電力電子課程設(shè)計--三相電壓型交直交變頻器的設(shè)計與仿真

1、電力電子課程設(shè)計三相電壓型交直交變頻器的設(shè)計與仿真專業(yè)班級： 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 前言變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源，供給交流電動機(jī)。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。交-交型變頻器：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電壓的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達(dá)到電源頻率的1/31/2,所以不能高速運行。交-直-交

2、型變頻器：交-直-交變頻器是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種。 由于傳統(tǒng)能源的枯竭，各國對環(huán)境保護(hù)的重視以及現(xiàn)存電力系統(tǒng)的種種弊端，分布式發(fā)電將在未來的供電系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。但是分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)出的電都不是與電網(wǎng)供電系統(tǒng)相同的交流電，無法與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)或者直接供給普通負(fù)載使用，都需要變頻裝置將其換成負(fù)載可以使用的電流或者大電網(wǎng)電壓、頻率相匹配的工頻交流電。因此，針對特定的分布式發(fā)電技術(shù)研究與其相匹配的變頻器就很有必要。現(xiàn)代電源技術(shù)

3、是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件、綜合自動控制、微處理器技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。變頻器是由整個電路構(gòu)成交流一直流一交流一濾波的變頻裝置，得到了廣泛應(yīng)用。變頻器不僅能模擬輸出不同國家的電網(wǎng)指標(biāo)，而且也為出口電器廠商在設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)、檢測等應(yīng)用中提供純凈可靠的、低諧波失真的、高穩(wěn)定的電壓和頻率的正弦波電源輸出。變頻電源是非常接近于理想的交流電源，可以輸出任何國家的電網(wǎng)電壓和頻率。變頻電源的優(yōu)異特性：1. 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。2. 電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。3. 可實現(xiàn)軟啟動、制動功

4、能，減小啟動電流沖擊。4. 電壓平滑性好，效率高。5. 調(diào)速范圍較大，精度高6. 體積小，便于安裝、調(diào)試。現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件 igbt 或功率模塊 ipm 組成的 pwm 逆變器構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，目前已經(jīng)占領(lǐng)了全世界 0.5500kva 中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場。在本次設(shè)計中也采用電壓型變頻器。目錄第一章 課程設(shè)計任務(wù)31.1設(shè)計目的31.2設(shè)計要求31.3設(shè)計內(nèi)容3第二章 變頻器方案論證42.1變頻器的原理框圖及組成部分42.2各模塊分析及方案選擇42.2.1電源選擇42.2.2整流、濾波模塊方案選擇42.2.3逆變模塊方案52

5、.2.4控制、驅(qū)動電路方案62.2.5 spwm產(chǎn)生方案72.3 主電路原理9第三章 主回路元件選擇113.1不可控整流電路器件選擇113.2 逆變電路器件的選擇12第四章 驅(qū)動電路13第五章 保護(hù)電路設(shè)計145.1 過電壓的產(chǎn)生與保護(hù)145.1.2 欠壓保護(hù)145.2 過流保護(hù)155.3、緩沖電路16第六章 pwm控制策略18第七章 matlab仿真22總結(jié)24【參考文獻(xiàn)】25第一章 課程設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計目的電力電子技術(shù)課程設(shè)計是電氣自動化工程專業(yè)學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中一項綜合性實踐環(huán)節(jié)，復(fù)習(xí)和鞏固本課程及其他課程的有關(guān)內(nèi)容，對學(xué)生的實踐能力的培養(yǎng)和實踐技能分訓(xùn)練具有相當(dāng)重要的意義。通過設(shè)計

6、使得獲得電力電子技術(shù)必要的基本理論、基本分析方法以及基本技能的培養(yǎng)和訓(xùn)練，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事與電氣工程及其自動化專業(yè)有關(guān)的技術(shù)工作和科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)，也便于學(xué)生加深理解和靈活運用所學(xué)的理論，提高學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，為畢業(yè)后的工程實踐打下良好的基礎(chǔ)。1.2設(shè)計要求三相電壓型交直交變頻器設(shè)計與仿真，輸入線電壓340v420v，交流輸出功率10kw，最大交流輸出線電壓380v，輸出頻率60hz，穩(wěn)態(tài)精度小于2%，頻率穩(wěn)定度小于0.5%，正弦交流輸出電壓畸變率小于5%。1）掌握空間矢量調(diào)制或載波調(diào)制；2）控制輸出電壓uao, ubo, uco;3）元件選型依據(jù)。4）負(fù)載中，具有

7、三相不控整流設(shè)備。1.3設(shè)計內(nèi)容 要求學(xué)生在深入學(xué)習(xí)和分析三相電壓型交直交變頻器的組成和工作原理的基礎(chǔ)上，完成主要電路和驅(qū)動保護(hù)電路的硬件設(shè)計和元件選型，并在matlab simulink 平臺上，完成諧波電流檢測算法、直流電壓和輸出電流控制的仿真。第二章 變頻器方案論證2.1變頻器的原理框圖及組成部分交直交電路是先將交流電整流為直流電，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，也稱為間接交流變流電路。間接交流變流電路可分為兩類，一類是輸出電壓和頻率均可變的交直交變頻電路（簡稱vvvf電源），主要用作變頻器。另一類是輸出交流電壓大小和頻率均不變的恒壓恒頻（cvcf電源），主要用作不間斷電源。交直交變頻也稱間接變

8、頻，間接變頻裝置先將工頻交流電通過整流器變成有紋波的直流電，然后經(jīng)過電容濾波得到平直的電壓波，再經(jīng)過逆變器將直流電變換成可控頻率的交流電，因此又稱為有中間直流環(huán)節(jié)的變壓變頻裝置。變頻電源由控制電路、驅(qū)動電路、主電路組成。主電路基本上由整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器 3 大部分組成。其原理框圖如下：輸出濾波逆變電路濾波電路整流電路三相電源 主電路主電路電流 檢 測隔離驅(qū)動控制電路spwm波生成芯片8051單片機(jī) 圖1 變頻器原理框圖2.2各模塊分析及方案選擇2.2.1電源選擇 供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220v，中大功率的采用三相380v電源。因為本設(shè)計中電

9、源要求為340v420v。 2.2.2整流、濾波模塊方案選擇整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電。方案一 、三相半波可控整流電路特點：電路結(jié)構(gòu)簡單，只用三只晶閘管，故電路經(jīng)濟(jì)。且變壓器二次側(cè)接成星型得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。但其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用極少。方案二、利用三相橋式全控整流雖目前應(yīng)用最廣泛的是這種整流方式，可精確控制輸出電壓，輸出脈波數(shù)比三相半波整流多了一倍，這就使得濾波電路的參數(shù)減小了一倍，但是電網(wǎng)端功率因素較低。但是本次設(shè)計任務(wù)是變頻，控制部分主要是逆變電路，為簡化電路故不采用此方法。方案三、三相橋式不可控整流直接用不可控的整流二極

10、管整流，得到直流電壓，克服了方案二中的功率因素低的缺點，它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。電路中比三相全波少了控制電路，電路結(jié)構(gòu)相對簡單、經(jīng)濟(jì)。故采用不可控的整流二極管整流。電路圖如下： 圖2整流電路圖濾波電路：因在本設(shè)計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。2.2.3逆變模塊方案逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設(shè)計中采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管igbt。從變頻電源的性質(zhì)上看，又可以分為電壓源型變頻器和直流電源型變頻器兩大類。對于交直交變頻裝置，兩類變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用什么樣

11、的濾波器。圖3 濾波器方案一，電流型變頻器，如圖（b）, 電流型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。，輸出交流電流是矩形或階梯波。給負(fù)載供電時，容易實現(xiàn)回饋制動，便于四象限運行，適用于需要制動和經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的負(fù)載。方案二，電壓型變頻器,如圖（a）， 電壓型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器。 由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機(jī)提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點是運行幾乎不

12、受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機(jī)傳動系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中。在交-直-交變頻器的設(shè)計中，雖然電流型變頻器可以彌補(bǔ)電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設(shè)備即可以實現(xiàn)負(fù)載的四象限運行的優(yōu)點，但是根據(jù)輸出頻率的要求需采用pwm逆變電路，實際應(yīng)用的 pwm 逆變電路幾乎都是電壓型電路，考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設(shè)計中采用電壓型變頻器。電路圖如下： 圖4 電壓型逆變電路圖2.2.4控制、驅(qū)動電路方案一、控制電路單片機(jī)

13、在整個系統(tǒng)中起著核心的作用，從電流電壓的檢測到控制參數(shù)的計算、傳送，再到整個系統(tǒng)的各個部分的控制、協(xié)調(diào)工作都離不開單片機(jī)發(fā)揮作用。所以控制系統(tǒng)選用 at89c51 單片機(jī)為控制器?？刂齐娐罚翰捎?051單片機(jī)和spwm波生成芯片sa4828，控制電路的主要功能是接受各種設(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。 二、驅(qū)動電路：電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。方案一 采用光耦隔離放 大驅(qū)動 igbt 導(dǎo)通與關(guān)斷，采用分立元件構(gòu)成。方案二 采用專用的驅(qū)

14、動芯片，實現(xiàn)光耦隔離，電路結(jié)構(gòu)簡單誤差較低，容易實現(xiàn)，選擇此方案。2.2.5 spwm產(chǎn)生方案由于輸出頻率為60hz,就需要采用spwm調(diào)制技術(shù)，其產(chǎn)生方法有以下幾種：方案一、計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半波周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算pwm波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需pwm波形，這種方法稱之為計算法。方案二、調(diào)制法把希望輸出波形作為調(diào)制信號，進(jìn)行調(diào)制得到期望的pwm波，把接受調(diào)制的信號作為載波，通常采用等腰三角形或鋸齒波作為載波應(yīng)用最多，因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開

15、關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈波。其中雙極性pwm控制方法波如下圖所示。這種控制方式中含有特定頻率的諧波分量。圖5 pwm控制原理圖調(diào)制法分為同步及異步調(diào)制法兩種。本次采用載波法。方案三、跟蹤控制法把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號的變化。跟蹤控制法當(dāng)中常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式。2.3 主電路原理1.整流電路 整流電路是把交流電變換為直流電的電路。本設(shè)計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設(shè)計中不再做詳細(xì)

16、的介紹。 2.逆變的基本工作原理 將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下： 三相電壓型逆變電路的原理圖4見圖所示，v1v6組成了橋式逆變電路，這6個開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個相位互相差23的三相交流電壓。 當(dāng)1s、4s閉合時，uuv為正；3s、2s閉合時，uuv為負(fù)。 用同樣的方法得： 當(dāng)3s、6s同時閉合和5s、4s同時閉合，得到uv-w;5s,2s同時閉合和1s、6s同時閉合，得到uw-u。 為了使uuv, uv-w, uw-u三相交流電在相位上依次相差23；各開關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，

17、其規(guī)律在圖6（a）中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得uuv、uv-w、uw-u波形如圖6(c) 所示。 a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 開關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖觀察6個開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點： 各橋臂上的開關(guān)始終處于交替打開、關(guān)斷的狀態(tài)如1s、2s。 各相的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差23電角度。上述分析說明，通過6個開關(guān)的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過ud的大小來調(diào)節(jié)。 三相電壓型逆變電路的基本工作方式是180度導(dǎo)電方式，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120度，任一瞬間有三個橋臂同導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩

18、臂之間進(jìn)行，也稱縱向換流。在上述180度導(dǎo)電方式逆變器中，為防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，要采取先斷后通的方法。即應(yīng)先給關(guān)斷器件關(guān)斷信號，待其管斷后留一定得時間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號，即在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短要視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時間就可以越短。逆變電路輸出端的電容c是為gto關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓而設(shè)置的，它也可以對輸出的pwm電壓波形起濾波作用。第三章 主回路元件選擇3.1不可控整流電路器件選擇在交直交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場合中，大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源，供后級

19、的逆變器使用。在整流電路中輸出電壓的脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波器。這里采用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓的平均值就變大了。整流電路中用到的器件是電力二極管。整流二極管的參數(shù)選擇：1、輸出電壓平均值ud：在三項可控整流電路中我們得到ud=2.34*u2*cosa；在三相不可控整流電路中a=0度，所以ud=2.34u2，u2為變壓器二次側(cè)相電壓。2、電流平均值：一個電源周期中，id有 6 個波頭，流過每一個二極管的是其中兩個波頭，因此二極管的電

20、流平均值ivd=id/3。.3、二極管承受的電壓：根據(jù)圖6，可以得出每個二極管所承受的反向電壓為線電壓的峰值，即為6u2。而題目給出的要求是出入線電壓340-420v，交流輸出功率10kw。所以在選擇二極管所承受的最大反向電壓為線電壓的最大值，即選擇420。 um=2ul=2*420=593.88v考慮到安全裕量，二極管的額定電壓為 uvd=（2-3）* um=1187.86-1781.64v所以選擇二極管的額定電壓為 uvd=1500v。不考慮電路中的開關(guān)損耗，由功率平衡關(guān)系可知：p直=p交 所以輸出電流平均值: id=pud而在這次得 ud的選擇中，為了使電流最大則電壓應(yīng)選擇最小，即為34

21、0v，所以 ud=2*340 id=10000/2*340=20.8a 流過二極管的有效值： ivd=13id 流過二極管的平均值： idvd= ivd 1.57=4.42 a 考慮到安全裕量： idvd=（1.5-2）* idvd=6.628.83 a3.2 逆變電路器件的選擇在逆變電路中采用igbt作為開關(guān)器件，以二極管作為反饋電路器件所以首先對igbt進(jìn)行選擇：三相橋式逆變電路中，直流側(cè)的電壓平均值 ud=2*420=593.88 v。而igbt所承受的最大電壓為 1.1 ud，考慮到安全裕量：igbt的額定電壓為： uvt=（2-3）*1.1*ud=1306.64-1959.81 v反

22、饋二極管的選擇：二極管的承受的最大反向電壓為直流側(cè)的電壓平均值的一半，即ud=ud2=296.94 v考慮安全裕量，二極管的額定電壓應(yīng)該滿足：umd=2-3*ud=593.88-890.82 v由于反饋二極管續(xù)流的時間非常短，因而流過反饋二極管的電流的平均值也很小，所以粗略估算（在頻率為 2hz 時電流續(xù)流時間最長，電流平均值最大），二極管的額定電流選擇為 10a 就能滿足要求。第四章 驅(qū)動電路電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能影響很大。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使2電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減少開關(guān)損耗，

23、對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重大意義。驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件的控制端和公共端之間，可以使其開通或者關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號，對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號，以保證器件按要求可靠導(dǎo)通或?qū)?。?qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。一般采用光隔離或磁隔離、光隔離一般采用光耦合器。本次設(shè)計中使用的是 igbt 全控型器件，是電壓驅(qū)動型器件。igbt 的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。常用的有三菱公司的 m579 系列和富士公司的 exb系列。同一系列的不同型號其引腳

24、和接線基本相同，只是適用被驅(qū)動器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。其驅(qū)動電路如下，其內(nèi)部有退飽和和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷 igbt，并向外部電路給出故障信號。由于三相橋式逆變電路采用 igbt 作為開關(guān)器件，igbt 的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。本課程設(shè)計中我們采用 m579652l 芯片作為驅(qū)動芯片。它的內(nèi)部具有退飽和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢關(guān)斷 igbt，并向外部電路給出故障信號。m579652l 輸出的正驅(qū)動電壓均為+15v 左右，負(fù)驅(qū)動電壓為-10v。其峰值輸出電流為 5a，并有短路保護(hù)。圖7 m57962型igbt

25、驅(qū)動器的原理和接線圖第五章 保護(hù)電路設(shè)計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)也是必要的。通過對輸出電流、電壓等的檢測，反映給控制電路，以便控制和保護(hù)主電路。5.1 過電壓的產(chǎn)生與保護(hù)在電力電子裝置中，可能發(fā)生的過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩大類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護(hù)信號。產(chǎn)生過電壓的原因：1）換相電壓：由于全控型器件反并聯(lián)餓續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷能力，因而有較大的反向電流

26、流過，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。2）關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件感應(yīng)出的過電壓。 圖8 過電壓保護(hù)圖5.1.2 欠壓保護(hù)欠壓的后果：欠電壓的主要后果是使變頻器的輸出電壓偏低，在負(fù)載不變的情況下，電動機(jī)電流有可能超過額定電流，使電動機(jī)過熱，甚至燒壞。欠壓的原因：1. 限流電路損壞：多數(shù)情況下，是限流電阻損壞，使得濾波電容器不能充電，導(dǎo)致欠電壓。2. 電源缺相：電源缺相后，三相整流就變成了單相整流，在電源電壓等于380v 的情

27、況下，整流后的平均電壓只有 342v。3. 全控器件設(shè)備導(dǎo)通：如果在變頻器附近有大容量全控器件設(shè)備的話，則在igbt設(shè)備導(dǎo)通的瞬間，電源電壓有可能出現(xiàn)凹口，導(dǎo)致變頻器欠壓。圖9 欠電壓保護(hù)圖5.2 過流保護(hù)電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。過載保護(hù)是對負(fù)載電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)的，過電流保護(hù)是對變頻器進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)變頻器的輸出電流超過額定電流時，認(rèn)為變頻器處于過電流狀態(tài)。外部故障引起的過電流，由變頻器輸出側(cè)進(jìn)行檢測，內(nèi)部故障引起的過電流，由變頻器的輸入側(cè)進(jìn)行檢測。造成過流的原因有直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等情況。對過電流的保護(hù)采用瑞士lem公

28、司生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)磁場補(bǔ)償式電流傳感器來進(jìn)行電流檢測，在此傳感器的輸出串電阻r，則r上的壓降反應(yīng)了被測的電流。過流發(fā)生時，r上的壓降大于過流保護(hù)動作整定值，比較器lem324輸出低電平去封鎖igbt的驅(qū)動電路的輸入信號，即可使橋臂上的所有igbt處于截止?fàn)顟B(tài)實現(xiàn)過流保護(hù)的功能。過流保護(hù)的電路示意圖如下：圖10 過流電路保護(hù)圖5.3、緩沖電路igbt 是一種壓控型功率器件，輸入阻抗高，工作速度快、通態(tài)壓降低、承受電流大。但當(dāng) igbt 工作在較高頻率或較大功率場合時，使 igbt 在關(guān)斷瞬間承受很大浪涌電壓。另外，與 igbt 反并聯(lián)的續(xù)流二極管在反向恢復(fù)時兩端電壓異常升高。這勢必造成 igbt

29、的開關(guān)損壞。為提高 igbt 工作可靠性，較常用的方法是用緩沖電路。緩沖電路又稱吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、 du/dt保護(hù)、di/dt 保護(hù)，減小器件的開關(guān)損耗。目前 igbt 的緩沖電路主要采用鉗位式 rcd 吸收電路。rcd 緩沖，緩沖電路跨接于 igbt 模塊的正、負(fù)電源之間來抑制過電壓；當(dāng)上、下橋臂的任意一個 igbt 由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時，線路雜散電感的能量經(jīng)二極管 vd 沖向電容 c，模塊正、負(fù)極之間的電壓被鉗在電容電壓上來抑制過電壓。該緩沖電路方式適用于較大功率的 igbt 模塊。其中緩沖二極管的反向恢復(fù)特性雖不影響關(guān)斷過程的峰值電壓，但會使端電壓穩(wěn)定時間過長，

30、因此，要選擇反向恢復(fù)時間短的二極管。此次的設(shè)計的 igbt 逆變器緩沖電路圖11 緩沖電路的rcd結(jié)構(gòu)本設(shè)計采用 rcd 緩沖電路，所以由 igbt 組成的逆變器的緩沖電路如下：圖12 緩沖電路設(shè)計圖第六章 pwm控制策略spwm，就是在 pwm 的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。spwm 脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波和等腰三角波的交點來決定的，具體方法如下。1. 單極性 spwm 法：在半個周期內(nèi)三角波只在正極性或負(fù)極性一種極性內(nèi)變化，所得到的 pwm 波形也只在單個極性范圍變化的控制方式成為

31、單極性 pwm 控制方式。2. 雙極性 spwm 法：和單極性 pwm 控制方式相對應(yīng)的是雙極性控制方式。在半個周期內(nèi)，三角波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得的 pwm也是有正有負(fù)。對三相橋式 pwm 型逆變電路，這種電路都是采用雙極性控制方式。正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制算法三角波變化一個周期，它與正弦波有兩個交點，控制逆變器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷各一次。要準(zhǔn)確的生成spwm波形，就要精確的計算出這兩個點的時間。開關(guān)元件導(dǎo)通時間是脈沖寬度，關(guān)斷時間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時，這些時間也不同，但對計算機(jī)來說，時間由軟件實現(xiàn)，時間的控制由定時器完成，是很方便的，關(guān)鍵在于調(diào)制算法。調(diào)制算法主要有自

32、然采樣法、規(guī)則采樣法、等面積法等。1、自然采樣按照spwm控制的基本原理，在正弦波與三角波的交點進(jìn)行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成spwm波，成為自然采樣點。但該技術(shù)需花費大量的計算時間，難以在實時控制中在線計算，因而在工程上實際應(yīng)用不多。2、規(guī)則采樣法取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期tc,在自然采樣點中，每個脈沖的中點重合。而規(guī)則采樣法使兩者重合，也就是使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點為對稱，這樣就使計算大大簡化。在三角波的負(fù)峰值時刻對正弦信號波采樣而得到一點，過這點作一水平直線和三角波分別交與兩點，在這兩點控制功率開關(guān)器件的通斷。設(shè)正弦調(diào)制信號波為 ur=asinwrt式中a為調(diào)制度

33、，0a1，wr為正弦波角頻率。由規(guī)則采樣法可得關(guān)系式1+asinwrtdd2=2tc2d為脈沖寬度由此可得 d=tc2(1+asinwrtd)在三角波的一周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度d為d=12tc-d=tc4(1-asinwrtd)對于三相橋式逆變器來說，應(yīng)該形成三相spwm波形。通常三相的三角波載波是公用的，三相正弦調(diào)制波的相位依次相差120度，設(shè)在同一三角波周期內(nèi)三相的脈波寬度分別為du、dv、dw,脈沖兩邊的間隙寬度分別為du、dv、dw，由于在同一時刻三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，由上式可得du+dv+dw=3tc2du+dv+dw=3tc4pwm 控制信號采用專用集成芯片 sa4828

34、，它的管腳圖如下圖。sa4828 引腳說明：1) 與單片機(jī)的接口信號ad0ad7、wr、rd、ale 可直接與地址數(shù)據(jù)復(fù)用的單片機(jī)相連，此時，總線選擇信號接+5v，地址數(shù)據(jù)引腳 rs 不用。2) 輸入信號cs 片選信號clk 時鐘信號，最高頻率為 24.576mhzreset 復(fù)位信號，禁止輸出settrip 關(guān)斷信號，高電平時快速關(guān)斷全部 spwm 信號3) 輸出信號rt、yt、by 控制三相逆變橋的三個上橋臂的開關(guān)管rb、yb、bb 控制三相逆變器的三個下橋臂的開關(guān)管它們是標(biāo)準(zhǔn)的 ttl 信號，有 12ma 的驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動光耦。zrpr 輸出調(diào)制波的頻率wss 輸出采樣波形trip

35、 封鎖狀態(tài)，settrip 有效時，該引腳為低電平表明輸出已被封鎖先由鍵盤輸入給定值，單片機(jī)把它換算成變頻器將要輸出的頻率的控制字，寫入到 sa4828 的控制寄存器，啟動 sa4828。從 rtbb 的 6 個引腳輸出相應(yīng)的頻率和電壓的 spwm 控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路隔離后，分別控制 6 個 igbt 的導(dǎo)通與截止。把故障檢測信號接到 sa4828 的 set trip 端，當(dāng)發(fā)生過流、短路和欠壓等情況，將切斷 sa4828 的輸出信號，使得逆變器得到保護(hù)。sa4828 與單片機(jī) at89c51 的接線圖sa4828的mux引腳應(yīng)該接高電平或懸空不接。8051的p0口與sa4828的ad口連

36、接，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，sa4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自8051的低八位地址，從而將ad口輸入的地址和數(shù)據(jù)分開，sa4828的地址鎖存器由8051的ale引腳控制，同時連接的控制信號還有讀，寫信號rd,wr.sa4828的片選信號cs用8051的p2.7引腳來控制，這樣sa4828的8個寄存器的地址為： 寄存器r0r5的地址：0000h0005h。 虛擬寄存器r14,r15的地址：000eh，000fh sa4828的sttrip引腳接8051的p1.0，使單片機(jī)能在異常情況下封鎖sa4828的輸出，zppr引腳接8051的p3.2（ 0int）,測量調(diào)試波的頻率，用于顯示。因

37、8051的復(fù)位端為高電平有效，而sa4828為低電平有效，所以在兩者中間需要加上反相器。 sa4828的trip引腳接一個發(fā)光二極管，當(dāng)sa4828的輸出被封鎖時，發(fā)光二極管亮，用于指示封鎖狀態(tài)。sa4828的六個輸出引腳分別通過各自的驅(qū)動電路來驅(qū)動逆變橋的六只開關(guān)管。第七章 matlab仿真隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)軟件技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。同事由于計算機(jī)運行速度的成倍提高，用圖形來表示模型的想法變成可能。可視化建模的思想逐漸引起人們越來越多的重視，圖形方式信息表達(dá)式與其他方式相比具有直觀、簡明的特點。用圖形來表示模型，可以直觀的反應(yīng)模型信息。matlab中的powerlib工具箱為我們提供了各種電力電子器件