离。 (6)输出滤波电路。逆变器输出的是高频 PWM 脉冲，需要滤波后才能得到负载需要的正弦波形。设计时采用 Lc 滤波器。 (7)检测电路主要是检测输出的电压值并传回单片机。 1.3 本章小 结 这章主要对变频电源进行了方案论证。在论述和分析变频电源技术及其发展趋势的基础上，结合本课题的实际情况和设计要求，给出了变频电源的实现方案。 发电机 整流电路 滤波电路 逆变电路 输出滤波 负载隔离专用 P W M 产生器 SA 4828单片机显示I P M 保护信号检测nts第二章主电路参数计算与器件选择 2.1 主电路结构介绍 本文的设计任务是将交流电，经整流，滤波后，逆变成单相恒频恒压的电源给三。发电机功率为 1.5KW,输出相电压 220V,频率大约 400Hz，要求逆变器输出额定相电压为 220V，满负载电流为 13A. 本文设计的主电路结构如图 2.1 所示。 图 2.1主电路结构图 2.2 功率元件的选取 2.2.1 整流电路的设计 本文设计中，整流器采用二极管不控整流。发电机的发出的交流电压频率大概为 400Hz，相电压为 200V，整流后电压大约为 470V，因此，考虑到留有 一定的裕量，整流二极管需选用耐压 600V、可流过最大电流 30A 的快速恢复二极管。 2.2.2 熔断器的选取 当输入交流电压最低和满载输出时电流最大，考虑到效率因素，最大电流按下面的公式确定 : 熔断器选择依据是，当系统发生过流且超过一段时间后，熔断丝断开，从而分断交流输入电压。 2.2.3 滤波器的设计 理论上讲，直流环节的滤波电 容越大，滤波后直流电压的波形越平，对逆变器的工作越有利。但是，太大的滤波电容不仅体积太大，而且成本过高。本文参照仿真结果，设计中采用的电容为耐压 1000V, 1000 F 的大电容三个并联构成滤波器，以整流电路 逆变电路 minmaxACOUTAC UPI nts获得大容量稳定直流电压。此外，还要在靠近 IPM 侧并联一只 10 F 的高频电容以滤去直流环节七产生的尖峰电压，保护 IPM 的开关管，使其在关断是降低承受的。 由于前级整流器为二极管整流电路，在合闸刚接通电源时中间直流环节的大容量电容将流进很大的充电电流 (浪涌电流 )，有可能烧坏整流二极管，并影响处于同一电源系统的其 他装置的工作，因此在电容前加一个定时继电器做为延时开关。 2.3 IPM 简介 大功率 IGBT 模块的使用需要专门的驱动电路，同时还需要用户设计保护电路，给 IGBT 的应用带来不便。近年来，一些厂家逐渐推出将 IGBT 功率器件、驱动电路及保护电路合成一体的智能型开关器件 IPM 模块，它以 IGBT 为主开关器件，这就决定了它的开关速度较高，目前载波频率可以达到 1020KHz。它的智能化主要表现在容易实现控制、保护和接口功能等三个方面。采用它来构建主逆变电路，可以极大地简化电路结构，同时也提高了电路工作 的可靠性与稳定性。基于以上原因，本文选择 IPM 作为逆变器。 2.3.1 PM25RSB120 引脚功能及内部结构 图 2.2IPM内部单元结构图 因为本文所用的 IPM是三菱公司的 PM25RSB120，所以就以它为例，介绍 IPM的内部结构和功能。由图 2.2可见，这是一种含有制动单元在内的完整的逆变器，它包括 7 个 IGBT 和它们各自的驱动保护电路，其中的 6 个可组成三相逆变桥，另一个再外加一电阻即可构成制动单元。它的封装外形见图 2.3. 各个端子的功能表 2.10 GNDGNDS1H1F0OUTVccGNDGNDS1H1F0OUTVccGNDGNDS1H1F0OUTVccGNDGNDS1H1F0OUTVccT E N PGNDGNDS1H1F0OUTVccGNDGNDS1H1F0OUTVccGNDGNDS1H1OUTVccF0BN W V UPF 0 BR UN WN UN VN UN UNCWN WF 0 V u P I V U P C VP VF 0 V P C V UP UF 0 U W P Ints表 2.1IPM接线端子的符号与含义 端子 符号 含义 P、 N 直流输入端， P:+端 :N:-端 U、 V、 W 逆变器三相输出端 B 输出制动端子 UN、 VN、 WN、 BR 下桥臂 U、 V、 W相及制动脉冲信号输入端 UP、 VP、 WP 上桥臂 U、 V、 W相脉冲信号输入端 FO、 UFO、 VFO、 WFO 下桥臂及上桥臂 U、 V、 W相故障信号输出端 VNI、 VNC 下桥臂公用电源输入端， VNI:十端 ;VNC:-端 VUP1、 VUPC 上桥臂 U相电源输入端， VUPS:+端 :VUPC:-端 VVPI、 VVPC 上桥臂 V相电源输入端。 VVPI:+端 :VVPC:-端 VWPI、 VWPC 上桥臂 W相电源输入端， V WPI:+端 ;V WPC:-端 智能功率模块 IPM (Intelligent Power Module)集 IGBT功率器件、驱动电路及保护路于一身，具有非常明显的优点，概括起来主要有 : 1)内含驱动电路。 IPM设定了内部 IGBT的最佳驭动条件，驱动电路离 IGBT近，可以大大减少信号传输阻抗，且受外界的干扰很小，因此不需要加反向偏压。它 需要 4组控制电源，上桥臂为互相独立的 3组，下桥臂三个驱动器共用一组电源。 2)内含多种保护，是内部 IGBT因故障损坏的几率大大降低。这些保护包括 :过 保护 (0c).短路保护 (SC)。由于是通过检测各 IGBT集电极电流实现保护的，故不管 个 IGBT发生异常，都能保护，特别是下桥臂短路和对地短路的保护。电源欠电压保 (UV)，过热保护 (OH)。 3)内含报警输出 (Fo)。 Fo是向外部输出故障报警的一种功能。当 OH及下桥 OC,W, OH保护动作时，该信号送到控制系统中的 PWM产生器，封锁脉冲输出，止系统工作。 4)内含制动电路。只要在外电路端子 P与 B之间接入制动电阻，即可实现能耗制 动，散去 减速时的再生电能。 5)散热效果好采用陶瓷绝缘结构，扁平封装，可以直接安装在散热器上。 6)端子布局合理，便于安装信号的输入输出端子并排成一列，使用通用接插件即可连接。直流输入 (P, N)、制动单元输出田 )及变频输出端子 (U, V, W)各自安排合理，便于安装。 nts2.3.2 PM25RSB120内置保护 PM25RSBI20内部共有 .四种保护 : (1)短路保护 (SC) 内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当短路电流超过 SC动作电平时， IPM就输出故障报警信号，并封锁输入信号， 关断 IGBT。同时为了减小此时的浪涌电压，它还先降低 IGBT的门极电压，实现软关断。 (2)过流保护 (Oc) 内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当过电流时间大于门限值 taa,oc，时， IPM就输出故障信号，封锁脉冲输入，动作过程同上。 (3)过热保护 (OIT) IPM可监测基板的温度，当超过它能承受的温度限值时，就输出故障信号，封锁脉冲输入，对 IGBT实行软关断。待温度下降到基板允许温度后， IPM就停止输出故障信号，重新接受输入控制信号。 (4)控制电源欠压保护（ UV） 监测控制电源电压，当欠电压时间超出 td,时，该保护动作，动作过程同上。 正是因为具有这些保护功能，即使在内部的 IGBT元件承受过大的电压电流应力 时， IPM模块也不会被损坏，这就保证了它工作的稳定性和可靠性。 2.3.3 IPM的使用 IPM的驱动相对 IGBT来说要简单得多，只需要提供驱动电源和开关控制信号。需要注意的是 IPM 在控制脉冲为高电平时关断，低电平时导通。驱动电源的典型电压值为 15V，每一内含 IGBT的驱动功率约为 0. 25W,故总驱动功率 Q.W。考虑到 IPM的 高频开关工作能力 ，开关控制信号的传输隔离哇 I各应具有尽可能短的传输延迟时间，尽量在 0.5us以内，以提高驱动电路参数的一致性。针对以上特点及要求，本文设计的驱动电路如图 2.3所示。 nts图 2.3 IPM驱动隔离 图中光祸采用 13F 公司的 6N137,该器件是一种快速光祸，高电平传输延迟时间和低电平传输延迟时间均小于 75ns，但它工作于 TTL电平，而 IPM 的控制电源电压为 15V,这就需要设计一个电平转换电路。图 2.4 中的 5V 稳压管和 R3 将 l5V 电源转换成 5V电平，为光祸提供工作电源。三极管采用 3Dk4，它将来自光 祸的 T TL电平转换成 IPM需要的电平，作为 IPM的门极 W动信号。 图 2.4为本文采用的 Fo信号输出接 u电路。其中所用的光祸仍为 6N137, VD为驱动电路 IPM侧的一个 5V节点。 当 IPM内置的保护动作时， Fo端子将输出低电平，同时关断 IGBT。该 Fo信号也要经过光电隔离电路送入控制电路中的 PWM信号产生器以封锁脉冲输出。 nts2.4本章小结 本章介绍了变频电源的主回路结构构成，整流电路、直流滤波环节和逆变单元的设计过程，以本文设计中逆变器所采用的 PM26RSB120 为例，介绍了智能功率模块 的特点和使用方法，给出了部分电路原理图。 nts第三章控制电路参数选择与器件选择 从系统框图可以看出，本变频器中的控制电路主要由以下几个部分构成 :控制电源、单片机、 PWM脉冲信号产生部分、故障保护部分。 变频电源性能的好坏取决于输出的电压、电流波形是否近似于正弦波，这需要采用电子技术来调制波形或幅值。变频器的调制方式可以分为 PAM 控制方式、 PWM控制 方式和高载频 PWM控制方式。 PAM是 Pulse Amplitude Modulation(脉冲振幅调制 )的简 称，是一种在整流电路 对输出电压 (电流 )的幅值进行调制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。由于 PAM调制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂，洗碗这种调制方式还具有当电机进行低速运转时波动较大的缺点，所以 PAM调制方式用的很少了。 高载频 PWM控制方式的原理实际上是对 PWM控制方式的改进，是为了降低电动机运转噪声而采用的 一种控制方式。在这种控制方式中，载波频率被提高到人耳可以听到的音频、乃至能感知的超声波频率 (12-16kHz)以上，从而达到降低噪音的目的。下面对 PWM控制方式的原理和调制方法进行简单的介绍。 3.1 SPWM控制技术 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。 PWM波形可分为等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波两种。由直流电源产生的 PWM 波通常都是等幅 PWM波。当各脉冲的幅值相等，而宽度是按照正弦规律变化的 PWM 披形称为 SPWM 波形。 3.1.1 PWM调制法基本原理 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。冲量即窄脉冲的面积。这里说的效果基本相同，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分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。此原理称之为面积等效原理，它是 PWM控制技术的重要理论基础。 nts在实际应用中，很多电力电子负载都要求逆变电路的输出电压、电流、功率以及频率能够得到有效和灵活的控制，以满足它们的工作要求，而一般的电压型或电流型逆变电路输出的电压或电流为矩形波，谐波分量很大，造成功率因数降低，使电机损耗和转短脉动增加，特别是频率很低时，转矩脉动严重 .甚至不能 工作。采用脉宽调制逆变电路，可同时解决调压和改善波形的双重任务。这种电路通常称为 PWM(Pulse WidthModulation)型逆变电路。 PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波或需要的波形。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，也可改变输出频率。 对于高频 PWM调制来说，开关频率越高，谐波含量越小，但是，功率开关器件本身的开关能力是有限的，其开关频率受其固有的开关时间和开关损耗的限制，故不宜用 在大功率逆变电源当中。而波形重构方式往往需要多个逆变器来实现电压叠加，波形重构的级数越多，出现的最低次数的谐波阶数也越高，但主电路和控制电路也越复杂。相应的控制难度越大，输出电压的调节也不方便，因此，这种方式通常适用于大功率的场合。 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 率的逆变电源中应用十分广泛。 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 的消谐控制策略具有谐波次数多、残余的谐波分量幅值小、电压利 用率高等优点。 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、开关损耗比较大。优点是可以通过提高开关频率来减少低次谐波的含量，并可以通过调节脉冲 宽度来调节输出电压。本文中采用的是 SPWM方案。 3.1.2 SPVPM调制方法 正弦波脉宽调制的控制思想，是利用逆变器的开关元件，由控制线路按一定的规律等距而不等宽的脉冲序控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅、等距。其脉宽基本上按正弦分布，以此脉冲列来等效正弦电压波。 将正弦波的正半周波形划分为 N等份，这样就可把正弦半波看 成由 N个彼此相nts连的脉冲所组成的波形。这些脉冲的宽度相等，都等于 N ，但幅值不等，且脉冲顶部是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果将每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，就得到一个脉冲序列。各脉冲幅值相等，而宽度是按照正弦规律变化的。根据面积等效原理， PWM波形和正弦波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波形。像这种脉冲的宽度按 照正弦的规律变化而和正弦波等效的的 PWM波形，称为 SPWM (Sinusoid PWM)波形。 理论上讲，可以严格的计算出各段矩形脉冲的宽度，作为控制逆变电路开关元件通断的依据，但计算过程十分繁琐。较为实用的方法是调制的方法，即把希望得到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希望的 PWM波形。目前，由于集成电路技术的飞速发展，出现了很多产生 PWM控制信号的专用集成电路，如 Mitel 公司生产的系列 PWM 产生器就是其中的代表。本文在设计中选用的就是其中的一种三相 PWM 产生器 SA4828，后续章节中对这个芯片有详细的介绍。 3.1.3 SPWM的约束条件 根据 SPWM 的特点，逆变器主电路的功率开关器件的开关特性和频率以及SPWM 参数的选取对逆变器的性能有 很大影响。所以实际应用 SPWM 技术时必然受到一定条件的制约 1381 主要为 :功率开关器件开关频率的制约 ;微处理器采样与计算周期的制约 :功率开关器件开关损耗和散热条件的制约 ;以及调制度 (M)的制约。 SPWM 技术的基本原理是以正弦波作为调制波去调制三角载波，由它们的交点确 定逆变器的开关模式，使逆变器输出宽度按正弦规律变化的电压脉冲阵列。为了保证逆变器功率开关器件安全工作，所调制的脉冲载波有最小脉宽和最小间隙限制，以保 证脉冲宽度大于功率开关器件的导通时间 tm 和关断时间 toff.。这就要求正弦调制波幅值不能超过三角载波的峰值，并用调制度描述这一关系 : 式中 :Vsin-正弦调制波幅值 ; Vcarrler-三角载波的峰值。 在理想的情况 下 ， M 可在 01之间变换，以调节输出电压的幅值。一般来说用微机处理器产生 SPWM信号，可以是 SPWM波形调制度大于 1，即过调制，采拟电路和专用集成芯片的方法来产生 PWM波形，调制度都在 01之间，称为线制，调制carrlerVVM sinnts度在此区间时，输出电压的基波分量正比于调制度。 脉宽调制的方法有很多，分 类的方法也没有统一。较常见的分类方法有 : 根据调制脉冲的极性可以分为单极性和双极性调制两种 ; 根据载波信号和基准信号频率之间的关系，可以分为同步调制和异步两种 ; 根据基准信号的不同可以分为矩形波脉宽调制和正弦波脉宽调制。 矩形波脉宽调制法的特点是输出脉冲列是等宽的，只能控制一定次数的谐波波脉宽调制方法的特点是输出脉冲宽度是不等宽的，宽度按照正弦规律变化，故压的波形接近正弦波。 图 3.1单极性 P职调制原理 3.1.4单极性 PWM控制与双极性 PWM控制 如图 3.1所示，在调制信号地半个周期内，三角 载波只在正极性或者负极性 性范围内变化，像这种所得到的 PWM波形也只在单个极性范围内变化的控制方 单极性 PWM控制方法。 和单极性 PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。如图 3.2所示为单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形图。采用双极性方式时，在调制信号的半个周期内，三角载波不再是单极性的，而是有正有负，所得到的 PWM波形也是有正有负。在调制信号的一个周期内，输出的 PWM波只有两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。 nts图 3.2双极性 PWM调制原理 3.1.5异步调制和同步调制 在 PWM控制电路中， 载波频率 fc与调制信号 fr之比 N=fc/fr称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况， PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。载波信号和调制信号不保持同步的调制方式叫异步调制。在异步调制方式中，通常保持载波频率 .r固定不变，因而当信号波频率 f变化时，载波比 N是变化的。同时，在信号波的半个周期内， PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期脉冲不对称，半个周期内前后 1/4周期内的脉冲是也不对称。 当信号波频率较低时，这种不对称对产生的影响较小， PWM波形接近正弦波。当信号波频率增大时， 载波比 N减小、一个周期内的脉冲数减少， PWM脉冲数不对称的影响就变大，这就使得输出的 PWM波和正弦波的差异变大。对于单相 PWM型逆变器来说，三相输出的对称性也变差。因此，采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以便在信号频率较大时能保持较大的载波比。 载波比 N等于常数，并在变频时时载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。在基本的同步调试方式中，信号波频率变化时载波比 N 不变，信号波一个周期内的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在单相 PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，且取载波比 N 为 3 的整数倍，以使 单相输出波形严格对称。同时，为了使一相的 PWM波正负半周镜对称， N应取奇数。 当逆变电路输出频率很低时，同步调制频率的载波频率 fc也很低， fc过低时由调制带来的谐波不易虑除。当负载为电动机时也带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率 f *V高时开关器件难以承受。 为了，克服以上缺点，可以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率段，每个频段内保持载波比你 N 恒定，不同频段的载波比不同。 nts单片机在整个系统中起着核心的作用，从电流电压的检测到控制参数的计算、 传送，再到整个系统的各个部分的控制、协调工作都离不开单片机发挥作用。它的性能好坏直接影响整个系统运行的安全性和稳定性。控制系统选用 PIC16F877 单片机作为控器， PWM控制信号采用专用集成芯片 SA4828. 3.2 PIC16F877单片机简介 3.2.1 PIC单片机特点 PIC16F877单片机是美国 Miocrochip公司推出的 PICmicroTM，系列的单片机的一种，具有以下主要的特点 ; (1)哈佛总线结构 PIC 系列单片机在架构上采用了与众不同的设计手法，既不像 MOTORALA 公司开发生产的 MC6814C05/08系列单片机那样，其程序存储器和数据存储器同一编址 (也就是两种存储器位于同一个逻辑空间里，这种架构的微控制器称为普林斯顿体系结构 )，也不像早期 Intel公司的 MCS-51单片机那样，其程序存储器和数扼存储器虽然独立编址 (也就是两种存储器位于不同的逻辑空间里，称为哈佛体系结构 )，但是它们与 CPU之间传递信息必须共用一条总线，仍然摆脱不了瓶颈效应的制约。 图 3.3哈佛结构和 Ar诺伊曼结构比较 PIC单片机不仅采用了哈佛体系结构，而且采用了哈佛总线结构。在芯片内部将数据总 线和指令总线分离，而且采用不同的宽度，如图 3.3所示。 这样做的好处是，便于实现指令提取的“流水作业”，也就是在执行一条指令的nts同时对下一条指令进行取址操作 :便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高 CPU指令的速度。在一般的单片机中，指令总线和地址总线是分时复用的。 (2)指令单字节化 因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储器ROM 和数据存储器 RAM 额寻址空间是互相独立的，而且两种存储器的宽度也不相同。 (3)精简指令集 (RSIC)技术 PIC 系列单片机的指令系 统只有 35 条指令。不仅全部指令为单字节指令，而且大多数指令为单周期指令，有利于提高速度。 (4)寻址方式简单 只有 4种寻址方式，容易掌握。 (5)代码压缩率高，运行速度快 (6)功耗低，驱动能力强，外接电路简洁 (7) IZC和 SPI串行总线端口 (8)开发方便，程序保密性强 3.2.2 PIC16F877引脚排列和功能简介 PIC16FK77引脚排列如图 4.4所示。 PIC16F877 单片机不仅有强大的 1/O 功能，还集成了很多外围电路 :两个 8 位定时器和一个 16位定时器 ;两个集捕捉、比较、脉宽调制于一身 的 CCP模块 :10位多通道的 A/D 转换器 :提供了同步串行日和通用同步异步接收发送系统 ;8 位的并行从动端口和电压低侦测、电路掉电复位的功能。单片机内部带有 8KB的 FLASH程序存储器，368 位数据存储器和 256 位的 EEPROM 数据存储器，因此，使用它作为控制器，减少了一些外围电路，使系统简单可靠。 nts图 3.4 PIC16F877引脚排列图 其中， oscl和 OSC2分别是时钟输入和输出引脚 ;蔽 )丽是人工复位引脚 ;RAORAS是一个输刀输出可编程的双向 6 线端口，全部引脚有第二功能，部分引脚有第三功能 ;RBORB7是输刀输出可编程的双向端口，做输入时内部有可编程的上拉电路，部分引脚有第二功能 ;RCORC7是输沁输出可编程的双向端口，部分引脚也有第二和第三功能 ;RDORD7 是输入 /输出可编程双向端口，全部引脚有第二功能 ;EORE2 也是输为输出可编程的双向 3线端口，全部引脚有第二和第三功能。 3.3 PWM产生器 SA4828简介 下面简单介绍一下 SA482814% SA4828管脚排列与功能如图 4.5所示。 图 3.5 SA4828管脚排列图 (1)与单片机接口的标准总线 ADO-AD7为 8位地址与数据 复用总线。 (2)控制总线丽 、丽 、 ALE采用】 ntel控制模式，丽为片选信号。 (3)信号控制及输出 RPHT, RPHB, YPHT, YPHB, BPI4T, BPHB输出三相 PWM冲驱动信号，均为标准的 TTL电平。丽万 5端指示输出封锁状态，低电平有效。 ETTRIP为关断触发信号输入端，当输入为高电平时，输出脚而万及六个 PWM输出被迅速地箱位在低电平状态，这种封锁信号只有在
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