【正文】 辯小組組長(zhǎng)）： （簽名） 年 月 日 教學(xué)系意見(jiàn)： 系主任： （簽名） 年 月 日 7 第一章 緒論 電力電子技術(shù)就是利用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，對(duì)電氣設(shè)備的電功率進(jìn)行變換和控制的一門(mén)技術(shù)。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。本人授權(quán) 大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。電源技術(shù)的發(fā)展，大體經(jīng)歷了幾個(gè)階段：由磁放大式到硅二極管整流式，再到可控硅（晶閘管）整流式，直到發(fā)展到逆變式 (開(kāi)關(guān)式 )。因此，采用逆變技術(shù)大大提高變壓器的工作頻率，使得變壓器的損耗變得比工頻工作時(shí)小得多，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 目前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，其主要作用有： (1)取代人工解析分析，減輕設(shè)計(jì)勞動(dòng)強(qiáng)度和重復(fù)性勞動(dòng)。 MATLAB 語(yǔ)言是一種功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真語(yǔ)言，易于實(shí)現(xiàn)很多控制系統(tǒng)的仿真，可以避免大量的時(shí)間用于編制仿真程序，隨著 MATLAB軟件推出電力系統(tǒng)仿真工具箱 SimPower，可同時(shí)涉及控制和電路的混合系統(tǒng)的仿真，為電源的運(yùn)行性 能分析提供了強(qiáng)有力的工具。 IGBT綜合了 MOS 和 GTR的優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOS的 1/10，開(kāi)關(guān)時(shí)間是同容量 GTR 的 1/10。工作時(shí)的等效電路如圖 21(b)所示，在發(fā)射極電極側(cè)形成 NPN? 寄生晶體管。 [17] 導(dǎo)通： GEU 大于開(kāi)啟電壓時(shí)， MOSFET 內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT 導(dǎo)通。當(dāng)GE GE(TH)UU? 時(shí)， IGBT 關(guān)斷。 ()doffT 是從 90％CEMU 至 90％ CMI 所需的時(shí)間； ft 是指 90％ CMI 下降至 10％ CMI 所需的時(shí)間， ft 由1fit (由 IGBT中的 MOS管決定 )和 2fiT (由 IGBT中的 PNP 晶體管決定 )兩部分組成。 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后， CI 大、功耗大，最后使器件損壞。 圖 24IGBT 的安全工作區(qū) (5)IGBT 的輸入阻抗高，可達(dá) 109－ 1011 歐 姆數(shù)量級(jí)，呈純電容性，驅(qū)動(dòng)功率小，這些與 VDMOS 相似。通常的做法是： ①切斷柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 通常，把交流電變成直流電的過(guò)程叫做整流；完成整流功能的電路叫做整流電路。 ，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場(chǎng)效應(yīng)管逆變、 IGBT 逆變等等。 圖 25 逆變電路及其波形舉例 當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流 oi 和電壓 ou 的波形形狀相同，相位也相同。 電力器件的換流方式 圖 26 中， S S2表示由兩個(gè) 電力半導(dǎo)體器件組成的導(dǎo)電臂，電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱為換流（或換相）。由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。 單相電壓型逆變電路 逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的 稱為 18 電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。 下面，我們討論一下單相全橋電壓型逆變電路。 SPWM 控制方式就是對(duì)逆變 電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或者其他所需要的波形。 單極性和雙極性 SPWM控制方式 圖 29給出了電壓型單相橋式 PWM 逆變電路原理圖。象這種在 rU 的半周期內(nèi)三角波只在一個(gè)方向變化，所得到的 PWM 波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性 PWM 控制方式。 Ud 兩種電平。該系統(tǒng) CPU 采用AT89C51， SPWM 波發(fā)生器采用 SA4828 三相 SPWM 波發(fā)生器，這里我們只使用其一相輸出波形，驅(qū)動(dòng)隔離電路采用富士公司生產(chǎn)的 EXB841，主電路采用高壓整流模塊和 IGBT模塊，輸出采樣模塊使用 ADC0809。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。對(duì) EPROM 編程時(shí)，用于接受低 8 位地址。 RST/Vpd：復(fù)位端。 二、 EMI 濾波器在本系統(tǒng)中，為了抑制交流電網(wǎng)和電源之間的相互干擾，在交流電網(wǎng)和電源輸入端之間加上 EMI（電磁干擾）濾波器，一方面，加上 EMI 濾波器后，可以消除來(lái)自電網(wǎng)的各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)， 電器開(kāi) 25 關(guān)的合閘和關(guān)斷，雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾；另一方面，該濾波器也可以防止系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散而污染電網(wǎng)。因此，本采用三相橋式整流，濾波電感和濾波電容組成輸入整流濾波電路。 二、輸出 LC濾波電路 經(jīng)全橋逆變器輸出的電壓中，逆變開(kāi)關(guān)頻率一般都比較高，從幾 KHz 到幾MHz的都有。 RCD 緩沖電路的設(shè)計(jì) 緩沖電路也稱作吸收電路，它是一種保護(hù)電路，其目的是在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)防止在開(kāi)關(guān)管上產(chǎn)生過(guò)電壓，另外它也能改變開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流的波形軌跡，使開(kāi)關(guān)“軟化”，以減少開(kāi)關(guān)損耗。如圖 35 所示，假定當(dāng)前工作狀態(tài)為 T1 導(dǎo)通， T2 截止，此時(shí)，電源正極經(jīng) T Ds2 對(duì) Cs2 充電， Cs2上電壓為 Ed，且 T1 中電流的另一部分流入負(fù)載（見(jiàn)圖 36）， Cs1 處于放電狀態(tài)，其電壓漸漸低于 Ed。由于 Ls 上反電動(dòng)勢(shì)改變方向（左負(fù)右正）， Uce產(chǎn)生一個(gè)負(fù)下跳－ Lsdids/dt， VDs 上開(kāi)始出現(xiàn)反向恢復(fù)電流。 緩沖電阻的要求是， IGBT 關(guān)斷時(shí)， Cs上積累電荷的 90％能及時(shí)釋放掉，可由 式 35確定。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 因系統(tǒng)輸入市電電壓是波動(dòng)的，而輸出要求是穩(wěn)定的 220V 電壓，所以需經(jīng) 33 采樣電路采樣輸出電壓，得到的模擬量再經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后送往單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)一定的算法使輸出電壓穩(wěn)定在 220V。 D0~D7 為 8位數(shù)字量輸出端。 VREF(+)和 VREF()為 A/D 轉(zhuǎn)換器的參考電壓。它既可以單獨(dú)使用，也可以與大多數(shù)型號(hào)的單片機(jī)接口。 RW、 AS、 DS：用于 RW 模式，分別接收讀 /寫(xiě)、地址、數(shù)據(jù)指令。外部時(shí)鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所設(shè)定的片內(nèi) ROM 中的調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動(dòng)生成 SPWM 輸出脈沖，通過(guò)脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖，因?yàn)檫@樣的脈沖不起任何作用，只會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的損耗，通過(guò)脈沖延遲電路生成死區(qū)時(shí)間，保證任何橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路，看門(mén)狗定時(shí)器用來(lái)防止程序跑飛，當(dāng)時(shí)間 條件滿足時(shí)快速封鎖輸出。通過(guò) AT89C51 的 P0口與SA4828 的 AD口相連，提供 8 位數(shù)據(jù)和低 8位地址， SA4828 芯片中的地址鎖存器可以鎖存來(lái)自 AT89C51 的低 8 位地址，從而將 AD 口輸入的地址與數(shù)據(jù)分開(kāi)。 40 本系統(tǒng)中， fclk 為 6MHz，載波頻率 fcarr 取 ，可求得 n=0，所以 CFS為 000 (2)調(diào)制波頻率范圍設(shè)定 調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字是由 FRS0FRS2 這三位組成，調(diào)制波頻率 frange 通過(guò)下式求得： mcarrrange f2f 384?? m值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字。 純正弦波可用于靜態(tài)逆變電源， UPS 電源和單相交流電機(jī)調(diào)速，增強(qiáng)型和高效型可用于三相交流調(diào)速，本系統(tǒng)中， WS WS0 為 0、 0，即輸出為純正弦波。 控制寄存器的作用包括調(diào)制波頻率選擇、調(diào)制波幅值選擇、正反轉(zhuǎn)選擇、輸出禁止位控制、計(jì)數(shù)器復(fù)位控制、看門(mén)狗選擇、軟復(fù)位控制、控制數(shù)據(jù)仍然是通過(guò)R0∽ R5 寄存器輸入并暫存，當(dāng)向 R15 虛擬寄存器寫(xiě)操作時(shí)，這些數(shù)據(jù)送入控制寄存器。當(dāng)每次向控制寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)用這個(gè)常數(shù)重置看門(mén)狗，即叫醒一次，如果單片機(jī)失去控制，在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有叫醒看門(mén)狗，則看門(mén)狗會(huì)立即封鎖輸出。 (4)最小刪除脈寬設(shè)定 最小刪除脈寬設(shè)定字是由 PDT0PDT6 這 7位組成，最小刪除脈寬 tpdt 由下式求得， PDT 的二進(jìn)制即是最小刪除脈寬設(shè)定字。由于本系統(tǒng)采用了單相電壓型逆變電路，所以 SA4828 的輸出引腳我們只用 RPHT 和 RPHB，它們分別通過(guò)四個(gè) EXB841驅(qū)動(dòng)電路， RPHT 驅(qū)動(dòng)逆變橋的 4號(hào) IGBT，而 RPHB 驅(qū)動(dòng) 3號(hào) IGBT。當(dāng)向 R14寫(xiě)操作時(shí)，實(shí)際是將 R0R5中存放的 48 位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器，當(dāng)向 R15 寫(xiě)操作時(shí)，是將 R0R5 中存放的 48位數(shù)據(jù)送入控制寄存器。 TRIP ：該引腳輸出一個(gè)封鎖狀態(tài)，當(dāng) SETTRIP 有效時(shí)， TRIP 為低電平，表示已被封鎖，它有 12mA 的驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED 指示燈。 RST ：硬件復(fù)位引腳，低電平有效，復(fù)位后，寄存器的 INH 、 CR 、 WTE和 RST 各位為 0。 A/D轉(zhuǎn)換完畢， EOC 端發(fā)出一正脈沖供單片機(jī)查詢，最后執(zhí)行 MOVX A,DPTR 產(chǎn)生 RD 信號(hào)使 OE 端有效，打開(kāi)輸出鎖存器三態(tài)門(mén)， 8 位數(shù)據(jù)就讀入到 CPU 中。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后， EOC 信號(hào)變低；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， EOC 返回高電平。本系統(tǒng)中，我們采用 ADC0809，它是 CMOS 工藝、采用逐次逼近法的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片， 28 腳雙列直插式封裝，片內(nèi)除 A/D 轉(zhuǎn)換部分外還有多路模擬開(kāi)關(guān)部分。實(shí)用緩沖電路可參照?qǐng)D 33所示，我們可以使每個(gè)雙單元 IGBT 模塊使用一個(gè)緩沖電路。Δ Uce 是前面 Lm 經(jīng) Ls 向 Cs充電時(shí)產(chǎn)生的高出直流電壓 Ed的部分，此時(shí)成為反偏壓全加在 VDs 的兩端。由于 VDs 在導(dǎo)通過(guò)程中具有正向過(guò)渡特性，開(kāi)始時(shí)有較大的正向瞬時(shí)電壓（ 40－ 60V），見(jiàn)圖 37(a)。因此為保護(hù) IGBT，我們?cè)?SPWM 逆變電路中設(shè)置了 RCD緩沖電路。允許電抗器的電流波動(dòng)峰－峰值 30002 220?L o eΔ i I 5 % = 2 5 % = 1 . 4 A逆變器輸出脈沖電壓峰值?2MV 380 = 513V 由于逆變器輸出的是 SPWM 電壓，所以在設(shè)計(jì)濾波 LC參數(shù)時(shí)，我們可以考慮 如下情況： 當(dāng)濾波輸出的平均電壓 OV =311V，此時(shí)on 311T 513? 17μ F = 1 0 3 . 6 μ S、1 7 1 1 0 3 .6 6 6 .4? ? ?offTμ S，所以 29 由式 L=LmoniVVT?(2?0)[13]，得 L=(513?311) =， 由式 o off [13]LVTL i? Δ ，得 311L 1 4 .7 m H1 .4?? ， 所以 L取 15mH?；趩纹瑱C(jī)控制新型 高效率正弦波逆變電路 的設(shè)計(jì)與仿真 三、輸入濾波電感的設(shè)計(jì) 我們可 以根據(jù)保持負(fù)載電流連續(xù)的要求來(lái)選擇濾波電感 L設(shè)最小負(fù)載功率 P 2020 Wmin ? 則in 2020P 2 5 0 0 W0 .8?? d m i n 2 5 0 0 2 5 0 0I 4 . 4 3 A1 . 3 5 3 8 0 1 . 1 5 6 4 . 3 ? ? ? 所以d . m i n0 . 0 1 3 0 . 0 1 3L 3 . 9 m HI 3 1 4??[1] U 3 8 0 取 4mH。如果交流電源進(jìn)入機(jī)殼波器有較長(zhǎng)的距離，則這段線應(yīng)加以屏蔽。有些噪聲來(lái)自設(shè)備外部，如大負(fù)荷用電設(shè)備起動(dòng)造成電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落、工頻波形失真等。 ： 8 位雙向 I/O 口。 3．輸入 /輸出引腳 ：雙向三態(tài) I/O 口。 AT89C51 單片機(jī)芯片有 40 個(gè)引腳，是用 CMOS 工藝制造的芯片，采用雙列直插 封裝（ DIP）和方形封裝方式。需要指出的是，這個(gè)延遲時(shí)間將會(huì)給輸出的 SPWM 波形帶來(lái)不利的影響，使其偏離正弦波。各晶體管的控制規(guī)律如下： 在 rU 的正負(fù)半周內(nèi)，對(duì)各晶體管控制規(guī)律相同，同樣在調(diào)制信號(hào) rU 和載波信號(hào) CU 的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開(kāi)關(guān)器件的通斷。在 rU 的負(fù)半周，保持 T2導(dǎo)通，使T3交替通斷。 等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法 20 稱為 調(diào)制方法。正弦波得另外半波可以用相同得辦法來(lái)等效。 ，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。 (4)脈沖換流。晶閘管要在電流過(guò)零以后再施加一定時(shí)間的反向電壓，才能使其關(guān)斷。但是，因?yàn)樨?fù)載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。 [13] 逆變電路的基本工作原理 圖 25(a)為單相橋式逆變電路， S1S4 是橋式電路的 4個(gè)臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。 現(xiàn)代逆變技術(shù)的分類 現(xiàn)代逆變技術(shù)種類很多，其主要 的分類方式如下： ，可分為工頻逆變（ 50∽ 60Hz）、中頻逆變 (400Hz到十幾 KHz)、高頻逆變 (十幾 KHz 到 MHz)。 (2)過(guò)電壓保護(hù) 利用緩沖電路能對(duì) IGBT 實(shí)行過(guò)電壓抑制并抑制