交流调速课程设计

辽宁工业大学交流调速控制系统课程设计（论文）题目：交流电机三相电压源型逆变电路设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化132班学号：130302042学生姓名：杜鹏指导教师：（签字）起止时间：2016.12.19-2016.12.30本科生课程设计（论文）1`课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化132注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号130302042学生姓名杜鹏专业班级自动化132课程设计（论文）题目交流电机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：本课程设计以微机作为控制核心，完成交流电机三相电压源型逆变电路及绝缘栅双极晶体管IGBT的驱动设计。设计任务及要求：（1）确定交流电机逆变电路驱动系统总体设计方案及系统控制结构框图。（2）完成交流电机逆变主电路设计，包括直流侧电压源输入、分立搭建IGBT器件、三相逆变电路输出及相关辅助电路。（3）完成IGBT驱动电路设计，选择专用的IGBT混合集成驱动电路实现与主电路的接口及相关保护电路的设计。（4）完成单片机最小系统及驱动接口的硬件和软件设计。（5）撰写课程设计论文，包括系统组成总体结构及方案说明、硬件设计、软件设计等内容。技术参数：额定直流输入电压220V，连续工作功率输出10kW，逆变输出电压380VAC±2%，逆变输出波形为正弦波，逆变输出频率50Hz±0.5%，转换效率93%，功率因数，0.99。进度计划（1）布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（2天）（2）系统各组成部件功能分析与设计（3天）（3）系统功能电路设计及软件设计（3天）（4）撰写、打印设计说明书（1天）（5）验收及答辩（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日本科生课程设计（论文）2摘要三相电压型逆变电路的主电路。直流电源采用相控整流电路，由普通晶闸管组成。逆变电路由6个导电臂组成,每个导电臂均由具有自关断能力的全控型器件及反并联二极管组成，所以实际上也是一种全控型逆变电路。电压型逆变电路主要用于两方面：笼式交流电动机变频调速系统。IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，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及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。关键词：三相电压型；IGBT；逆变电路本科生课程设计（论文）3目录第1章绪论................................................4第2章课程设计的方案......................................62.1概述..........................................................62.2系统组成总体结构..............................................6第3章硬件设计............................................83.1主电路的设计..................................................83.2IGBT驱动电路.................................................93.3保护电路.....................................................133.4驱动电路的设计................................错误!未定义书签。第4章控制电路的设计......................错误!未定义书签。4.1采用单片机控制...............................................144.2单片机程序....................................错误!未定义书签。4.3三相电压源逆变电路的连接......................错误!未定义书签。第5章软件设计...........................................165.1系统总流程图..................................错误!未定义书签。5.2单片机初始化流程图...........................................195.3子程序流程图.................................................20第6章课程设计总结.......................................21参考文献..................................................22本科生课程设计（论文）4第1章绪论逆变电路直流侧电源是电压源的称为电压型逆变电路，三相电压型逆变电路的主电路。直流电源采用相控整流电路，由普通晶闸管组成。逆变电路由6个导电臂组成,每个导电臂均由具有自关断能力的全控型器件及反并联二极管组成，所以实际上也是一种全控型逆变电路。电压型逆变电路主要用于两方面,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。逆变电路是与整流电路相对应，把直流电变成交流电的电路。逆变电路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。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，需要通过无源逆变电路；无源逆变电路与其它电力电子变换电路组合形成具有特殊功能的电力电子设备，如无源逆变器与整流器组合为交-直-交变频器(来自交流电源的恒定幅度和频率的电能先经整流变为直流电，然后经无源逆变器输出可调频率的交流电供给负载)。当电网提供的Hz50工频电源不能满足负载的需要，就需要用交-直-交变频电路进行电能交换。如感应加热需要较高频率的电源；交流电动机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源。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。常见的三相电压型逆变电路有三相全桥型、三单相全桥型及三相多电平型等几种。单个的三相全桥和三单相全桥型逆变器具有结构和控制简单的优点，但由于受其容量和谐波性能的限制，很少将它们直接应用到电力系统中。此外，三相全桥型逆变器不能直接用于补偿系统的零序分量。为实现三相全桥和三单相全桥型逆变器的大容量化，常采用的方法有两种：一是每个逆变器桥臂采用多个开关本科生课程设计（论文）5器件串联和并联，该方法存在的主要问题是当器件的串并联个数较多时，每个器件的均压、均流将变得非常困难。此外，该方法无助于逆变器谐波性能的提高。二是采用多重化结构，该方法还可提高装置的谐波性能。但也存在两个问题：一是多重化需采用特殊结构的变压器，这种变压器存在结构复杂、造价高、体积大的缺点，因此多重化的数目受到限制；二是逆变器各个桥臂的开关器件需在关断状态下承受整个直流侧电压，由于现有单个开关器件耐压值的限制，在制造大容量补偿装置时仍需采用多个开关器件串联的方法来解决开关器件的耐压问题。除了采用多重化方法外，提高谐波性能的另一种方法是采用对开关频率要求相对较高的PWM调制方式，只是装置的损耗将随开关频率的增加而增加。克服上述缺点的一种有效方法是采用多电平逆变器。在三相多电平逆变器中，开关器件在关断状态时只需承受一个直流电容器上的电压，较好地解决了在大容量装置中开关器件的耐压问题。它不需要通过变压器的多重化方法，就能输出阶梯波形的电压，即输出电压谐波含量低。此外，多电平逆变器还具有响应速度快、损耗小的优点，但也具有结构复杂、造价高的缺点。当电平数过多时，由于电路中相应的附加二极管、杂散电感和限流电感过多，装置损耗过大，一般不予采用。此外，多电平逆变器还存在直流侧电容器均压问题，为解决这个问题，应对多电平逆变电路进行了改进，但由于过多地采用了钳位电容器，使电路的结构变得更为复杂。本科生课程设计（论文）6第2章课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计交流电动机三相电压源型逆变电路，直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉冲；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开光器件的电压型三相逆变电路。2.2系统组成总体结构电源三相逆变电路交流电机驱动和保护单片机控制核心图2.1系统的结构框图由220V直流电源给三相逆变电路供电，由单片机89C51来编写程序，IGBT驱动电路，模块选用EXB841，来使三相逆变电路运行，采用过电流保护，提高电路的稳定性，三相逆变电路输出电流给交流电机，使直流电转变为交流电，更本科生课程设计（论文）7好的给交流电机供能。电压型三相桥式逆变电路，电路由三个半桥电路组成，开关管可以采用全控型电力电子器件，以IGBT为例，VD1-VD6为续流二极管。电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°。同一相上下桥臂交替导电。各相开始导电的时间一次相差120°。在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为V1-V2-V3-V4-V5-V6，依次相隔60°，任意时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为V1V2V3，V2V3V4，Ｖ3V3V4V5，V4V5V6,V5V6V1，每种组合工作。IGBT集成驱动芯片选用EXB841,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和R1,C1,R2,R9组成，TLP550待改进。起信号输入和隔离作用，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-5V反偏压。单片机核心控制，89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CP