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1、摘 要 变频调速技术已经成为节能和提高产品质量的有效措施。变频调速的重要性日益得到 国家的重视，在国内推广变频调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值和社会价 值。中压变频调速技术是电力电子领域的一个制高点技术，中压大功率变频器是电力电子行 业中尚未解决的一个难题。 本论文概述了中压变频器的国内外技术发展及趋势，对中压变频器各种类型的优缺点进 行了分析。阐述了单元串联多电平移相式PWM电压源型变频器原理，通过对原理的阐述,进一 步透彻的掌握单元串联多电平高压变频器的内部特性 。 研究了单元串联多电平中压变频器的 PWM 技术和 SPWM 技术。基于各种 PWM 控制技术的 对比，本设计选
2、定三角载波移 SPWM 技术作为控制方法。 文中介绍了 IGBT 的工作原理和各种保护方法。 给出了基于 PIC 单片机的五单元串联中压变频器的控制单元的软硬件设计。 关键词：变频器；单元串联中压变频器；PWM 技术；移相载波 SPWM 技术； 单片机 I Abstract Velocity adjustmentt echnique of mid-voltage variable frequency is an advanced technique in power electronics realm.mid-voltage and large-power frequency converte
3、r is an unsolved difficult in power electronics industry. Its using area basically covers with all kinds of main industry and it has a large market potential. But, compared with latent market, our middle-voltage frequency converter (HVF) is in starting phase in which it is an extremely good opportun
4、ity to develop domestic frequency converter manufacturing industry. Velocity adjustment technique of mid-voltage variable frequency has become effective measures to save energy and promote product quality. The expansion of velocity adjustment technique has got very important and realistic meaning an
5、d tremendous economic and society value. The progress and the trend of HVF technique，the market requirements domestic and abroad for HVF are reviewed. The advantage and disadvantage of different HVF types, effects of HVF on electric net and electric motor are analyzed in detail. The paper studied th
6、e PWM technology and SPWM technology for medium voltagec ascadedm ultilevelin verters. Based on the analysis of kinds of PWM technologies，the design choose the Triangle_Carrier phase-shifted SPWM for cascaded multilevel inverters as control technology. The paper introduced the operation principle an
7、d many kinds of protection methods of IGBT. The software and hardware design of control unit of the Five_units Cascaded Medium Voltage Inverter is introduced. Key Words：frequency inverter；Cascaded Medium Voltage Inverter ； PWM Technology； phase-shifting carrier SPWM； Single-Chip Microcomputer 0 目 录
8、摘 要 .I Abstract II 第 1 章 概 述 1 1.1 设计背景 .1 1.2 中压变频器的类型.1 1.3 中压变频器国内外研究概况.2 1.4 变频器主器件电力电子器件的发展现状.3 第 2 章 单元串联多电平变频器工作原理及其特点 .5 2.1 概述 .5 2.2单元串联多电平变频器主电路结构.5 2.3 单元串联多电平变频器工作原理.6 第 3 章 IGBT 介绍及其保护电路.8 3.1 IGBT 介绍 8 3.2 IGBT 的工作原理8 3.2.1 基本工作原理 .8 3.2.2 IGBT 的主要参数 9 3.2.3 IGBT 的安全工作区 10 3.2.4 IGBT
9、对驱动电路的要求 .11 3.3 保护措施 12 3.3.1 IGBT 栅极的保护12 3.3.2 集电极与发射极间的过压保护 13 3.3.3 集电极电流过流保护 15 3.3.4 过热保护 17 第 4 章 PWM 技术和 SPWM 调制方法综述 .17 4.1 PWM 技术基本概念 17 4.1.1 PWM 控制的基本原理.18 4.1.2 PWM 技术基本概念.19 4.2 SPWM 调制方法对比分析 .24 4.2.1 采样法 SPWM24 4.2.2 谐波消去法 SPWM27 4.2.3 载波相移 SPWM（CPSSPWM）.29 4.2.4 小结 .31 第 5 章 控制电路设计
10、 31 5.1 设计任务、要求和参数31 5.2 主电路设计概述31 5.2.1 变频器的构成 31 5.2.2 变频器各部分概述及本设计主电路方案选择 32 5.3 PIC 系列单片机简介 34 5.3.1 PIC 系列单片机的特点.34 5.3.2 PIC 系列单片机的优势.35 5.3.3 本设计选用的 PIC16F877 介绍 36 5.4 控制部分设计37 1 5.4.1 控制电路方案选择 37 5.4.2 控制电路各部分设计 38 5.4.3 IGBT 驱动电路设计46 5.4.4 PIC16F877 系统接线.51 第 6 章 软件设计 52 6.1 程序设计思路52 6.2 程
11、序流程图 53 6.2.1 主程序流程图 53 6.2.2 AD 转换子程序流程图53 6.2.3 I/O 口初始化子程序流程图.53 6.2.4 AD 模块初始化子程序流程图53 6.2.5 外部、电平中断服务子程序流程图 53 6.2.6 定时器中断服务子程序流程图 53 6.3 软件清单 57 第 7 章 实验结果和分析 .62 7.1 实验内容 62 7.2 实验仪器 62 7.3 实验波形 62 7.4 实验结果分析63 第 8 章 设计总结 64 元器件明细表 65 参考文献 69 英文资料原文 70 英文资料翻译 77 致 谢 87 兰州理工大学毕业设计说明书 0 第 1 章 概
12、 述 1.1 设计背景 由于电力电子技术、微电子技术和现代控制理论以惊人的速度向前发展，随之带 动了交流传动技术日新月异的进步。交流传动经过近二十年的发展，目前它正成为电 气传动的主流。变频调速是交流传动中最主要的一种。随着变频调速技术的迅速发展 和其性能的不断提高，近年来在适用于中压（3V10kV）电压等级电动机的中压变频 器也得到了相应的发展，特别是一些新建的工程项目，一改往日在中压电机无特别要 求时，不考虑调速方案的设计思想，从节能、生产工艺要求出发，在设计中大都考虑 了调速的系统，或将原来的低效、简单的调速系统改造成高效、高性能的变频调速系 统。这在近年来已成为一种时尚，在有些领域也作
13、为其系统先进性的一个标志。 1.2 中压变频器的类型 从中压变频器主电路结构上看，它不象低压通用变频器那样，有统一的、很明确 的形式种类，中压变频器大概分为两大类，即所谓的高低高型和直接型。 高低高型中压变频器实质上是低压变频器，它只是在低压通用变频器前加了 一个降压变压器，将中压变成低压通用变频器能适应的低压，在低压通用变频器输出 侧加一个升压变压器，将其输出的低压再升高为中压电机所能适应的中压。由于此类 变频器是以成熟的低压通用变频器为基础的，因此，它是最早的一种中压变频器，它 的唯一优点是易于实现。它的缺点是： 1. 由于变频器输出含有高次谐波和直流分量，升压变压器需特殊设计； 2. 低
14、压通用变频器所具有的对电机的影响，以及对电网的污染，它仍然具备； 3. 由于两个变压器都有较大损耗，使其效率较低； 4. 装置占地面积大。 由于此类变频器的诸多固有缺点，故在近年来已被所谓的直接型中压变频器取代。 直接型中压变频器无需升、降压变压器，而是对中压电源直接进行变频、变压等 变换，其输出直接就是能供给中压电机的中压。这类变频器根据主电路所用的功率器 件可大概分为：以晶闸管或 GTO(Gate Turn Off Thyristor)为功率器件的电流型中压 变频器，以 IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)或 IGBT(Insulated G
15、ate Bipolar Transisor)为功率器件的三电平中压变频器和以 IGBT 为功率器件的单 1 元串联多电平中压变频器。从对电网污染的程度和对电机的影响两方面看，后一种最 优。但是，由于这种变频器其功率单元中的整流采用的是二极管整流电路，能量不能 回馈电网，系统不能四象限运行，所以它最适合于风机和水泵类负载。 1.3 中压变频器国内外研究概况 目前在国际上，能生产低压通用变频器的公司非常之多，而国内也有很多公司、 厂家能生产，但能生产中压变频器的公司在国际上只有少数几家著名的电气公司，如 通用电气公司（GE） 、德国西门子（SIMENS）和罗宾康（ROBICON）等公司。在国内也
16、有众多的科研单位和公司正在研制中压变频器。 GE 公司研制的中压变频器主要是 INNOVATION 系列，其电压等级主要有： 3300V、4160V、6600V 和 7200V。它主要是基于 IGCT 功率器件的三电平变频器，并且 研制出了可四象限运行的三电平双 PWM 高性能变频器，它主要应用于轧钢等控制性能 和精度要求较高的场合。它的 IGCT 元器件是由 ABB 供货的，由于 IGCT 昂贵的价格， 使得该公司为了抢占风机、泵类负载的市场，不得不直接向 ROBICON 购买它的单元串 联多电平中压变频器的主电路，再配以自己的控制系统，而组成价格较低廉的中压变 频器。 SIMENS 公司主要研制以高压 IGBT（HVIGBT）为功率器件的中压变频器，主要是 6SE80 系列。此变频的主要电压等级有：2300V、3300V、4160V 和 6000V。它也有只能 单象限运行的普通中压变频器和能四象限运行的三电平双 PWM 中压变频器。 ROBICON 公司是一个高压电源公司，但它从 1964 年开始研究生产调速传动装置。 而在近年来它在世界上首先
