毕业设计三相pwm逆变器的研究和设计

本科生毕业论文（设计） 题 目: 三相pwm逆变器 的研究与设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 三相逆变器在工业生产中运用的非常广泛，但电力电子开关器件在大电压下导通，大 电流下关断，处于强迫开关过程，因而存在开关损耗大，工作频率低，体积大及电磁干扰 严重等缺点。而基于PWM的三相逆变器可以很容易的解决这些问题。 本系统由主回路和控制回路构成，主回路为三相电流型桥式逆变器，控制回路以 87C196MC单片机为波形发生器，结合IGBT驱动电路、IGBT保护电路、人机接口单元、 电源电路等，组成一个三相PWM逆变器系统。 在此系统中，波形发生器获得PWM波形，再由IGBT驱动电路将输入信号转变为6 路输出脉冲驱动IGBT控制同一个周期中电子开关的闭合时间，以达到控制的目的。IGBT 保护电路保护主电路中的IGBT功率器件免受出现故障时的损失。人机接口单元使与系统 进行通讯更简便、更快捷。 关键词单片机；PWM； IGBT Abstract Temperature control is used widely in industry production, with large lag and big disturb Tradition control method for example PID control method can't meet the request. But the use of the Fuzzy control in temperature control can meet the need easily ・ Using the AT89C2051 single chip computer as the Fuzzy controller, with temperature measure and adjust-convection instrument, A/D transformer, LED display er, solid switch and so on, form a temperature control which based on Fuzzy control arithmetic. In such system, temperature measure and adjust-convection instrument measures the temperature and changed into normative 1 〜5 voltage signals, the A/D transformer transform the analog signals into digital signals, and introduce into the single chip computer. And the single chip computer educes the control value which based on the difference between the initialization and the measure value. Solid switch with high frequence used as a executor and use a analog PWM converter, to change the close time in a decided periods, which aimed at control the temperature. Keywords Single chip microcomputer； PWM； IGBT 摘 要 I Abstract Ill 第1章绪论 1 1.1课题背景 1 1.2电流型逆变器的发展与应用现状 2 1.3本文的工作 3 第2章PWM控制方法及其应用 4 2.1 PWM控制的发展 4 2.2 PWM控制的基本原理 4 2.3 PWM控制方法 6 2.3.1相电压控制PWM 6 2.3.2线电压控制PWM 8 2.3.3电流控制PWM 8 2.3.4空间电压矢量控制PWM 8 2.3.5矢量控制PWM 9 2.3.6直接转矩控制PWM 9 2.3.7非线性控制PWM 10 2.3.8谐振软开关PWM 10 2.4 PWM控制理论的应用 10 2.4.1 PWM软件法控制充电电流 10 2.3.2 PWM在推力调制中的应用 11 第3章方案论证 12 3.1基于单片机的三相PWM逆变器设计 12 3.2基于嵌入式的三相PWM逆变器设计 12 3.3基于DSP的三相PWM逆变器设计 13 第4章系统主电路 14 4.1逆变电路功率器件的选择 14 4.2系统主电路 15 4.3电流型逆变电路特点 15 4.4梯形PWM的基本原理 17 第5章 系统控制电路 19 5.1微处理器单元 19 5.1.1 87C196MC 单片机简介 19 5.1.2单片机最小应用系统 19 5.1.3波形发生器工作方式 20 5.1.4梯形PWM控制方法的实现 22 5.2IGBT驱动电路 23 5.2.1 IR2132驱动芯片特点 24 5.2.2 IR2132内部结构及工作原理 24 5.2.3 IR2132芯片驱动电路 25 5.3IGBT保护电路 26 5.3.1 IGBT缓冲保护电路 26 5.3.2输出浪涌吸收电路 27 5.4人机接口单元 27 5.4.1工作指示模块 27 5.4.2键盘模块 27 5.4.3液晶模块 28 5.5电源电路 29 第6章系统软件设计 31 6.1编程语言及开发环境简介 31 6.1.1汇编语言 31 6.1.2 C51 语言 31 6.1.3 |iVision2 开发环境 32 6.2 系统主程序 33 6.3 PWM波形发生模块 33 6.4人机接口模块 35 6.4.1键盘模块 35 6.4.2液晶模块 36 第7章系统仿真 37 7.1 Proteus仿真开发系统 37 7.2人机接口仿真 37 7.2.1系统欢迎界面仿真 37 7.2.2系统运行界面仿真 38 结 论 39 参考文献 40 致 谢 42 附录A系统电路图 43 附录B系统源程序 44 第1章绪论 逆变器，在工业中占有非常重要的地位。将pwm控制方法运用到逆变器系统中，可 以克服逆变电路中的电力电子开关器件在大电压下导通，大电流下关断，处于强迫开关过 程，因而存在开关损耗大，工作频率低，体积大及电磁干扰严重等缺点。 1.1课题背景 1964年A.Schonung和H.stemmier首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此 为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦 波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化 方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用 场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。 由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量 变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM （包括电压，电 流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机 PWMO正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波 的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS 1000系列和美国 ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率 （THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。 在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载 波频率一般最高不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为 求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为 限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未 变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被 广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的 价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲 目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。 PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。PWM的一个优点是从处理器到被控 系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到 最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对 数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些 时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在 接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 1.2电流型逆变器的发展与应用现状 近年来国际和国内超导技术都取得了突破性的进展，二十一世纪初超导技术将获得广 泛应用已成为人们的共识。超导储能系统（superconducting magnetic energy storage简称 SMES）在电力工业有着广泛的商业应用前景。近年来国外的研究机构，己经开发出了商 用小型SMES系统，并在电力、军事领域得到应用。近年来，随着电力工业市场化的潮流 和电力电子技术的发展，SMES在电力系统的应用前景非常广阔。大容量SMES可以用来 平衡电网日高峰负载和夜低谷负载和用于电力系统大块能量的管理。中小容量SMES可以 用于消除电力系统中低频振荡，用于稳定系统的频率和电压、可以用于电网无功功率控制， 谐波电流补偿和功率因数的调节，提高输电系统的稳定性和功率传输能力、超导储能可迅 速向电网输入或吸收有功功率，是灵活交流输电系统（AFCTS）的理想组件。此外，超导 储能可以用于太阳能发电，风力发电系统中用于平衡脉动的输出功率，可以用于补偿高速 磁悬浮列车，大型电动机、大型轧机、电孤炉等波动负载，所有这些超导技术的应用都需 要用电力电子逆变器实现超导储能线圈和电网，负载之间的连接。 可控SMES的变流装置有电流型和电压型两种主电路拓扑结构。与电压型相比，电流 型提供无功功率的能力更强，使SMES线圈承受的电压波动更小，交流功率损失更小，而 且在大功率的应用场合更易实现多桥并联。储能线圈电流源特性，采用电流型逆变器的 SMES系统用于电力系统有功电流，无功电流和谐波电流补偿时，补偿是以连接超导储能 线圈的逆变器向电网注入有功电流，无功电流和谐波电流的形式实现的，电力电子逆变器 等效为可控的电流源。它能根据电力系统的形势需要（在电网发电自动控制、电网负荷峰 值时间的电能供应以及改善电力系统稳定性的方面）发生快速响应以产生或吸收相应的有 功功率、无功功率。以SMES线圈为储能元件的电流型变流器在电力系统中的应用更为合 理。因此，电流型PWM变流器在大功率场合将具有广泛的应用前景。 在中小功率场合，电流型PWM逆变器在某些场合也具有其自身的优势。如中频感应 加热电源通常都采用晶闸管组成的三相全控桥式整流电路，要求直流电压可控，一是便于 不断调整中频输出电压和功率；二是过载和发生故障时，把整流回路拉入逆变工作状态， 将原先储在滤波电抗器和糟路中的能量反馈到三相工频电网中去，使故障发生时能迅速得 到保护。这种由晶闸管组成的相控整流电路同样产生大量的谐波，降低系统的功率因数， 同时还需要装设复杂的关断电路。将电流型PWM逆变器取代晶闸管相控整流电路是中频 电源发展的一个必然趋势。另外，随