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1、.第一章 绪论第一节 电力电子技术概述一、电力电子技术的形成与发展电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体来说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术的诞生是以20世纪50年代美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的，是20世纪后半叶诞生并发展起来的一门崭新的技术。可以预见，在21世纪电力电子技术将以更迅猛的速度发展。其实，早在晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。后来，出现了水银整流器，在30年代到
2、五十年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。1947年，美国著名的贝尔实验发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展 。二、电力电子器件的分类按照电力电子器件能被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类： (一) 不可控器件 不能用控制信号来
3、控制其通断的电力电子器件，这类器件不需要驱动电路，如电力二极管。这类器件只有两个端子，器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。(二) 半控型器件 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件，这类器件主要是晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 (三) 全控型器件 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件称为全控型器件，由于和半控型器件相比，可以由控制信号控制其关断，因此又称自关断器件。这类器件品种很多，目前最常用的是绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar
4、 Transistor-IGBT）和电力场效应晶体管（Power MOSFET,简称电力MOSFET），在处理兆瓦级大功率电能的场合，门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO）应用也较多。三、电力电子技术的特点及应用控制理论广泛应用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一种强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。对于不可控器件其结构和原理简单，工作可靠，所以直到现在电力
5、二极管仍然大量应用于许多电气设备当中，特别是快恢复二极管和肖特基二极管，仍分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。对于半控型器件（晶闸管）虽然在20世纪80年代其地位已开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。而对全控型器件的出现将电力电子技术带入了一个崭新时代，因为可以随时控制其开通和关断，全控型器件的应用得以迅速普及。下面我们将简单介绍一下电力电子技术的应用。1 一般工业 工业中大量应用各种交直流电机。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，
6、使得交流电动机的调速性能大大提高，交流调速技术大量应用并占据主导地位。大至数千kW的各种轧钢机，小到几百W的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。2 交通运输 电气化铁道和电动机车等离不开电力电子技术。3 电力系统 变流装置广泛采用电力电子技术。4 电子装置用电源 5 家用电器6 其他 不间断电源（UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大，而这都离不开电力电子技术。总之，电力电子技术的应用十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感
7、受到电力电子技术的存在和巨大魅力。第二节 Intel 16位单片机概述一、单片机的发展简史1974 年,美国仙童(Firchild)公司研制的世界第一台单片微型机F8.该机有两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视.从此,单片机开始迅速发展,应用领域也在不断扩大.现已成为微型计算机的重要分支,单片机的发展过程通常可以分为一下几个发展过程。(一)第一代单片机(1974-1976):这是单片机发展的起步阶段.在这个时期生产的单片机特点是,制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形式.典型的代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek387
8、公司的3870等。(二) 第二代单片机(1976-1978):这是单片机的第二发展阶段.这个时代生产的单片机随眼已能在单块芯片内集成CPU,并行口,定时器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品种少,应用范围也不是很广,典型的产品有Inrel公司的MCS-48系列机。(三) 第三代单片机(1979-1982):这是八位单片机成熟的阶段.这一代单片机和前两代相比,不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源,并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口电路.在指令系统方面,普遍增设了惩处法和比较指令.这一时期生产的单片机品种齐全,可以满足各种不同领域的需要.
9、代表产品有Intel公司的MCS-51系列机,Motorola公司的MC6801系列机,TI公司的TMS7000系列机,此外,Rockwell,NS,GI和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列。(四) 第四代单片机(1983年以后):这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代,十六位机的特点是,工艺先进,集成度高和内部功能强,加法运算速度可达到1us以上,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如PL/MPLUS C和Forth语言等.代便产品有intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783系列和NS公司的HPC16040等。二、Intel 16位单
10、片机在调速系统中的应用PWM技术是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。PWM技术的发展和应用优化了变频装置的性能，变频调速系统采用PWM技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。而80C196MC单片机的主要优点之一是有一个三相波发生器（WG）。这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外部硬件，特别适用于控制3相交流感应电机。在本次设计中，我们利用80C196MC单片机片内波形
11、发生器能直接用软件产生SPWM调制波，从而节省硬件投资。单片机完成对整个系统的两级监控管理，协调各模块之间的工作，并进行复杂的控制决策。控制量经D/A转换模块后输出至变频器，变频器根据接收到的信号产生变压变频的电源信号，以驱动交流电机实现调速。系统的开关量控制模块，可方便的实现电机的启动、停止及加减速等功能。第三节 关于交流调速系统工业生产领域发展到比较高的阶段，如冶金的轧机、电气机车、电梯的出现要求传动电动机能快速正反转、起动力矩大、快速制动、停位准确、调速范围大、精度高及响应快，因此在传统的调速中一直采用直流电动机运行了几十年。但由于直流电动机的换向器电刷在大容量方面问题较多，而且维护工作
12、量大，1970年以后逐步用交流同步及异步变频调速代替直流电动机调速。交流调速的优点如下：1 单机容量不受限制。交流电机单机容量达到211000kW，为设备提供更大的动力。2 体积小，重量轻，占地面积小。3 转动惯量小。4 动态响应好。由于交流电机转动惯量大大减少，而且交流电动机没有换向火花对过载能力的限制，电动机可以具有更大的动态加速电流。5 维护简单化。由于交流电动机无需换向器，维护量大大减少。6 节约能源。交流同步电动机的效率比直流电动机提高2%3%。而且，随着大功率开关器件制造技术和计算机技术的迅猛发展，交流电机的变频调速在一般工业领域以至许多民用领域中已得到广泛应用。在节能、减少维修、
13、提高产品产量及产品质量等方面都取得了明显的经济效益。目前，高性能交流调速系统的研究和开发已引起各国学者的高度重视。第四节 本课题的研究意义用v/f控制模式对异步电动机实现变频无级调速。在无负载状态和100%负载转矩突变时，能迅速回到原先的转矩，有很好的负载响应性能。变频调速器与电磁调速电机相比，调速精度高，调速特性好，调速范围广，失速发生的可能性小，尤其在低负载运行时间较长的机械装置中，效率高，节能效果显著。v/f调速可以解决转矩不足和速度波动的问题，使系统工作较稳定。变频调速系统的设计应结合系统的静动态指标, 以负载的机械特性为设计主要参数，在注重变频器控制方式的选择及变频器的选择的基础上,
14、 解决变频调速系统设计中的实际问题, 以使所设计的变频调速系统具有高的静动态指标和高的性能价格比。众多的生产实践中证明，v/f变频调速系统可应用于风机、泵类负载，减小电动机的起动电流，以减小电动机在起动时对电网的冲击，并且有很好的节能效果。v/f调速系统可以广泛应用于实际生产，它涉及到节约能源和减少实际生产的成本问题。因此，研究v/f调速系统有着比较重大的意义。第二章 调速系统硬件电路的设计第一节 变频调速系统硬件框图变频调速系统硬件框图如图2-1。图2-1变频调速系统硬件框图第二节 系统的构成恒V/F调速系统由以下几个环节构成：一、主电路 主电路是由交流-直流三相桥式不可控整流电路和由IGB
15、T构成的IPM智能功率模块构成的。它主要完成电流从交流电到直流电的转换。系统使用六个光电耦合驱动IGBT管。在本系统采用的IGBT智能功率模块（IPM）,它是一种大规模的集成模块。二、保护电路在设计任何一个系统的时候，为了保护系统中的各设备和元器件不被破坏，在设计时就需要设置保护电路。本次设计的恒V/F调速系统中，一共包含了五个保护电路：泵升电压保护电路，过压保护电路，限流保护电路，过流保护电路，欠压保护电路。三、驱动电路在本次的设计中，采用了IGBT智能功率模块，亦即IPM功率模块。在IPM功率模块中包含有7个IGBT管。本次设计中的驱动电路则是包含在IPM功率模块中。IPM模块的具体作用与功能将在后面的章节中详细介绍。具体电路图见附录。第三节 主电路的设计与参数计算主电路设计与计算如下：主电路是由ac-dc三相桥式不可控整流电路和由IGBT构成的IPM智能功率模块构成的。电路图如图2-2所示。电动机参数如下：电动机参数：P=2.2KW U=380V I=5A D=10一、整流二极管参数 二极管的额定电压： U=(23)U=（23）10751612V (2-1) 取U的值为1200V二极管的额定电流：I=(1.52) A
