电压源型异步电动机变压变频调速系统设计说明

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1、辽宁工业大学课程设计（论文）题目：电压源型异步电动机变压变频调速系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：学 号：学生：指导教师：（签字）起止时间：课程设计（论文）报告的容与其文本格式1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，容包括: 封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生、指导教师、起止时间等） 设计（论文）任务与评语 中文摘要（黑体小二，居中，不少于200字） 目录 正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等） 参考文献2、课程设计（论文）正文参考字数：2000字周数。3、封面格式4、设计（论文）任务与评语格式5、目录格式 标题“目录”（小二号、黑体、居中） 章

2、标题（四号字、黑体、居左） 节标题（小四号字、宋体） 页码（小四号字、宋体、居右）6、正文格式 页边距：上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2.5cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm，左侧装订； 字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级标题，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正 文文字，小四号字、宋体； 行距：20磅行距； 页码：底部居中，五号、黑体；7、参考文献格式 标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。 示例：（五号宋体）期刊类：序号作者1,作者2,作者n.文章名.期刊名（版本）.出版年，卷次（期次）：页次.图书类：序号作者1,作者2,作者n.书名.版本.出版地：，出版年：页次.

3、课程设计（论文）任务与评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化学号学生专业班级课程设 计（论 文）题目5kW三相电压源型逆变电路设计课程设计论文任务课题完成的功能：本课程设计是完成微机控制下的三相电压源型逆变电路，该逆变电路中以绝缘栅双极 晶管IGBT作为开关器件，采用单片机作为微机控制核心，实现IGBT驱动信号的设计。设计任务与要求：（1）完成电压源型逆变电路主电路设计，包括直流电压源输入、分立搭建IGBT器件、三 相逆变电路输出与相关辅助电路。（2）完成IGBT驱动电路设计，要求选择专用的IGBT混合集成驱动电路（如三菱公司的M597 系列、富士公司的EXB系列、东芝公司的TLP系列、法国

4、汤姆森公司的UA4002系列等）， 完成驱动电路与主电路的接口设计与相关保护电路的设计。（3）完成控制电路设计，包括单片机最小系统、与上面驱动电路的控制接口与软件流程图 设计。（4）撰写课程设计说明书（论文）。技术参数：额定输入电压：直流DC220V；输入电压围：15%；输入最大电流值：30A；连续工作 功率输出：5kW；逆变输出电压：三相380VAC2%；逆变输出波形：全正弦波；逆变输出频 率值：50Hz0.5%；转换效率：93%；功率因数：0.99进度计划（1）布置任务，查阅资料，确定系统的组成（2天）（2）对系统各组成部件进行功能分析（3天）（3）系统电气电路设计与调试设计（3天）（4）

5、撰写、打印设计说明书与答辩（2天）指导教师评语与成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年 月日注：成绩：平时20% 论文质量60%答辩20% 以百分制计算本课程设计题目要求三相电压源型SPWM逆变器的设计。设计过程中从原理分 析，元器件的选取，到方案的确定以与采用单片机作为微机控制核心，实现IGBT 驱动信号的设计逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的位置，而PWM控制技 术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用该技术。 基于三相电压型逆变电路的工作原理，运用PWM技术使输出电压、电流接近正弦 波。本文详尽分析三相逆变电压电路在感性负载情况下的工作原理，通过电路

6、中 电流流通状况，确定逆变电路的输出电压，同时，在这一分析过程中，三相PWM 逆变电源的三相输出桥臂的控制信号由三角载波和调制波相比较给出。最后本课 程设计是完成微机控制下的三相电压源型逆变电路，该逆变电路中以绝缘栅双极 晶管IGBT作为开关器件，采用单片机作为微机控制核心，实现IGBT驱动信号的设计。关键词：关键词IGBT；关键词三相电压源型；关键词SPWM第1章绪论0第2章课程设计的方案02.1概述02.2系统组成总体结构12.2.1单片机的选择12.2.2驱动芯片的选择12.2.3驱动信号的控制选择12.2.4总体方案论证与选择1第3章主要电路的设计33.1 主电路图33.2 主电路原理

7、分析33.3 工作波形分析和绘制33.4 参数计算53.5 PWM控制电路7第4章硬件设计104.1.1 驱动芯片 EXB841104.1.2 控制器 AT89C5112第5章软件设计145.1软件的设计145.1.1软件流程图15第6章课程设计总结16参考文献17第1章绪论逆变电路是与整流电路（Rectifier）相对应，将低电压变为高电压，把直流 电变成交流电的电路称为逆变电路。逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着 非常重要的作用。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直 流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。将直流电能变换为交流电能的 变换电路。可用于构成各种交流电

8、源，在工业中得到广泛应用。生产中最常见的 交流电源是由发电厂供电的公共电网（中用线电压方均根值为380V，频率为50Hz 供电制）。由公共电网向交流负载供电是最普通的供电方式。但随着生产的发展， 相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求，以至难于由公共电网直接供电。 为了满足这些要求，历史上曾经有过电动机一发电机组和离子器件逆变电路。但 由于它们的技术经济指标均不如用电力电子器件（如晶闸管等）组成的逆变电路， 因而已经或正在被后者所取代。电压源型增加一组反并联的整流器，使再生制动经过反馈二极管的电流能反 馈入交流电网，由于不经济而很少采用。采用由制动单元和制动电阻组成的再生 制动电路，将回馈

9、能量通过制动电阻以热能的形式消耗掉。因位能负载比其它负 载的回馈能量大，特别是当由高速状态快速停机时减速度大，回馈能量会更大， 选用制动电阻功率时，制动单元使用手册提供的功率数值只能做为参考值，应根 据位能负载设备负荷惯性、制动频率等特性加大制动电阻功率，以满负荷正常运行 时变频器不出现过电压为准。采用外加电能回馈单元使再生制动电流能反馈入交 流电网。变频调速系统的抗干扰措施。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）,绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功 率半导体器件，兼有MOSFET的高

10、输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快， 但导通压降大，载流密度小IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱 和压降低。非常适合应用于直流电压为600V与以上的变流系统如交流电机、变频 器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。第2章课程设计的方案随着电力电子技术的发展，逆变电路主要应用于各种直流电源，如蓄电池、干电池、太 阳能电池等；还可以应用于交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子 装置的核心部分。逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为 电压型逆变电路；直流

11、侧是电流源的称为电流型逆变电路。逆变电路可用以构成静止式中频 加热电源。它具有主电路简单、起动性能好的优点，但负载适应性较差，故只适用于负载变 化不大但又需要频繁起动的场合。由于电压型逆变电路具有直流侧为电压源或并联大电容， 直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时 需要提供无功功率等特点而具有广泛的应用。在晶闸管逆变电路中，负载换相式电压型逆变 电路利用负载电流相位超前电压的特点来实现换相，不用附加专门的换相电路，因而应用较 多。2.2系统组成总体结构2.2.1单片机的选择采用传统的AT89C51作为电机的控制核心。单片机算术运算功能强，软件编 程灵活

12、、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、 体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。2.2.2驱动芯片的选择EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V快速型IGBT驱动专用模块，整个 电路延迟时间不超过Ip，最高工作频率达40 50kHz，它只需外部提供一个+20V 单电源，部产生一个一5V反偏压，模块采用高速光藕隔离，射极输出。有短路保 护和慢速关断功能。2.2.3驱动信号的控制选择采用正弦脉宽调制：正弦脉宽调制是以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得 多的等腰三角波作为载波(Carrier wave)，并用频率和期望波一样的正

13、弦波作为 调制波(Modulation wave)，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器 开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期呈两边窄中间宽的一系 列等幅不等宽的矩形波。2.2.4总体方案论证与选择电源的工作原理是：操作员通过输入接口电路向微处理器设定所要得到的正 弦电压值，微处理器根据电压标称值，产生对应的SPWM信号，此信号经驱动环 节驱动便会在逆变桥的输出产生功率SPWM波，再经过滤波以后就得到要求的正弦 波。由于滤波器造成的信号损失、市电的波动等因素的影响，输出的正弦电压值 可能会偏离期望值，所以要从逆变器输出端进行电流和电压取样，取样值经整流 滤波后，通过光电耦

14、合回路与A/D转换反馈至单片机，CPU再与设定的电压、电 流值进行比较。如果发生过流现象，则立即采取相应的保护措施、停止脉冲输出； 如果偏离电压期望值，则相应改变SPWM波的宽度以稳定输出，中的变压输出部分 是一个副原线圈匝数比很高的升压变压器，在这个变压器的作用下将电压升至期 望值。出于简化的考虑在图中没有给出能量缓冲吸收环节。显然，计算机的在线计 算给系统的控制带来了很大的灵活性。其中的AT89C51单片机系统是整个系统工 作的核心，用于产生SPWM驱动信号；由四MOSFET管组成的逆变桥是主控电路的 主要部分，因为MOSFET工作频率高、驱动电路简单、工作损耗低，所以较好地 满足了设计要

15、求。第3章主要电路的设计逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从 而使负载上得到的实际电压为正弦波。3.1主电路图图1三相电压型桥式逆变电路3.2主电路原理分析图1是采用IGBT作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路，可以看成由三个 半桥逆变电路组成。图1的直流侧通常只有一个电容就可以了，但为了分析方便， 画作串联的两个电容器并标出假象中点N。和单相半桥、全桥逆变电路一样， 三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180导电方式，即每个桥臂的导 电角度为180，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的 角度依次相差120。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时

16、导通。可能是上面 一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都 是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。3.3工作波形分析和绘制对于。相输出来说，当桥臂1导通时，UUN, = UJ2，当桥臂4导通时， % =-UJ2。因此，u的波形是幅值为UJ2的矩形波V、W两相的情况和U 相相似，u 、u 的波形形状和u 一样，只是相位依次相差120。u 、u 、VNWNUNUNVNu 的波形如图2a、b、c所示。WN图2三相电压型桥式逆变电路的工作波形负载线电压u 、u 、u 可由下式求出UVUNVNuVW = uVN - uWN fQuWU = uWN - uUN

17、 图2是依照上式画出的u波形。设负载中点N与直流电源假象点N之间的电压为u，则负载各相的相电NN，压分别为u=u一 uUNUNNNu=u一 uVNVNNNu=uuWNWNNN把上式各式相加并整理可求得1 /、 1 /u= (u+ u + u ) 一一 (u + uNN13 UN1 VN1WN13 UN(2 )（3）设负载为三相对称负载，则有uN + uN + uN = 0,于是（4）所以u 也是矩形波，如图2e所示，其频率为u 的3倍，幅值为其1/3， NN1UN1即 Ud/6。图2f给出了利用式（2）和式（4）绘出的队睥的波形，队咨、就明的波形形状 和队丽一样，仅相位依次相差120。三相逆变

18、输出的电压与电流分析类似，负载参数已知，以。相为例，负载的 阻抗角甲不一样，,；的波形形状和相位都有所不同，图2g给出的事阻感负载下 甲丸/3时，；的波形。桥臂1中的匕从通态转换到断态时，因负载电感中电流不能突变，小桥4中的vd 4先导通续流，待负载电流降为零，桥臂4中电流 反相时，匕才开始导通。负载阻抗角甲越大，VD4导通时间越长。在疽0时， i 0时为V导通；在u 0时VD导通，i u时，给上桥臂V以导通信号，给下桥臂V以关断信号，则U相相 rU c14对于直流电源假想中点输出电压u= Ud/2。当u u时，给V以导通信号，给V以关断信号，则u=U /2。但V与rU c41UN 1d1V的

19、驱动信号始终是互补的，当给V（V）加以导通信号时，可能V（V）导41414通，也可能是二极管VD（VD）续流导通，这是有阻感负载中电流方向决定，这就 是三相桥式电路的双极型调制特性。由上分析，奶的波形是幅值为U/2的矩 形波，V、M两相情况跟U相类似。电路的波形如图4所示。第4章硬件设计4.1.1驱动芯片EXB841要很好使用IGBT,必须根据它的特点设计合理的、保护措施齐全的驱动电路 进行控制否则很容易造成IGBT的损坏。EXB841就是驱动电路的芯片。图2.4 EXB841功能框图EXB841主要由放大、过流保护、5V基准电压和输出等部分组成。其中放大部 分由TLP550,V2,V4,V5

20、和R1,C1,R2,R9组成，TLP55起信号输人和隔离作用，V2 是中间级，V4和V5组成推挽输出；短路过流保护部分由 V1,V3,V6,VZ1和 C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4等组成，实现过流检测和延时保护功能。EXB841 的6脚通过快速恢复二极管接至IGBT的C极，检测IGBT的集射之间的通态电压 降的高低来判断IGBT的过流情况加以保护;5V电压基准部分由R10,VZ2,C5组成， 为IGBT驱动提供一 5V反偏压。图2.5 EXB841原理图正常开通过程，当控制电路使EXB841输人端14和15脚有lOmA的电流流过 时，光藕TLP550导通，A点电位迅速下降

21、至OV，使VI,V2截止;V2截止使D点电 位上升至20V,V 4导通5截止，EXB841通过V4与栅极电阻R,向IGBT提供电流 使之迅速导通，IGBT的V,。下降至3V,与此同时，EXB841的V1截止使+20V电源 通过B3向电容C2充电，使B点电位上升，它们由零上升到13V的时间为2.54p , 由于IGBT约1 ps后已导通，VCE下降至3V左右，从而使EXB841的6脚电位特制 在8V左右，因此B点和C点电位不会充至13V，而是充至8V,稳压管VZ1的稳压 值为13V,IGBT正常开通时不会被击穿，V3不通，E点电位仍为20V，二极管V6 截止，不影响V4,V5的正常工作。正常关断

22、过程，控制电路使EXB841输人端14,15脚无电流流过，光藕TLP550 不通，A点电位1升使VI,V2导通;V2导通使4截止，V5导通，IGBT栅极电荷通过V5 迅速放电，使EXB841的1脚电位迅速下降至OV，使IGBT可靠关断，Vc;迅速上升，使 EXB841的6脚“悬空”。与此同时V1导通，C2通过vi更快放电，将B点和c点电位箱 制在ov，使vz l仍不通，后续电路不会动作，IGBT正常关断。保护动作过程，设IG BT正常导通，则EXB841中V1和2截止，V4导通， 5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，Vzl不被击穿，V3不通，E点电位保持 在20V,二极管6截止。若此时发生短

23、路，IGBT承受大电流而退饱和，VCE上升 很多，二极管V7截止，EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位由8v上升，当上 升至13V时，vzl被击穿，V3导通,C4通过R7和V3放电，E点电位逐渐下降，二 极管V6导通使D点电位也逐渐下降，从而使EXB841的3脚电位也逐步下降，慢 慢关断IGBTa根 据 图2和对其工作原理分析可知，EXB841的本身所谓的保护仅是通过二极管V7来检测IGBT的极射间的电压降来控制的，故EXB841有三个致命 缺点，一是二极管V7与IGBT的集电极相连，也就是与强电相连，在煤矿550V 直流架线电机车上应用，V7经常被强电高压击穿，EXB841和控制板被烧

24、坏；二是 它仅对短路情况下才能检测，对于一般过载不起作用；三是提供一 5V偏压的VZ2 稳压管易损坏，导致EXB841无常使用。针对以上的缺陷，在实际应用中现作了改 进。4.1.2 控制器 AT89C51ATMEL公司生产的AT89C51单片机采用高性能的静态设计，并采用先进工艺 制造，还带有非易失性Flash程序存储器。它是一种高性能、低功耗的8位CMOS 微处理芯片，市场应用最多。+5VPl.0PI 1PJPL3Pl.4Pl.5Pl 6Pl.7P3.3(INri)P3.2(ITO)(A DO) POU (ADIJPO I (AD2)P0.2 (AD?)PO3 (AD4)P0.4 (AD5J

25、PO.5 (AD6JP06 (AD?)PO,73?itI13.5( II)P3_4(N)3】EA/VPP19IS：(A8)P2.0(A9)P2.I(AIO)P22(AllP2.3(.A12JP2.4(A13)P25 A14)PZ6 fAlSlPl?40XTAL1XTAL2RS1P3 7(RD)P3.6(WR)vccGND (R.XDJP3 ( (TXD)P3.I ALE/PROGPSENATX9C5图2.1 AT89C51最小系统其主要特点如下： 8KB Flash ROM，可以擦除1000次以上，数据保存10年 256字节部RAM； 电源控制模式； 时钟可停止和恢复； 空闲模式； 掉电模式；

26、 6个中断源； 4个中断优先级； 4个8位I/O 口； 全双工增强型TUAR；11 3个16位定时/计数器：T0、T1（标准80C51）和增加的T2 （捕获和比较）12 全静态工作方式：024MHZ第5章软件设计5.1软件的设计用单片机（MCU）产生函数波形一般通过集成的数模转换器DAC来实现，按照波 形变化往DAC发送相应数据即可在DAC输出端产生模拟波形。采用脉宽调制PWM 信号来实现D/A转换也是一种常用的方法，可以用PWM信号产生所需的直流或交 流信号。由于常用51单片机没有PWM输出功能，本文利用51单片机的2个定时 器TO和T1实现交变PWM输出，经过滤波隔直输出50Hz的正弦波。

27、PWM信号是一 种具有固定周期（T）和不定占空比（r）的数字信号。如图1所示。如果PWM信号的 占空比随时间变化，那么通过滤波之后的输出信号将是随幅度变化的模拟信号。 因此通过控制PWM信号的占空比，就可以产生不同的模拟信号。在51单片机中就 是采用TO来控制高电平时间（即可变占空比）、T1控制低电平时间（Tr），进而 实现D/A转换。如要生成50Hz的正弦波，则在正弦波一个周期20ms由单片机输出多个占空 比按正弦函数变化的PWM信号，通过阻容二阶滤波即可输出正弦波形。比如一个 正弦周期输出40个PWM信号，则T为500ns,如51MCU采用12MHz的晶振则是T 一 500个机器周期，通过

28、2个定时器按正弦函数曲线分别对部时钟的计数，在定 时中断中对输出脚置0或置1就可以实现正弦波形的生成。5.1. 1软件流程图图2.13系统软件流程图第六章课程设计总结交流课程设计终于顺利完成了，其中包含着快乐，也有辛酸。我的题目是“电 压源型逆变电路IGBT驱动信号设计”，开始觉得题目比较简单，其实不然，着手 开始准备时发现，电路设计虽然简单，但程序设计比较困难，不过最终还是完成 了。回顾起此次交流课程设计，我感慨颇多，从着手到完成，从理论到实践，在 接近一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西， 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过

29、的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论 知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结 论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题， 可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时 在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻， 掌握得不够牢固。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指 导下，终于解决了。当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时 看着电

30、脑荧屏上的课程设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次课 程设计的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了 大学期间所学到的知识。通过这次交流课设，我不仅加深了对理论的理解，将理论很好地应用到实际当 中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越 自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为自己的东 西。感学校可以给我们这样一个机会，锻炼我们的动手和实践能力，让我们可以 发现自己的不足，认识到自己的能力欠缺，为以后能更好的工作打下良好的基础。 再次感老师的悉心教导和给位同学的帮助。参考文献1. 王兆安进军 电力电子技术：机械工业2. 康华光电子技术基础数字部分：高等教育20053. 凤君现代逆变技术与应用：电子工业20064. 宏 王崇武 现代电力电子技术基础：机械工业5. 国呈PWM逆变技术与应用：中国电力20076. 国呈PWM电力电子变换技术：中国电力7. 华德，交流调速系统设计，电子工业，20038. 纯厚，近代交流调速，：冶金工业，20059. 何淤庆，工业生产过程控制，：化学工业，200410. 翁维勤，过程控制系统与工程.，：化学工业11. 金以慧，过程控制，：清华大学，199312. 婉儿，脉宽调制技术M.:华中理工大学