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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

`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

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

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

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

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

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。

第2章

课程设计的方案

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。

系统组成总体结构

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CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。

89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，采用过电流保护。

第3章硬件设计

主电路的设计

用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。

但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。

采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图3.1所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。

电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点

。

和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是

导电方式，即每个桥臂的导电角度为

，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以此相差

。

这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。

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。

三相逆变输出的电压与电流分析类似，负载参数已知，以U相为例，负载的阻抗角

不一样，

的波形形状和相位都有所不同，在阻感负载下，

从通态转换到断态时，因负载电感中电流不能突变，

先导通续流，待负载电流降为零，

才开始导通。

负载阻抗角

越大，

导通时间越长。

在

时，

时为

导通，

时为

导通；在

时，

时

导通，

时为

导通。

、

的波形与

形状相同，相位一次相差

。

将三个桥臂电流相加可得到直流侧电流

。

在上述导电方式逆变器中，我们采用“先断后通”的方法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电压短路，使得在通断信号之间留有一个短暂的死区时间。

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3.1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、全桥逆变电路相同，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。

图3.1三相电压型逆变电路

IGBT驱动电路

IGBT的特点

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。

它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。

其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

  IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。

IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。

在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化率会引起过电压，为此需要采用软关断技术，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。

IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。

由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般只能达到20～30V，因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。

在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极－集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。

为此。

通常采用绞线来传送驱动信号，以减小寄生电感。

在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

由于IGBT的栅极－发射极和栅极－集电极间存在着分布电容Cge和Cgc，以及发射极驱动电路中存在有分布电感Le，这些分布参数的影响，使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同，并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。

栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT开通关断过程有着较大的影响。

IGBT的MOS沟道受栅极电压的直接控制，而MOSFET部分的漏极电流控制着双极部分的栅极电流，使得IGBT的开通特性主要决定于它的MOSFET部分，所以IGBT的开通受栅极驱动波形的影响较大。

IGBT的关断特性主要取决于内部少子的复合速率，少子的复合受MOSFET的关断影响，所以栅极驱动对IGBT的关断也有影响。

 在高频应用时，驱动电压的上升、下降速率应快一些，以提高IGBT开关速率降低损耗。

在正常状态下IGBT开通越快，损耗越小。

但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，则开通越快，IGBT承受的峰值电流越大，越容易导致IGBT损害。

此时应降低栅极驱动电压的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，抑制该电流的峰值。

其代价是较大的开通损耗。

利用此技术，开通过程的电流峰值可以控制在任意值。

 由以上分析可知，栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程影响较大，而对关断过程影响小一些，串联电阻小有利于加快关断速率，减小关断损耗，但过小会造成di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰。

因此对串联电阻要根据具体设计要求进行全面综合的考虑。

 栅极电阻对驱动脉冲的波形也有影响。

电阻值过小时会造成脉冲振荡，过大时脉冲波形的前后沿会发生延迟和变缓。

IGBT的栅极输入电容Cge随着其额定电流容量的增加而增大。

为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率，对于电流容量大的IGBT器件，应提供较大的前后沿充电电流。

为此，栅极串联电阻的电阻值应随着IGBT电流容量的增加而减小。

IGBT混合集成驱动芯片

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1μs，最高工作频率达40一50kHz，它只需外部提供一个+20V单电源，内部产生一个一5V反偏压，模块采用高速光耦合隔离，射极输出。

有短路保护和慢速关断功能。

  EXB841驱动器的各引脚功能如下：

 脚1：

连接用于反向偏置电源的滤波电容器；

脚2：

电源（＋ 20V）；

脚3：

驱动输出；

脚4：

用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；

脚5：

过流保护输出；

脚6：

集电极电压监视；

脚7、8不接；

脚9：

电源；

脚10、11不接；

脚14、15：

驱动信号输入（-，＋）；

由于本系列驱动器采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离，因此能用于交流380V的动力设备上。

 IGBT通常只能承受10μs的短路电流，所以必须有快速保护电路。

EXB841驱动器内设有电流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流，当集电极电压高时，虽然加入信号也认为存在过电流，但是如果发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断 IGBT（< 10μs的过流不响应），从而保证IGBT不被损坏。

如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏IGBT 。

 IGBT在开关过程中需要一个+15V电压以获得低开启电压，还需要一个-5V关栅电压以防止关断时的误动作。

这两种电压（＋15V和-5V）均可由20V供电的驱动器内部电路产生。

图3.2EXB841功能框图

EXB841的工作原理：

（1）正常开通过程

  当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，光耦合器TS01就会导通，A点电位迅速下降至0V，使VT1和VT2截止；VT2截止使D点电位上升至20V，VT4导通，VT5截止，EXB841通过VT4及栅极电阻Rc向IGBT提供电流使其迅速导通，Uc下降至3V。

同时，VT1截止使+20V电源通过R3向电容C2充电，时间常数τ1为2.42μs，这又使B点电位上升，IGBT延迟约1μs后导通，UCE下降至3V，从而将EXB841脚6的电位钳制在8V左右，因此B点和C点电位不会上升到13V，而是上升到8V左右，这个过程时间为1.24μs;因稳压管VZ1的稳压值为13V，所以IGBT正常开通时不会被击穿，VT3不通，E点电位仍为20V左右，二极管VD6截止，不影响VT4和VT5的正常工作。

（2）正常关断过程

 当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过时，光耦合器TS01不通，A点电位上升使VT1和VT2导通；VT2导通使VT4截止，VT5导通，IGBT栅极电荷通过VT5迅速放电，使EXB841的脚3的电位迅速下降至0V（相对于EXB841脚1低5V），使IGBT可靠关断，UCE迅速上升，使EXB841的脚6“悬空”。

与此同时，VT1导通，C2通过VT1更快放电，将B点和C点电位钳制在0V，使VZ1仍不通，IGBT正常关断。

（3）保护动作

若IGBT已正常导通，则VT1和VT2截止，VT4导通，VT5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，VZ1不被击穿，VT3不导通，E点电位保持为20V，二极管VD6截止。

若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，UCE上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的脚6“悬空”，B点和C点电位开始由8V上升；当上升至13V时，VZ1被击穿，VT3导通，CT4通过R7和VT3放电，E点电位逐步下降，二极管VD6导通时D点电位也逐步下降，从而使EXB841的脚3的电位也逐步下降，从而缓慢关断IGBT。

B点和C点电位由8V上升到13V的时间为8.3μs。

 此时慢关断过程结束，IGBT栅极上所受偏压为0V（设VT3管压降为0.3V，VT6和VT5的压降为0.7V），这种状态一直持续到控制信号使光电耦合器TS01截止，此时VT1和VT2导通，VT2导通使D点下降到0V，从而使VT4完全截止，VT5完全导通，IGBT栅极所受偏压由慢关断时的0V迅速下降到-5V，IGBT完全关断。

VT1导通使C2迅速放电、VT3截止，20V电源通过R8对C4充电， 则E点恢复到正常状态需135μs，至此EXB841完全恢复到正常状态，可以进行正常的驱动。

EXB841在设计上充分考虑到IGBT的特点，电路简单实用。

它具有如下特点。

   ①模块仅需单+20V电源供电，它通过内部5V稳压管为IGBT提供+15V和-5V的电平，既满足了JGBT的驱动条件，又简化了电路，为整个系统设计提供了很大方便。

 ②输入采用高速光耦隔离电路，既满足了隔离和快速的要求，又在很大程度上使电路结构简化。

③通过精心设计，将过流时降低UCE与慢关断技术综合考虑，一旦电路检测到短路后，要延迟约1.5μs（VZ1导通时，R4会有压降）UCE才开始降低，再过约8μs后UGE才降低到0V（相对EXB841的脚1）。

在这10μs左右的时间内，如果短路现象消失，UCE会逐步恢复到正常值，但恢复时间决定于时间常数t13。

图3.3EXB841原理图

保护电路

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。

过电流分为过载和短路两种情况。

通常采用的保护措施有：

快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。

一般电力电子装置均同时采用集中过流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。

综合本次设计电路的特点，采用快速熔断器，即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护。

如图3.4电流保护电路所示。

对于所选的保险丝，遵从

值小于晶闸管的允许

值。

图3.4三相电压源逆变电路的过流保护电路

单片机控制

本论文的单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。

在芯片中，P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。

P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。

引脚说明：

①电源引脚

Vcc（40脚）：

典型值＋5V。

Vss（20脚）：

接低电平。

②外部晶振

X1、X2分别与晶体两端相连接。

当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，X1接地。

③输入输出口引脚：

P0口：

I/O双向口。

作输入口时，应先软件置“1”。

P1口：

I/O双向口。

作输入口时，应先软件置“1”。

P2口：

I/O双向口。

作输入口时，应先软件置“1”。

P3口：

I/O双向口。

作输入口时，应先软件置“1”。

④控制引脚：

RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。

RST/Vpd（9脚）：

复位信号输入端（高电平有效）。

ALE/-PROG（30脚）：

地址锁存信号输出端。

第二功能：

编程脉冲输入。

-PSEN（29脚）：

外部程序存储器读选通信号。

-EA/Vpp（31脚）：

外部程序存储器使能端。

第二功能：

编程电压输入端（+21V）。

图3.5单片机与驱动芯片的连接

图3.5单片机系统电路

第4章软件设计

单片机程序

#include

staticunsignedintcount;//

staticintstep_index;//

staticbitturn;//

staticbitstop_flag;//

staticintspeedlevel;//

staticintspcount;//

voiddelay（unsignedintendcount）;//

voidgorun（）;//

voidmain（void）

{

count=0;

step_index=0;

spcount=0;

stop_flag=0;

P1_0=0;

P1_1=0;

P1_2=0;

P1_3=0;

EA=1;//

ET0=1;//

TH0=