1、1第一章 绪论第一节 电力电子技术概述一、电力电子技术的形成与发展电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体来说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术的诞生是以 20 世纪 50 年代美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的，是 20 世纪后半叶诞生并发展起来的一门崭新的技术。可以预见，在 21 世纪电力电子技术将以更迅猛的速度发展。其实，早在晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904 年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。后来，出现了水银整
2、流器，在 30 年代到五十年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。1947 年，美国著名的贝尔实验发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。70 年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO） 、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展 。二、电力电子器件的分类按照电力电子器件能被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类： (一)
3、不可控器件 不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，这类器件不需要驱动电路，如电力二极管。这类器件只有两个端子，器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。(二) 半控型器件 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件，这类器件主要是晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 (三) 全控型器件 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件称为全控型器件，由于和半控型器件相比，可以由控制信号控制其关断，因此又称自关断器件。这类器件品种很多，目前最常用的是绝缘栅双极晶体管（Insulate
4、d-Gate Bipolar Transistor-IGBT）和电力场效应晶体管（Power MOSFET,简称电力 MOSFET） ，在处理兆瓦级大功率电能的场合，门极可关断晶闸管（Gate-Turn-2Off ThyristorGTO）应用也较多。三、电力电子技术的特点及应用控制理论广泛应用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一种强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。对于不可控器件其结构和原
5、理简单，工作可靠，所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中，特别是快恢复二极管和肖特基二极管，仍分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。对于半控型器件（晶闸管）虽然在 20 世纪 80 年代其地位已开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。而对全控型器件的出现将电力电子技术带入了一个崭新时代，因为可以随时控制其开通和关断，全控型器件的应用得以迅速普及。下面我们将简单介绍一下电力电子技术的应用。1 一般工业 工业中大量应用各种交直流电机
6、。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使得交流电动机的调速性能大大提高，交流调速技术大量应用并占据主导地位。大至数千 kW 的各种轧钢机，小到几百 W 的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。2 交通运输 电气化铁道和电动机车等离不开电力电子技术。3 电力系统 变流装置广泛采用电力电子技术。4 电子装置用电源 5 家用电器6 其他 不间断电源（ UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大，而这都离不开电力电子技术。总之，电力电子技术的应用十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，
7、到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。第二节 Intel 16 位单片机概述一、单片机的发展简史1974 年,美国仙童(Firchild)公司研制的世界第一台单片微型机 F8.该机有两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的3欢迎和重视.从此,单片机开始迅速发展,应用领域也在不断扩大.现已成为微型计算机的重要分支,单片机的发展过程通常可以分为一下几个发展过程。(一) 第一代单片机(1974-1976):这是单片机发展的起步阶段.在这个时期生产的单片机特点是,制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形式.典型
8、的代表产品有Fairchild 公司的 F8 和 Mostek387 公司的 3870 等。(二) 第二代单片机(1976-1978):这是单片机的第二发展阶段.这个时代生产的单片机随眼已能在单块芯片内集成 CPU,并行口,定时器,RAM 和 ROM 等功能部件,但性能低,品种少,应用范围也不是很广,典型的产品有 Inrel 公司的 MCS-48 系列机。(三) 第三代单片机(1979-1982):这是八位单片机成熟的阶段.这一代单片机和前两代相比,不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源,并行 I/O 口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口电路.在指令系
9、统方面,普遍增设了惩处法和比较指令.这一时期生产的单片机品种齐全,可以满足各种不同领域的需要.代表产品有 Intel 公司的 MCS-51 系列机,Motorola 公司的 MC6801 系列机,TI 公司的 TMS7000 系列机,此外,Rockwell,NS,GI 和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列。(四) 第四代单片机(1983 年以后):这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代,十六位机的特点是,工艺先进,集成度高和内部功能强,加法运算速度可达到1us 以上,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如 PL/MPLUS C 和 Forth 语言等.代便产品有 inte
10、l 公司的 MCS-96 系列,TI 公司的 TMS9900,NEC 公司的 783系列和NS 公司的 HPC16040 等。二、Intel 16 位单片机在调速系统中的应用PWM 技术是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM 控制方式完成的。PWM 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，变频调速系统采用 PWM 技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。而 80C196MC 单片机的主要优点之一是有一个三相波发生器（WG
11、） 。这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外部硬件，特别适用于控制 3 相交流感应电机。在本次设计中，我们利用 80C196MC 单片机片内波形发生器能直接用软件产生 SPWM 调制波，从而节省硬件投资。单片机完成对整个系统的两级监控管理，协调各模块之间的工作，并进行复杂的控制决策。控制量经 D/A 转换模块后输出至变频器，变频器根据接收到的信号产生变压变频的电源信号，以驱动交流电机实现调速。系统的开关量控制模块，可方便的实现电机的启动、停止及加减速等功能。第三节 关于交流调速系统4工业生产领域发展到比较高的阶段，如冶金的轧机、电气机车、电梯的出现要求传动电动机
12、能快速正反转、起动力矩大、快速制动、停位准确、调速范围大、精度高及响应快，因此在传统的调速中一直采用直流电动机运行了几十年。但由于直流电动机的换向器电刷在大容量方面问题较多，而且维护工作量大，1970 年以后逐步用交流同步及异步变频调速代替直流电动机调速。交流调速的优点如下：1 单机容量不受限制。交流电机单机容量达到 2 11000kW，为设备提供更大的动力。2 体积小，重量轻，占地面积小。3 转动惯量小。4 动态响应好。由于交流电机转动惯量大大减少，而且交流电动机没有换向火花对过载能力的限制，电动机可以具有更大的动态加速电流。5 维护简单化。由于交流电动机无需换向器，维护量大大减少。6 节约
13、能源。交流同步电动机的效率比直流电动机提高 2%3%。而且，随着大功率开关器件制造技术和计算机技术的迅猛发展，交流电机的变频调速在一般工业领域以至许多民用领域中已得到广泛应用。在节能、减少维修、提高产品产量及产品质量等方面都取得了明显的经济效益。目前，高性能交流调速系统的研究和开发已引起各国学者的高度重视。第四节 本课题的研究意义用 v/f 控制模式对异步电动机实现变频无级调速。在无负载状态和 100%负载转矩突变时，能迅速回到原先的转矩，有很好的负载响应性能。变频调速器与电磁调速电机相比，调速精度高，调速特性好，调速范围广，失速发生的可能性小，尤其在低负载运行时间较长的机械装置中，效率高，节
14、能效果显著。v/f 调速可以解决转矩不足和速度波动的问题，使系统工作较稳定。变频调速系统的设计应结合系统的静动态指标, 以负载的机械特性为设计主要参数，在注重变频器控制方式的选择及变频器的选择的基础上, 解决变频调速系统设计中的实际问题, 以使所设计的变频调速系统具有高的静动态指标和高的性能价格比。众多的生产实践中证明，v/f 变频调速系统可应用于风机、泵类负载，减小电动机的起动电流，以减小电动机在起动时对电网的冲击，并且有很好的节能效果。v/f 调速系统可以广泛应用于实际生产，它涉及到节约能源和减少实际生产的成本问题。因此，研究 v/f 调速系统有着比较重大的意义。5第二章 调速系统硬件电路
15、的设计第一节 变频调速系统硬件框图变频调速系统硬件框图如图 2-1。6图 2-1 变频调速系统硬件框图第二节 系统的构成恒 V/F 调速系统由以下几个环节构成：一、主电路主电路是由交流-直流三相桥式不可控整流电路和由 IGBT 构成的 IPM 智能功率模块构成的。它主要完成电流从交流电到直流电的转换。系统使用六个光电耦合驱动IGBT 管。在本系统采用的 IGBT 智能功率模块（IPM）,它是一种大规模的集成模块。二、保护电路在设计任何一个系统的时候，为了保护系统中的各设备和元器件不被破坏，在设计时就需要设置保护电路。本次设计的恒 V/F 调速系统中，一共包含了五个保护电路：泵升电压保护电路，过
16、压保护电路，限流保护电路，过流保护电路，欠压保护电路。三、驱动电路在本次的设计中，采用了 IGBT 智能功率模块，亦即 IPM 功率模块。在 IPM 功率模块中包含有 7 个 IGBT 管。本次设计中的驱动电路则是包含在 IPM 功率模块中。IPM 模块的具体作用与功能将在后面的章节中详细介绍。具体电路图见附录。7123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSize BDate:13-Jun-2005Sheet ofFile:C:ProgramFilesDesign Explorer99SEExamples上上上上上上.ddbDrawn By:FUSER
17、1JC1R2 20k R3 20k3R2 610kC20.37/200W3R53R3 7.5kR4IGBT70.01uF/600VP NMU V W50Hz1000uF1000uF上2-2 上上上3RV3VD13VD23VD33VD43VD53VD6VD7第三节 主电路的设计与参数计算主电路设计与计算如下：8主电路是由 ac-dc 三相桥式不可控整流电路和由 IGBT 构成的 IPM 智能功率模块构成的。电路图如图 2-2 所示。电动机参数如下：电动机参数：P =2.2KW U =380V I =5A D=10NNN一、整流二极管参数二极管的额定电压：U =(23)U =（23） 107516
18、12V (2-1)NTm380取 U 的值为 1200V二极管的额定电流：I =(1.52) A (2-2)Ta57.1kI流过二极管电流的有效值：I = = 0.577 (2-3)k320)(tdImmI3mI峰值电流的选择要综合考虑到电机起动和运行全过程： 为电机的过载倍数，对一般电机， 1.62.2，在这里 取值为 2I = I =14.1A (2-4)m2N则有：I 0.577 I 0.577 14.18.1A (2-5)km(2-6)AkTa 3.107.5.8)2.1(57.)2.1( 考虑滤波大电容充电电流的影响，需留有足够的裕量，故选取 I 15ATa即选定的大功率整流模块的参
19、数为（1200V，15A） 。二、IGBT 参数正反向峰值电压：U = (2-7)mVN537802考虑到 23 倍的安全系数，其耐压值为：U (23) 537=10751612V (2-8)mCEO)(9取 U 的值为 1200VCEO通态峰值电流：I 14.1=16.9A (2-9)2.1mCk其中 k1.2 为经验值。取 的值为 20A,则 IGBT 的参数为（20A,1200V） 。cI三、滤波电容参数当没有滤波电容时，三相整流输出平均直流电压为：517V (2-10)3805.123NDCU加上滤波电容后，U 电 压 的 峰 值 ：的 最 大 电 压 可 达 交 流 线DC(2-11
20、)DCP2VN53780直流侧滤波电容器作为滤波器用时，考虑电容 C 与负载等效电阻的乘积（时间常数）大于三相桥整流输出电压的脉动周期，T=0.0033s=3.3mS,即3.3mStR3则 C= Ft6103.又由经验公式 PRt.5P电机容量（单位取 kW）在本次设计中，P =2.2KW，则N5.26tR则可以求得 C= =431 (2-12)610.3F要求电容的额定电压为：(2-13)VVUDCPCN 1074853)25.()25.1( 取 为 900V。理论上滤波电容越大越好，但是考虑到体积与经济原因，在此我们选取两个 1000 F/450V 的电容串联，总耐压为 900V,总的电容
21、量为 500 F。 四、电阻选择10并联在电解电容两端的两个电阻都是 20k /(1/2W),在电源关断时，提供电容器放电回路。限流电阻在电路中起到限流作用，在这里我们取限流电阻为 100 。五、熔断器选择5=7.510A (2-14)25.1()25.1(NRNII由式（2-14）可得，在这里我们选用电流为 10A 的熔断器。六、压敏电阻选择压敏电阻正常工作时，漏电流极小（ 级） ，因而损耗小，遇到尖峰电压时可通A过高达数千安的放电电流，抑制电压的能力强，此外，对浪涌电压反应快，体积小，因而在这里我们选用压敏电阻进行过压保护。其额定电压：U 1.3 =698.6V (2-15)MA13804
22、1.2N所以我们选择压敏电阻的额定电压为 1000V，残压比为 1.8，通流容量为 1000A。第四节 保护电路的设计与参数计算一、 泵升电压保护电路：在主电路中，直流电源电压 两端并联较大的电解电容,它除了可以减少直流电dU源电压的脉动外,还可以做储能用。由于整流侧采用三相不可控整流电路，当运行中的电动机减速或停车时，储存在电机和负载转动部分的动能将变成电能，由于能量无法反馈回交流电源，只能对滤波电容充电，这将导致电容电压突然升高，称为“泵升电压” （泵升电压现象如图 2-3 所示） 。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDat
23、e: 29-Apr-2005 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples上上上上上上上上上.ddbDrawn By:tUd0UcText上2-3 上上上上上上U泵升电压会危及整个电路的安全，如果让电容器吸收全部回馈能量，则需要加大电容器的容量，由此迫使泵升电压很高而损坏元器件。并且用过大容量的电容会大大11增加调速系统的体积和重量，因此，我们在这里采用一个 IGBT 管和电阻组成的泵升电压保护电路，如图 2-4 所示：为使电路具备再生反馈电力的能力，我们也可采用如图 2-5 所示电路：1. 带有泵升电压限制电路的电压型
24、间接交流变流电路2. 当泵升电压超过一定数值时，使 V0 导通，把从负载反馈的能量消耗在 R0 上。图 2-5 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路泵升电压控制电路中滞环比较器的上下限的决定使 IGBT 的开关动作在允许的范围内。滞环的选择原则是：下限的整定略大于电网允许向上波动的最大值 564V（ 的DCPU105， 的计算见主电路参数计算） ，而电压波动属正常现象，不能认为是泵升，DCU所以泵升环的下限 取 565V,上限 取电压保护电路的整定值 590V（ 的 110） ，12UDCP泵升环上下限如图 2-6 所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleN
25、umber RevisionSizeBDate: 2-Jun-2005 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples上上上上上上上上上.ddbDrawn By:UcUt0上2-6 上上上上上上U1(565V) U2(590V)泵升保护电路如图所示：下图所示泵升保护电路的工作原理：当回馈的能量使电容两端的电压 超过下限CU时，比较器输出高电平，光电耦合器输出高电平去触发 IGBT 导通，把回馈到电容的1U能量消耗在电阻 上， 的选择以分流电流大于或等于电机允许的最大制动电流为标4R4准。当 大于 时，系统采取过压保护电路。
26、工作情况见过压保护电路。当 由C2 CUAC负 载AC电 源 V0R012逐渐变小而又大于 时，IGBT7 仍继续起分流的作用。2U1U泵升电压保护电路的有关参数计算：从主电路取泵升保护电压信号为两个大电容两端电压的一半。现取 1R 、1R 的232电阻分别为 610k /2W、7.5k /(1/8W)。则电路中稳压二极管 1VST2 整定为：(2-16)VUVST 6.359061.721 而 B 点（放大器反向输入端）电压为：U = (2-17)4.5.在这里我们选用电阻 1R18、1R19 分别为 3.5k 、1k 来实现。其他电阻的选择是为了限制通过比较器、光电二极管和光敏三极管的电流
27、来选择：电容 1C2 为 0.01 F,电阻 1R17 为 20k ，电阻 1R20 为 5.1k ，电阻 1R21 为 2k 。二、过压保护电路该系统需要设置过压保护电路，因为 IGBT 集射极耐压和承受的反向电压有限，在我国电网电压的线性度又较差，在大负载时三相线电压通常小于 380V；并且在用电低峰期，线电压会高达 440V，在如此大的电压波动范围会导致直流回路过电压。对此，我们采用如图 2-8 所示的过压保护电路。采样电路设在中间直流电压环节，这样真正在过电压构成危险时检测出信号而驱动保护动作，而不至于在过电压并未构成危险时而保护误动作，从而提高变频器的抗干扰能力和可靠性。13直流电压
28、保护信号取自主回路滤波电容器两端，经过电阻分压后获得，为了防止高压信号进入控制回路，采用光电耦合电路，直流电压保护动作限定在 670V 以下。过压保护电路的工作原理如下：正常情况下，采样电压小于给定电压，比较器输出低电平，光电耦合器输出低电平；当故障发生时，采样电压高于给定电压，比较器输出高电平，光电耦合器输出高电平。当芯片捕捉到这一由低到高的电平跳变时，用软件的方法去封锁 IGBT 的六个驱动信号。过压保护电路的参数计算：因电压取自限流电路的稳压管 1VST1 的点电压，而将其整定为 10V,所以 UA10V。现把给定电压 UB整定为：(2-18)VB1025.81.82因此电阻 1R8、1
29、R14 分别取 1.8k 、2.2k 。同时为了限制通过比较器、光电二极管及光敏三极管的电流取电阻 1R7、1R10、1R11 的阻值分别为 20k 、5.1k 和 2k 。而在正常工作时采样的电压信号也小于 10V。采样电路如图 2-9 所示。整定直流环平均电压 Ud 为 670V 时过压保护动作。现取电阻 3R3 的阻值为 7.5k /(1/8W)。则 R3 的电阻 R 有(2-19)V25.87.60成立，从而取 R=601.5k /2W。三、限流保护电路在系统中，由于电容没有充电前，接在电路中相当于短路。给电容充电时，电流可能会过大，为了保护三相整流桥，在直流回路中，在电压上升到正常水
30、平的 75以前，在直流主回路里串入一电阻，达到限制电流的目的；当电压升到 75以上时，短接该电阻。因此需要设置限流电路。电容充电电流、电压曲线见图 2-10,限流保护电路见图 2-11 所示：限流保护电路有关参数的计算：由于 1VS1 整定为 10V，所以正常工作时 UA、UB 的电压都应整定为小于 10V 电压。141 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 29-Apr-2005 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples上上上上上上上上上上上.d
31、dbDrawn By:3R2610K3R37.5KUdUd 上上上上上上1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA TitleNumber RevisionSizeBDate: 29-Apr-2005 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples上上上上上上上上上上上上上.ddbDrawn By:tU75上U0I图 2-9 电压检测信号电路 图 2-10 电容充电时的电压、电流曲线图 2-11 限流保护电路当起动电压达 75 402.8V，UA402.87.5/(7.5+601.5)=4.96VDC(2-20)V
32、UB512故电阻 1R2、1R3 分别取 2k 、1k .同时为了限制通过比较器、光电二极管、光敏三极管和接触器的电流取电阻 1R1、1R4、1R6 分别为 20k 、2k 、30 。电容为0.1 F。而在正常工作时采样的电压信号也小于 10V。电压采样电路同电压保护电路。四、过流保护电路系统设置过流保护电路的目的，一是避免过流及输出出现短路，IGBT 处于过流状态而损坏；二是防止所驱动的三相感应电机遭到损坏。过流保护电路如图 2-12 所示：图 2-12 过流保护电路采样电路应该设在中间直流电压环节，这样真正在过电流构成危险时检测出信号15而驱动保护动作，而又不至于在过电流并未构成危险时保护
33、误动作，从而提高变频器的抗干扰能力和可靠性。图示过电流保护电路的工作原理如下：正常情况下，采样电压小于给定电压，比较器输出低电平，光耦合器输出低电平；当故障发生时，采样电压高于给定电压，比较器输出高电平，光电耦合器输出高电平。当芯片捕捉到这一由低到高的电平跳变时，用软件的方法去封锁 IGBT 的六个驱动信号。过流保护电路有关参数的计算如下：把 UB的电压整定在 4V 左右，现取 4V(2-21)V4152.成立，因此，选择电阻值 1R13、1R14 分别为 5.5k 、2k 。同时为了限制通过比较器、光电二极管和光敏三极管的电流取电阻 1R12、1R15、1R16 分别为20k 、5.1k 、
34、2k 。而在正常工作时采样电流信号的电压值也应小于 4V。过流电压信号的检测电路见图 2-13：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 2-Jun-2005 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples上上上上上上上上上上上上上上.ddbDrawn By:3C30.1uF/600V3R50.37/200W图 2-13 过流电压信号的检测电路过流电压信号的检测电路有关参数的计算：使过流信号为 1.25I ,3R5 的阻值 RN要满足1.255R4V，则
35、 R 为 0.37 ，耐压为 600V。电容可选 0.1 /600V。F五、欠压保护电路欠压保护原理与过压保护类似，其原理图见图 2-14。其工作原理：电压正常时，采样电压高于给定电压，比较器输出低电平，光电耦合器输出低电平；当采样电压低于给定电压，比较器输出高电平，光电耦合器输出高电平。当芯片捕捉到这一由低到高的电平跳变时，用软件的方法去封锁 IGBT 的六个驱动信号。16图 2-14 欠压保护电路欠压保护有关参数计算：把动作电压整定在 85U =456.45V。相应地 整定在DCAU456.457.5/(7.5+601.5)=5.62V，选 1R24 为 3.3k 有关系式VR153.62
36、.5R=5.5k ，则选 1R23 为 5.5k ，其它元件的选择与过压保护相同。1R22、1R25、1R26 的阻值分别为 20k 、5.1k 、2k 。第五节 驱动电路的设计系统使用六个光电耦合驱动 IGBT 管。由于这种驱动电路如某个元件性能不稳定，极可能直接影响驱动效果因此在本系统采用 IGBT 智能功率模块（IPM）,它是一种大规模的集成模块，它有单个光电耦合驱动电路无可比拟的优点。一、 用六个光电耦合驱动电路因为 80C196MC 波形发生器产生的 PWM 调制波驱动信号还不足以驱动开关器件IGBT，因此必须采用六个光电耦合驱动电路将控制电路输出脉冲放大。由于 IGBT驱动电路品质
37、的优劣，会直接影响到逆变器的正常工作。为此设计驱动电路时需要综合考虑如下几个因素：1 具有对“地”电位浮动的独立交流电源，控制信号经过光电耦合隔离；2 开通和关断时应有足够的上升和下降速度；3 要小内阻驱动源对栅极电容充电，以提高开通速度；关电时提供低阻放电回路，从而能使 IGBT 快速的关断；4 IGBT 对电荷积累特别地敏感，故驱动电路必须保证放电回路通畅，以确保IGBT 安全工作；5 为兼顾通态损耗和短路电流，VCE 一般在 12V 到 15V 之间才合适，关断时，为尽快抽取 PNP 管中的存储电荷，在 GE 极之间加一负偏压，一般取为-5V；6 IGBT 栅极驱动电路最好自身带有对 I
38、GBT 的保护。六个光电耦合驱动电路的电路图见附录另外，在进行 IGBT 的设计布线时，应使输入与输出电路分开，即输入电路（光电17隔离器）接线远离输出线路接线，以保证有适当的绝缘强度和噪音阻抗；IGBT 栅极回路连线一定要小于 1m，并且要用绞合线。二、 用 IGBT 智能功率模块另一种比较可靠的驱动电路，它是把驱动电路、保护电路、功率开关电路集成于一体的大规模集成模块，其具有如下的优点：1 结构紧凑，集驱动器、保护电路于一体的模块内，安装很方便；2 驱动器的设计布局优化，功耗低，并可以省去负偏压；3 具有多种保护功能，如过流保护、短路保护、过热保护和控制电压欠压保护，使模块的可靠性大大提高
39、。用六个光电耦合驱动电路去驱动 IGBT 单管时，很可能由于驱动电路元件工作不稳定，甚至气候潮湿都会使驱动信号发生变形，使 IGBT 能按设计要求工作而使用 IPM 模块后，由于其高度集成的特点，只要给定的控制信号稳定，其输出效果一定很好。由于智能功率模块 IPM 有着六个光电耦合驱动电路无法比拟的优越性，本设计采用 IPM智能功率模块驱动。其元件引脚图如下图 2-15 所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 6-May-2005 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explor
40、er 99 SEExamples上上上IPm上上.ddbDrawn By:1234567891011121314151617181920212223PNUVWOAUFOUP UPIN15A0BVFOVPIN15B0CWFOWPIN15C0D15DUNVNWNFOVUPCUFOVUPIVPCVFOVPVP1VWPCWFOWPVWP1UNCVN1UNVNWNFOIPM图 2-15 IPM 外部引脚图第六节 电源的设计在本次毕业设计中，需要用到 15V 和 5V 电源，因此必须对这两种电源进行设计。电源的设计见图 2-16 和图 2-17 所示：181 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA
41、TitleNumber RevisionSizeBDate: 21-Jun-2005 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples上上上上上.ddbDrawn By:T1TRANS4C20.1uFC40.1uFC11000uFC31000uFC7200uFC8200uFC40.1uFC50.1uF1234D1BRIDGE1GNDGNDVinVin +15V-15V -15V+15V15V1 231 23U1LM7815CkU2LM7915Ck上220V图 2-16 15V 直流电源图 2-17 5V 直流电源19第三章
42、调速系统控制方式和 PWM 变频器第一节 变频调速的基本控制方式在进行电动机调速时,常需考虑的一个重要因素,就是希望保持电动机中每极磁通量 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过m分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电动机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要m保持磁通恒定就要费一些周折了。我们知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是(3-1)mNgkfE14.式中 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V） ；定子频
43、率（Hz） ；1f定子每相绕组串联匝数；N定子基波绕组系数；1k每极气隙磁通量（Wb） 。m由式(3-1)可知，只要控制好 和 ，便可达到控制磁通 的目的，对此，需要考虑gE1f m基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。一、基频以下调速由式(3-1)可知，要保持 不变，当频率 从额定值 向下调节时，必须同时降m1fnf120低 ，使gE(3-2)常 值1fg即采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 ，则得gEU1(3-3)常 值1fU这是恒压频比的控制方式。低频时， 和 都较小，定子漏磁阻抗压
44、降所占的分量就1g比较显著，不能忽略。这时可以人为地把 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带U定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图 3-1 中的 b 线，无补偿的控制特性则为 a 线。图 3-1 恒压频比控制特性在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中，须备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。(一) 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性当定子电压 和电源角频率 恒定时，异步电动机在恒压恒频正弦波供电时的机1U1械特性方程式 可以写为如下形式：sfTe(3-4)212212 )(3llpe LsRsn当 s 很小时，可忽略上式分母中含 s 各项，则21(3-
45、5)sRUnTpe/213也就是说，当 s 很小时，转矩近似与 s 成正比，这时， 是一段直线，如图 3-2sfTe所示。当 s 接近于 1 时，可忽略示(3-4)分母中的 ，则/2R(3-6)sLRsUnTlpe 132/12121 即 s 接近于 1 时，转矩近似与 s 成反比，这时， 是对称于原点的一段双曲线。fTe当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，见图 3-2。图 3-2 恒压恒频时异步电动机的机械特性(二) 异步电机基频以下电压频率协调控制时的机械特性1 恒压频比控制（ / =恒值）1U为了近似地保持气隙磁通 不变，以便充分利用电动机铁心，发挥电动机
46、产生转m矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速 n0自然要随频率变化。(3-7)pn2601带负载时的转速降落 为(3-8)1026snsp在式(3-5)所表示的机械特性近似直线段上，可以导出(3-9)21/13UnTRspe由此可见，当 / 为恒值时，对于同一转矩，s 是基本不变的，因而 也是基本1n22不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率 时，机械特性基本上是平行下移，1如图 3-3 所示。它们和直流他励电动机变压调速时的情况基本相似，所不同的是当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了，而且频率越低时最大转矩值越小。有(3-10)2/1211max23ll
47、pe LRUnT对上式加以整理得(3-11)2/11221max 33llppe LRUnUnT可见，最大转矩 是随着 的降低而减小的。频率很低时， 太小将maxeT1 maxeT限制电动机的负载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压 ，可以增强负载能力，1U见图 3-3。图 3-3 恒压频比控制时变频调速的机械特性2 恒 / 控制gE1如果在电压频率协调控制中，恰当地提高 的数值，使它在克服定子阻抗压降1U以后，能维持 / 为恒值（基频以下） ，则由 3-1 式得知，无论频率高低，每极磁通g1均为常值。m23此时的机械特性方程式为(3-12)2/12/13lgpe LsREnT当 s 很小时
48、，可忽略式 3-12 分母中 s 项，则(3-13)snpe2/13这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当 s 接近于 1 时，可忽略式(3-12)分母中的 项，则2/1R(3-14)sLREnTlpe 13/212这是一段双曲线。S 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。恒 / 控制的稳态性能是优于恒 / 控制的，它正是恒 / 控制中补偿定gE1 1U1U子压降所追求的目标。3 恒 控制1/r如果把电压-频率协调控制中的电压 再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消1掉，得到恒 控制。此时的机械特性方程式如下：1/rE(3-15)/21/2/133RsEnsRnTrppe 不必作任何近似就可知道，这时的机械特性 完全是一条直线。见图 3-4 中的sfTec。显然，恒 的稳态性能最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性。sfTe这正是高性能交流变频调速所要求的性能。
