【正文】 熔斷器短路容量的保護(hù)配合研究等。在我國(guó)始于20世紀(jì)60年代初，電力電子學(xué)(Power Electronics)問(wèn)世，并取代了工業(yè)電子學(xué)。其實(shí)從變流技術(shù)的分類(lèi)來(lái)看，它屬于整流變換，是變流技術(shù)的一小部分。換流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是直流傳動(dòng)、直流牽引、電化、電冶、中頻、高頻淬火、加熱、高壓直流輸電等。(1)第一階段第一階段是基于電子管、離子管(閘流管、汞弧整流器、高壓汞弧閥)的發(fā)展與應(yīng)用，當(dāng)時(shí)把這一學(xué)科稱(chēng)作工業(yè)電子學(xué)(Industrial Electronics)。所有這一切為高頻變換技術(shù)的開(kāi)發(fā)，為變流器實(shí)現(xiàn)高頻化、小型化、輕量化，為節(jié)能、節(jié)材、提供效率與可靠性奠定了基礎(chǔ)。(3)提供邏輯輸出接口：功率控制由功率器件即驅(qū)動(dòng)電路來(lái)執(zhí)行。智能功率集成電路能夠提供數(shù)字控制邏輯與功率負(fù)載之間的接口，最簡(jiǎn)單的形式可由一電平移動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電路組成，把來(lái)自微處理器的邏輯信號(hào)換轉(zhuǎn)微足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電壓和電流；較復(fù)雜的智能功率集成電路能實(shí)現(xiàn)以下3項(xiàng)任務(wù):(1)控制功能：自動(dòng)檢測(cè)某些外部參量并調(diào)整功率器件的運(yùn)行狀態(tài)，以補(bǔ)償外部參數(shù)的偏離。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件，發(fā)展到組合功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。從晶閘管靠換相電流過(guò)零關(guān)斷的半控器件發(fā)展到PID、PIC通過(guò)門(mén)極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的可控硅。電力電子器件以美國(guó)1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為起始點(diǎn)逐漸發(fā)展起來(lái)的。 國(guó)內(nèi)外研究情況現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件，綜合自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。今年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的告訴發(fā)展，人們對(duì)變頻電源的需求與日劇增，變頻電源的開(kāi)發(fā)研制生產(chǎn)已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品。變頻電源是電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。變頻電源是將市電通過(guò)功率變換電路轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰碾妷汉皖l率的一種電源。當(dāng)前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)材、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上已達(dá)到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件，首先是功率MOSFET的問(wèn)世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門(mén)極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。電源的分類(lèi)如下圖所示圖 1．1 電源的分類(lèi)電子／電力電源的發(fā)展得力于電力電子技術(shù)的進(jìn)步。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒論 研究變頻電源的背景及目的電源對(duì)于每一個(gè)人來(lái)說(shuō)是一個(gè)既熟悉又抽象的名詞，我們的衣食住行離不開(kāi)電源，文化娛樂(lè)、辦公學(xué)習(xí)、科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、教育、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸、照明、通信、宇宙探索等等，哪一樣也少不了電源。只要用電就離不開(kāi)電源。進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能，實(shí)現(xiàn)小型輕量化，機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。世界各國(guó)電網(wǎng)制式的不統(tǒng)一，以及不同應(yīng)用領(lǐng)域的電源制式需求的不同，以下情況需要使用變頻電源：(1)家電業(yè)制造商如：空調(diào)設(shè)備、咖啡機(jī)、洗衣機(jī)、榨汁機(jī)、微波爐、收錄音機(jī)、冰箱、DVD、洗塵器、電動(dòng)剃須刀等產(chǎn)品的測(cè)試電源；(2)電機(jī)、電子業(yè)制造商如：交換式電源供應(yīng)器、變壓器、電子安定器、AC風(fēng)扇、不斷電系統(tǒng)、充電器、繼電器、壓縮機(jī)、馬達(dá)、被動(dòng)元件等產(chǎn)品的測(cè)試電源；(3)IT產(chǎn)業(yè)及電腦設(shè)備制造商如：傳真機(jī)、影印機(jī)、碎紙機(jī)、印表機(jī)、掃描器、燒錄機(jī)、伺服器、顯示器等產(chǎn)品的測(cè)試電源；(4)實(shí)驗(yàn)室及測(cè)試單位如：交流電源測(cè)試、產(chǎn)品壽命及安全測(cè)試、電磁相容測(cè)試、OQC(FQC)測(cè)試、產(chǎn)品測(cè)試及研發(fā)、研究單位最佳交流電源；(5)航空／軍事單位如：機(jī)場(chǎng)地面設(shè)施、船舶、航天、軍事研究所等的測(cè)試電源；(6)鐵路、高速公路：25Hz、靜頻信號(hào)電源。變頻電源自問(wèn)世以來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注?，F(xiàn)代變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞，并廣泛的應(yīng)用于電氣傳動(dòng)、計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備和家用電器中。目前，隨著變頻電源的廣泛應(yīng)用，變頻電源顯示除了強(qiáng)大的生命力，其具有高集成度、高性能比、最簡(jiǎn)的外圍電路、最佳的性能指標(biāo)等特點(diǎn)。 電力電子器件技術(shù)的發(fā)展變頻電源是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的一項(xiàng)重要的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展，在器件制造技術(shù)上不斷提高，已經(jīng)經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管(GTO)、巨型晶體管(GTR)、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成電路(SPIC)、高壓功率集成電路(HVIC)為代表的功率集成電路(PIC)等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。在器件的控制模式上，從電流型控制模式發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門(mén)極(柵極)的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率不斷提高。功率集成器件從單一器件發(fā)展到模塊的速度更為迅速，今天已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有智能化功能的模塊(IPM)。(2)傳感與保護(hù)功能：當(dāng)器件出現(xiàn)過(guò)載、短路、過(guò)電壓、欠電壓或過(guò)熱等非正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，能測(cè)取相關(guān)信號(hào)并能進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整保護(hù)，使功率器件能工作在安全工作區(qū)。它具有處理高壓、大電流或二者兼?zhèn)涞哪芰Α?電力變流技術(shù)的發(fā)展變流技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)歷了三個(gè)階段。這一階段的研究工作，主要是集中在整流、逆變和變頻技術(shù)的開(kāi)發(fā)上。由于直流傳動(dòng)，直流牽引，電化電冶在變流技術(shù)應(yīng)用中占有壓倒的優(yōu)勢(shì)，因此那時(shí)將直流傳動(dòng)、牽引、電化稱(chēng)作變流行業(yè)的三大支柱。(2)第二階段第二階段是基于硅整流管、晶閘管的發(fā)展與應(yīng)用，主要是晶閘管。由于變流技術(shù)的基本理論一一整流、逆變、變頻技術(shù)的研究，可以說(shuō)在第一階段己經(jīng)完成，這已不是第二階段的研究主題。隨著器件制造水平的不斷提高，變流裝置保護(hù)措施的不斷完善，使得硅整流管、晶閘管在變流裝置中的應(yīng)用技術(shù)日趨成熟。它很快便取代了汞弧整流器在變流技術(shù)中的地位，使我國(guó)進(jìn)入了電力電子技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用階段，而我國(guó)的汞弧整流器制造業(yè)在完成自己的歷史使命后于1972年正式停產(chǎn)。即使在高壓直流輸電領(lǐng)域，世界上第一個(gè)高壓晶閘管換流閥于1970年在瑞典哥特蘭島直流輸電工程中投運(yùn)，宣告了高壓汞弧閥在高壓直流輸電領(lǐng)域中歷史使命的終結(jié)。這一時(shí)期，隨著整流管特別是晶閘管制造技術(shù)水平的不斷提高，半導(dǎo)體變流技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到擴(kuò)展。以晶閘管應(yīng)用為核心的這一發(fā)展階段，無(wú)論是整流、逆變、變頻，其變換都是通過(guò)對(duì)晶閘管的門(mén)極進(jìn)行移相控制而實(shí)現(xiàn)的，即相控型的變換技術(shù)。在這一階段，關(guān)于實(shí)現(xiàn)DC／DC變換的斬波技術(shù)的研究己經(jīng)開(kāi)展，并且率先應(yīng)用在直流牽引調(diào)速中。只不過(guò)由于晶閘管是半控器件，將其用在DC／DC變換中，為了強(qiáng)迫其關(guān)斷，主電路、控制電路較為復(fù)雜，但是其節(jié)能效果是顯著的。時(shí)下將采用上述二種控制方式的變流裝置(電源)簡(jiǎn)單地稱(chēng)作相控電源和開(kāi)關(guān)電源的說(shuō)法是不確切的，這是因?yàn)樵诎雽?dǎo)體電力變流器中，承擔(dān)功率變換的電力電子器件就是作為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)來(lái)應(yīng)用的，無(wú)論是相控電源還是時(shí)間比率控制電源都是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。TRC一般有三種，即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation．PWM)，脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modula tion．PFM)，混合調(diào)制(PwM+PFM)。第三階段的發(fā)展是隨著全控型器件的發(fā)展而逐漸展開(kāi)的。但是由于GTO，GTR是電流型控制器件，控制電路功率大，且變換頻率也不能很高。由于PwM電路屬硬開(kāi)關(guān)電路，一方面使電路中的變換器件工作時(shí)所承受的電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力大，同時(shí)變換過(guò)程中高的dv／dt，di／dt又會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，使電氣電自設(shè)備電磁兼容的問(wèn)題突出；另一方面器件開(kāi)通與關(guān)斷損耗的問(wèn)題逐漸棘手，嚴(yán)重制約了變換頻率的進(jìn)一步提高。它是利用諧振進(jìn)行換相的一種新型變流電路，實(shí)現(xiàn)了器件在零電壓下的導(dǎo)通和零電流下的關(guān)斷，從而大大降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗，這樣來(lái)，TRC技術(shù)加軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得變換頻率進(jìn)一步得到提高。從以上敘述可知，第三階段主要是電力半導(dǎo)體器件向全控型、模塊化、集成化、智能化發(fā)展，半導(dǎo)體變流技術(shù)向高頻化發(fā)展的時(shí)期，其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)(晶閘管與移相控制)向現(xiàn)代電力電子技術(shù)(全控型器件與TRC加軟開(kāi)關(guān)技術(shù))的跨越，具有劃時(shí)代的意義。 變頻電源的發(fā)展方向目前，變頻電源主要向著以下幾個(gè)方向發(fā)展：(1)高頻化理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比，所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5％．10％。(2)模塊化模塊化有兩方面的含義，其一是指如上文所述功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。近年，有些公司把開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“全能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機(jī)的體積，更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶專(zhuān)用功率模塊(ASPM)，它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，以達(dá)到優(yōu)化完美的境地。在六、七十年代，電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。數(shù)字控制使硬件簡(jiǎn)化，柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，使現(xiàn)代控制理論在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，易于與上層系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于故障診斷加強(qiáng)保護(hù)和監(jiān)視功能，使系統(tǒng)智能化(如有些變頻器具有自調(diào)整功能)。受限于單片機(jī)的性能，基于單片機(jī)自變頻電源系統(tǒng)多采用查表法生成PWM波，因此靈活性較差，無(wú)法實(shí)時(shí)的變頻變壓如果采用專(zhuān)門(mén)的PWM波生成芯片，往往成本和供貨上也有不足之處。近幾年來(lái)，國(guó)外各大公司紛紛推出以DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)的稱(chēng)為DSP單片電機(jī)控制器，價(jià)格大大降低，體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。(4)綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染；其次這些電源不能或少對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC55IEC91IEClooO等。20世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的誕生，有了多種修正功率因子的方法。在變頻電源主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：變頻電源的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)低壓小容量的裝置常采用6脈沖變流器，而對(duì)中壓大容量的裝置采用多重化12脈沖以上的變流器。對(duì)于四象限運(yùn)行的傳動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器，同時(shí)出現(xiàn)了功率可雙向流動(dòng)的雙PWM變頻器，對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電流接近正弦波，減少對(duì)電網(wǎng)的公害。 本文設(shè)計(jì)和研究的內(nèi)容本文中研究的變壓變頻電源是一種以ARM微處理器為主控制芯片的通用型單相變頻電源。第3章 變頻電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。2 變頻電源的結(jié)構(gòu)及主電路研究 變頻電源的結(jié)構(gòu)及原理本文所研究的單相變壓變頻(VVVF)電源，輸出電壓為15～220v，輸出頻率為10～100Hz可調(diào)。直接變頻又稱(chēng)為交一交變頻，是一種將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，中間沒(méi)有直流環(huán)節(jié)的變頻形式。交一交變頻一般使用的開(kāi)關(guān)器件是晶閘管，利用電網(wǎng)電壓有自動(dòng)過(guò)零并變負(fù)的特點(diǎn)，將晶閘管直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關(guān)斷。但是這種方法使用晶閘管數(shù)量較多，主回路復(fù)雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的1／2。本文所研究的變頻電源采用交一直一交變頻這種形式，它可以分為四個(gè)功能模塊：整流電路、逆變電路、輸出濾波器和基于ARM微處理器的控制電路。逆變電路是該電源的關(guān)鍵電路，其功能是實(shí)現(xiàn)DC／AC的電壓變換，即在ARM微處理器的控制下把直流電源轉(zhuǎn)換成單相SPWM波形供給后級(jí)濾波電路，形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。ARM微處理器可以檢測(cè)輸出的單相電壓大小，并通過(guò)串口傳到上位機(jī)顯示，通過(guò)PI控制器實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制。系統(tǒng)原理框圖如圖2．2所示： 圖 系統(tǒng)原理框圖 逆變系統(tǒng)原理本文所研究的電源是為了在輸出得到變壓變頻的交流電壓信號(hào)，故采用電壓型逆變電路。下面介紹全橋逆變電路：電路原理圖見(jiàn)圖2．2，它共有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。即VV4導(dǎo)通時(shí)關(guān)斷VV3；VV3導(dǎo)通時(shí)，關(guān)斷VV4。圖中VDl、Vl、VDV2相繼導(dǎo)通的區(qū)間，Vl和V4，VD2和VD3，V2和V3相繼導(dǎo)通的區(qū)間。 SPWM波的生成原理分析 對(duì)于電壓型逆變器來(lái)說(shuō)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何根據(jù)給定的參考量發(fā)出PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)。 自然法生成SPWM波圖 2．4 自然生成SPWM波原理圖自然法生成SPWM波又稱(chēng)模擬電路法生成SPWM波，通常用模擬比較器比較生成SPWM波，如果用信號(hào)波正弦作為比較器的同相端輸入信號(hào)，三角載波作為比較器的反相端輸入信號(hào)，便實(shí)現(xiàn)了自然法生成SPWM波，如圖2．4所示，比較器輸出經(jīng)死區(qū)形成電路即可生成帶死區(qū)的SPWM波。 規(guī)則采樣法生成SPWM波規(guī)則采樣法是針對(duì)自然采樣法中要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，而采用的一種對(duì)正弦波與三角波交點(diǎn)求解的一種簡(jiǎn)化方法，其效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法少了許多 ，：設(shè)三角波幅值為1，由，相似三角形對(duì)應(yīng)邊成比例，可得：,代入數(shù)據(jù)得： （）所以矩形波開(kāi)通時(shí)間：圖 規(guī)則采樣法