最新应用IGBT的三相变频调速系统毕业论文.docx
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最新应用IGBT的三相变频调速系统毕业论文
2.1.1选择题
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【答案】菜单,命令,程序
二、选择(每题2分,总计30分)
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3.1.2填空题
8.查询设计器中包括的选项卡有________。
毕业设计(论文)
题目:
应用IGBT的三相变频调速系统
摘要
本文利用带有IGBT这个电子器件的电路来实现逆变,以及研究三相变频调速。
IGBT是一种新型的电力电子器件,它是大功率三极管,可流过几百至几千安培的电流。
它和晶闸管有所不同。
晶闸管触发可控,自然过零的时候关断,这样对它的控制增加了很多困难。
而控制IGBT的关断简单得多,犹如控制其导通一样。
所以如果使用IGBT来逆变,其效果是十分理想的。
异步马达的转速n=60f/p。
其中p为极对数,f为交流电频率。
如果马达是一对极,用市电供电,f=50Hz,那么通过计算可知n=3000转/分;若供电频率为100Hz,那么马达可以获得加倍的转速。
所以从理论上来说,只要我们改变供电频率就可以获得我们所需要的任何转速。
一般来说马达的转矩和转速有关,特别是在低速时,它的转矩就会小,这样的话就给启动带来了比较大的麻烦。
所以首先研究,在技术上采取措施实现恒转矩控制,然后设计好IGBT三相变频调速硬件,再配以计算机控制系统,以达到研究的目的。
关键词:
IGBT;变频调速;脉宽调制。
ABSTRACT
Inthispaper,theelectroniccircuitwithIGBTconverterdevicetoachieve,aswellasthree-phaseconverter.IGBTisanewtypeofpowerelectronicdevices,itispowertransistorcanflowthroughseveralhundredtoseveralthousandamps.Ittheoristdifferent.theoristtriggercontrol,naturalzero-crossingtimeoff,soit'salotmoredifficulttocontrol.ThecontrolIGBTturn-offismuchsimpler,asiftocontrolitsconduction.SoifyouusetheIGBTconverter,theeffectisverygood.
Asynchronousmotorspeedn=60f/p.Wherepisthelogarithm,fisthefrequencyofthealternatingcurrent.Ifthemotorisapairofpolewithelectricitysupply,f=50Hz,thenbycalculationshowsthatn=3000rev/min;ifthepowersupplyfrequencyis100Hz,soyoucangetdoublethespeedofthemotor.Sotheoretically,ifwecangetthepowersupplyfrequencychangeanyspeedweneed.
Generallythemotortorqueandspeedrelated,especiallyatlowspeeds,itwillbemuchsmallertorque,soitgavethestarttobringarelativelybigtrouble.Sofirststudy,totakemeasurestotechnicallyachieveconstanttorquecontrol,andthendesignedathree-phaseIGBTconverterhardware,togetherwithcomputercontrolsystemtoachievethepurposeofthestudy.
Keywords:
IGBTfrequencyconversionPWM
第1章综述
1.1IGBT概述
在工业如此发达的今天,电动机的应用多,范围广。
是企业工厂不可缺少的重要工具。
电动机的控制也是非常重要的。
以前的电动机大多是用直流调速。
其特点是性能好易于实现,但是维护困难,打火不方便,而且环境也受到限制。
所以大家一直在想办法用交流调速来取代之。
在30年代有人指出理论,到了60年代电子技术的发展也促使交流变频技术的发展,到了80年代,交流变频以产品化。
其发挥了调速的优点,而且也特别好的解决了交流电机的一些缺点,例如调速性能不够好。
所以交流电机调速有取代直流电机调速的趋势。
交流变频调速是控制技术,微电子技术和电力电子技术高度发展的产物。
其主要的原理:
通过控制技术,电力电子器件,微电子器件,将工频交流电源经过二极管整流变成直流。
然后由IGCT,IGBT,GTR等逆变成为可调频率的交流电源。
再接负载。
交流电机变频调速在使用方便,工作效率,节电降耗,功率因数,输出性能低频转矩,调速精度,动态响应,频率范围等方面是比以往交流调速方式先进许多的。
它操作简单,可靠性高,设计思想丰富,保护功能完善,工艺先进,通用性强,重量轻,体积小等优点受到自来水,化工,石油,矿山,冶金,电力等行业的青睐。
实践证明,变频调速是节能降低和企业技术改造的最好设备。
很明显,这种方式将成为工矿业系统的核心,是许多专家都关注的问题。
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),也就是绝缘栅极双极晶体管是一种双极晶体管与VDMOS的组合器件。
其将GTR和MOSFET的优点集合在一起,具有驱动电路简单,开关速度快,热稳定性好输入阻抗高的优点,还有承受电流大,耐压高,通态电压低的优点。
因此它越来越受到欢迎。
目前已有单双管,六管等模块。
在开关电源,电机控制,中频以及低损耗,要求快速场合得到了广泛的应用,已经占领了GTR和P-MOSFET特别大的市场。
1.2结构特点
图6.42a是IGBT的结构图,其在VDMOS上加了一个p+层漏极。
形成了pn结j1,并由其引出漏极(D),源极(S),和栅极(D)完全与n沟道P-MOSFET相同。
图1.2aIGBT的结构示意图
由该结构图可看出,IGBT相当于用n沟道MOSFET驱动的厚基区pnp型GTR。
其简化以后的等效电路图如6.42b,它是以MOSFEET为驱动元件,GTR为主导元件的复合管。
其中Rdr是GTR厚基区内的扩展电阻。
有时候也将IGBT的漏极叫集电极,源极叫发射极,为了兼顾习惯。
图6.42c是IGBT的电路符号。
栅极控制IGBT的开通和关断,当栅极加正电压,栅极下的p体区就形成n沟道。
这个沟道连通了漂移区n-和源区n+,为pnp晶体管提供基流。
使IGBT导通。
此时从p+区注入到n-区的空穴对n-进行电导调制,降低n-的电阻Rdr,使高耐压的IGBT也有与GTR相同的低通态压降。
所以IGBT可看作为电导调制型场效应管。
引起电导调制效应所需要的最低栅极电压UGE一般是3-6V。
当栅极上施以负压或电压为零时,MOSFET沟道消失。
Pnp的晶体管基极电流关断,IGBT关断。
IGBT四层结构,使体内含有一个寄生晶体管。
也可以叫做绝缘栅极晶体管。
它的等效电路图如6.42d所示。
Pnp晶体管的发射极与基极之间的电阻Rbr为体区扩展电阻。
P型体区横向空穴电流在其上面产生的压降对j3结来说是一个正偏电压。
在规定漏极电流范围内此正偏电压不大,npn晶体管不起什么作用。
当ID大到一定程度,此正偏电压能让npn晶体管导通,和pnp形成正反馈。
所以寄生晶闸管导通,栅极失去控制作用。
此时IGBT没有资管断能力,与此同时,漏极电流增大。
导致过高的功耗,器件损坏。
像这种漏极电流的连续值超过临界时产生的掣住效应称为静态掣住效应。
除此之外,在IGBT关断的过程中,如果duds/dt过大,在j2结中引起的位移电流也有可能形成关断掣住,这个称为动态掣住效应。
结构上,n-与p+衬底引入一个n+缓冲区是为了控制掣住效应。
由于IGBT存在少子的存储效应,使其存在着电流拖尾现象,关断损耗远比MOSFET的大,此限制了其开关频率的提高。
1.3有关特性
IGBT与GTR有相近的输出特性。
也有饱和区,截止区,放大区和击穿区,其转移特性与VDMOS相近,在导通之后的大部分漏极电流范围内,UGE与IC成线性关系。
IGBT的优点之一是无二次击穿,其正向安全工作区由电压,电流,功耗三条边界极限包围而成。
最大漏极电流IDM由避免动态掣住确定,最大漏极电压UDSM由IGBT中pnp晶体管击穿电压决定。
最大功耗则受限于最高结温(发热严重,导通时间长,安全工作区变窄);反向工作区随着关断时重加duCF/dt而变化,比值越大,EBSOA越窄。
IGBT能承受过流的时间仅仅为几微秒,这与GTR、SCR相比也小得多,所以对过流保护要求很高。
IGBT的伏安特性:
如果UGE不变导通电压UCE将随着漏极电流增大而增高。
因此可以用检测漏极电压UDS来作是否过流的判别依据。
如果UGE增加,则通态电压下降,导通损耗将会减少。
新一代的IGBT(是单晶型,没有扩散的n+层,也称作IGHT),由于其采取精心设计和特殊工艺,已经能做到不需使用RCD缓冲电路,其具有反向SOA。
不必要负压关断,并联时能自动均流,短路电流可以自动抑制,且损耗不会随着温度的正比增加。
1.4驱动电路
由于IGBT是以MOSFET为输入级,所以MOSFET的驱动电路同样也适用于
对具有短路保护功能的驱动电路具有以下几点要求:
1.在正常通导时,UGE>(1.5-2.5)UGE(th),以降低运行结温和饱和压降;关断时加-5V—-10V的负偏压,以防止关断的瞬间du/dt过大引起掣住现象,造成误导通,并且提高抗干扰能力。
2.出现短路或者瞬时大幅值电流时立即将UGE降到10V,使允许短路的时间有5微秒增加到15微秒。
瞬时过电流结束时随后立即自动使UGE由10V恢复到15V。
如果故障电流为持续过电流,应该在降栅压后6-12微秒,使UGE由10V经2-5微秒的时间,关断下降到低于UGE(th)。
HL402厚膜驱动器将软关断和降栅压逻辑模式两种短路保护功能有效的结合了起来,构成了完善的短路保护。
驱动器在正常情况下和保护动作时输入输出波形如图6.46a,b所示,其中b中t1,t2,t3分别是延迟降栅压时间,降栅压时间,软关断时间。
HL402的ton,toff都小于1微秒,开关频率最高可达到40KHz,输入信号幅值为(10-12mA),最大输出电流的峰值为2A,其适用于200A/600V或者150A/1200V以内IGBT的直接驱动,如果需要驱动(200-600)A/1200V的IGBT可以用具有功放电路的HL403厚膜驱动器,其输出电流可达到4A,2μs.
EXB84系列专用的集成驱动电路,它最高的运行频率为40KHz,840,841分别可以驱动150A/600V、400A/600V或者75A/1200V、300A/1200V的IGBT。
输入信号ui由内部光耦PC隔离,经过Amp放大互补输出,最大的延迟时间小于μs..驱动电路外加+20的单电源供电,由稳压管和内部电阻分成+15V和-5V,分别作为正,负栅极电源。
根据IGBT的管压降随漏极电流的增加而增加的特性,EXB84系列的过流保护使用漏极电压识别法:
在正常情况下导通时,UGE为高电位(开通信号),而导通压降UCE很低,在关断时,UGE为低电位,UCE为主回路高电压。
如果UGE为高电位,说明主电路处于过流状态,在过流时,切断IGBT漏极电流不能和正常开关时的截止速度一样快,因为过流幅度大,过快切断会造成dic/dt过大,主电路杂散电感引起的瞬间尖峰的电压会超过RBSOA。
EXB841内部电路能让IGBT在允许的短路时间内来进行慢速切换。
1.5前景展望
因为电流和电压的容量还很有限,所以正式商用的IGBT器件还远远不能满足电力电子应用技术发展的需求。
在高压领域的很多应用中,器件的电压等级要求要达到10KV以上,所以目前只能采用IGBT高压串联技术来实现高压方面的应用。
一些国外的厂家例如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KVIGBT器件,。
德国EUPEC生产的6500V/600A的高压大功率IGBT已经h获得了实际的应用,此外日本的东芝也正在涉及这个领域。
与此同时,各个半导体生产厂家不断地开发IGBT的大电流,高耐压,压降和低饱,高可靠性,低成本技术。
主要是采用1um以下的制作工艺,而且已经取得了一定的进展。
随着高压变频技术的日益成熟和提高经济效益,节能环保的市场需求越来越深入,高压变频技术正在向着功率更大,电压更高,性能更优越的方向快速发展。
大功率超大功率的高压变频器市场前景日益被看好。
因此如何解决大功率高压变频器的设计生产,制造应用中的技术难题成为了打开国内大功率高压变频器市场的重中之重。
中国的变频器市场目前正处于一个高速的增长时期。
其在冶金机械,电梯和空调等行业之中得到了广泛的应用。
据统计在过去的几年内中国的变频器市场保持着12%-15%的增长率,这个速度已经远远超过了近几年GDP的增长水平,并且至少在5年内保持着10%以上的增长率。
再考虑到约4-6%的价格下降,中国市场变频器的安装容量的实际增长在20%左右。
按照这样的发展速度和中国的市场的需求来计算,至少要在10年后市场才能逐渐饱和并成熟。
所以中国变频器市场是具有广阔的的发展空间的。
并且变频器的节能,降耗,是非常重要的。
在两会期间业内代表委员提出:
中国目前出现的能源问题更多的是“瓶颈”,而不是“危机”。
能源的紧张不是绝对的,而是相对的。
中国的能源是人均短缺,分布和结构也是特别的不合理。
由于生产能力和技术水平有限,环境污染和能源浪费等一些问题日益凸显。
所以能源的合理使用和开发需要一个统筹的过程。
变频器在节能损耗方面能大显身手,而且其不仅仅是节能,它涉及到了能源开采,加工和使用的各个环节。
1.6技术要求
直流马达调速是比较容易实现的,只要改变加在马达两端的电压,转速就会改变。
交流马达调速就不太容易实现,因为是它与端电压没有太大的关系,但是它却和电源频率有着很大的关系。
因此我们可以采用改变电源频率的方法对其进行调速,这就是变频调速的源头。
IGBT是一种可以实现通断的大功率电力电子器件。
根据它这一特点,可以很方便地将直流调制成等幅宽频可调的矩形脉冲串。
还可逆变很多种不同频率的正弦波。
IGBT易于触发而且易于关断,将直流的电压调制成等幅宽度且可调的正弦脉冲串,把它施在交流电机A、B、C三相受电端,则该电机将流过正弦电流,从而来达到逆变的目的,这种方法称为PWM技术。
这是一种频率很高的逆变,我们可以很容易地改变PWM的频率,那么正弦电流的频率也会随之改变,这就是变频器的基本原理。
1.7变频特性
由于直流马达调速容易实现,而交流马达调速不容易实现。
所以采用改变频率的方法对马达来调速。
交流分异步和同步电机两类,同步电机转速与电源的频率成正比,异步电机转速与电源频率也基本上成正比(负载变化和电源电压等对转速有很大的影响)。
因此,通过改变频率来改变交流电机的速度是最佳的方法。
变频调速和其它调速相比具有的优点有:
1.变频调速不需要来改变机器设备,应用起来是非常简便的。
2.变频调速不仅效率高,而且节约能源。
3.变频调速具有很全面的保护能力,可以更放心的使用。
4.变频调速的范围相对来说很宽。
5.变频调速是连续的平滑的调速,非常精确。
第2章原理
脉宽调制(PWM的全称是PulseWidthModulation(脉冲宽度调制))是通过一些微型的处理器按目的来输出数字信号从而来控制模拟电路的一种很有效的方法。
它的应用非常广。
PWM技术是根据出自一个在采样控制理论中的结论,就是直接在电机两端加上宽度可调的脉冲,无须滤波,在电机上流过的电流即为标准正弦。
2.1正弦脉宽调制原理
如果正弦波每半周划分为N等份,每一等份的正弦电压与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲所代替,且使用矩形脉冲中点与相应弦等份的中点重合,则各脉冲的宽度将是按正弦规律变化的。
按照采样控制理论中冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上,它的效果基本相同的结论,
宽度不同的矩形脉冲是三角波和正弦波相交得到的。
宽度变化的规律特点就像正弦。
逆变器各功率开关器件的控制信号就使用这组脉冲,就可以在逆变器的输出端获得一组类似的矩形脉冲,它的幅值为逆变器的直流侧电压,而脉冲宽度是它在周期中所处相位角的正弦函数。
这个矩形脉冲可以用正弦波来等效代替。
有这些结论:
1.逆变器的输出频率和正弦调制波频率是相同的,如果逆变器输出端需要变频时,只需要改变调制波的频率即可。
2.三角波与正弦调制波的交点就确定了逆变器的输出脉冲的相位和宽度。
一般是采用恒幅的三角波,用改变调制波幅值的方法,从而来得到逆变器输出波形的不同宽度。
最终得到不同逆变器的输出电压。
正弦脉宽调制(SPWM):
每一正弦周期内的多个脉冲作自然或规则的宽度调制,使其依次调制出相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列,形成等幅不等宽的正弦化电流输出。
调制度:
调制波幅值/载波幅值,可以称之为调制比或者调制系数。
2.2单极性调制与双极性调制
上述正弦脉宽调制是正弦波与单极性三角波脉宽调制,除此之外,还有正弦波和双极性三角波的调制方法。
这个时候三角波和脉宽调制波都有正负极的变化,但是在正半周内,正弦脉冲比负脉冲宽,负半周则是恰恰相反的。
在对单相桥式逆变电路采用单极性的方法来进行调制时,在正弦波的半个周期内上下只有功率开关器件关断或者导通。
但是在双极性调制时,逆变器的半个周期内两个对角以及同一臂上下两个功率开关器件交替来通断。
他们的工作是互补的。
三相桥式逆变器双极性调制的情况:
PWM逆变器一般都用的是电压型。
在三相SPWM逆变电路中,一般是公用一个三角载波信号,用三个相位差为120度的正弦波作为调制信号,以用来三相对称输出。
基波电压的频率和大小也是通过改变正弦调制信号的频率和幅度来改变的。
2.3PWM的优点
根据以上的分析可以看出:
不管是为了方便调频调压,还是为了减少谐波,PWM逆变器都具有着特别明显的优点:
1.PWM逆变器可以调频调压同时进行,也可以分开进行,这些都是由逆变器统一完成的,只有一个可控功率级,从而简化了控制电路和主电路的结构这样使得装置的体积比较小,成本造价就低,,重量轻,方便。
2.直流电压可以有二极管整流来获得,交流电网的输入功率和逆变器的输出电压的大小和频率没有关系,接近1,所以如果有很多台装置,就可以由一台不可控整流器作直流公共母线来进行供电。
3.输出的频率和电压都在逆变器内控制和调节,它的响应速度取决于电子控制回路,这些和直流回路的滤波参数是没有关系的。
所以调节速度是很快的,并且可以使调节过程中电压和频率两者配合,从而来获得较好的动态性能。
4.它的输出电压和输出电流的波形接近正弦,这样就减少了谐波分量。
2.4同步调制和异步调制
在SPWN逆变器中,定义载波频率与调制频率之比为载波比。
根据调制波与载波的频率是否固定可以将SPWM的控制方式分为同步调制和异步调制。
同步调制时载波比是常数变频时三角载波的频率与正弦调制波的是同步变化的。
而异步调制时载波比不为常数调制信号与载波信号没有同步变化。
在SPWM的同步调制方式中,载波比是一个常数,这也就是说明矩形脉冲固定,频率在不断地改变时。
当在同步调制,且频率慢慢减小的时候,邻间脉冲之间的间隔变大,那么这个时候谐波会越来越多。
这样就会导致电机产生噪音等一些非常负面且比较严重的后果。
异步调制则不同,即使频率改变,矩形脉冲会增多,载波比增大。
噪声和转矩脉动等一些不良影响会减少。
由于载波比是变化的,势必使逆变器输出电压波形中正负半周脉冲数及其相位都发生变化,很难保持三相输出间的堆成关系,因此引起电机工作不平稳。
为了克服上述两种控制方式的不足之处,将同步和异步两种调制方式结合起来,采用分段同步的调制方式,在一定频率范围内,采用同步调制保持输出波形对称的优点。
当频率降低较多时,使载波比分段有级的增加,采纳异步调制的长处。
对三相SPWM逆变电路采用同步调制时,为了使三相输出波形严格对称,载波比应取3的倍数,同时为了使相的波形正负半周对称,载波比取奇数。
2.5调制信号的波形
用低频调制信号和高频载波信号相比较,产生逆变器功率开关器件控制信号,从而获得PWM输出波形。
在这种调制型的PWM控制方式中,是以SPWM基本原理为出发点,给定信号应采用正弦波。
但是模拟电路很难产生准确的给定正弦波,且电路复杂。
因此可以根据具体情况采用其他波形作调制波。
在理想情况下,调制度可在0-1之间变化,以调节输出电压的幅值。
但实际上,M总是小于1的,因为考虑功率开关器件的导通时间和关断时间,为了保证脉冲宽度大于导通和关断时间,要求正弦调制信号幅值不能达到和超过三角波峰值,否则低次谐波就开始增加。
当A很大时逆变器的输出会逐渐趋近于180度的矩形波。
对于正弦波调制的三相PWM逆变电路,即使M为最大值1时,可以计算出输出线电压基波最大幅值。
提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力,这也是衡量逆变器的性能指标之一。
2.6PWM波形的软件生成
PWM波形可以由模拟和数字电路用调制的方法产生,而微机控制技术的发展,使得用软件生成SPWM波形变得比较容易。
目前SPWM波形的生成和控制多用微机实现。
。
自然采样法是一个可行的方法之一,但是比较棘手。
因为它得出的是一个超越方程,难以求解。
另外,由于SPWM脉冲波形相对于三角波不对称,又是三角函数和多次乘法,加法的运算。
这些均使计算工作量非常大。
所以,常常采用工程使用的方法——规则采样法。
规则采样法不仅力求采样效果尽量接近自然采样法,又不必要花费很多的时间。
采用三角形波作载波的目的就是使SPWM波形的每一个脉冲都与三角载波对称,即每个脉冲的中点和三角波中点重合。
使两侧间隙时间相等。
当然,规则采样还有多种取法,而且也可用锯齿波等作载波,目的都是在输出波形谐波与实现难易之间得出一个平衡。
2.7制定谐波消除法
这种方法不同载波与调制波相比较,它是事先进行谐波分析,计算出能够消除某些谐波的一组调制脉冲相位角,据此确定逆变器功率开关器件的通断时刻,求得各分段矩形脉冲的宽度。
一般来说,如果在输出信号的半周期内开关器件开通和关断各k次,则一共有k个自由度可以控制,除用一个自由度来控制基波幅值外,可以消除k-1种谐波。
第3章硬件设计
3.1系统工作原理
交流变频调速系统原理图如图4.1所示,从结构上主要分为控制部分和执行部分。
单片机、时钟电路、通讯接口、键盘与显示电路、光电耦合、IPM逆变器、整流模块、转速检测和故障检测、报警电路等组成。
执行部分为三相异步交流电动机。
图3.1基于8051的变频调速系统原理方框图
系统工作过程:
检测转速的传感器可以将
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