小功率通用型变频器主电路、驱动电路设计与调试 毕业论文.doc
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1、 ( 二二 八八 年年 六六 月月 摘 要 交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向,随着电力电子技术、 微电子技术和现代控制理论在交流变频调速系统中的应用,作为交流变频调速系统 核心的变频器的性能也得到了飞跃性的提高,并越来越广泛地应用于工业生产和日 常生活的许多领域之中。 本文对通用变频器技术进行了简单的概述,对其包括的交流调速技术,变频调 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 题题 目目: 小功率通用型变频器主电路、驱动小功率通用型变频器主电路、驱动 电路设计与调试电路设计与调试 学学生生姓姓名名 : xxxxxx 学学 院院 : 信信 息息 工工 程程 学学 院院 系系 别别:
2、 自自 动动 化化 系系 专专 业业: 自自 动动 化化 班班 级级: 自自 动动 化化0 0 4 4 4 4 指指导导教教师师 : xxxxxxxxxx 讲讲师师 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 速技术都进行了论述。对变频器的发展进行了归纳,其中包括对与其密切相关的功 率器件,控制方式以及 PWM 控制技术都进行了必要的说明。 本文设计的通用变频器为单相输入交直交电压源型变频器。其主电路包括 整流电路、滤波电路和逆变电路。整流电路采用单相桥式不可控整流电路,滤波电 路采用电解电容滤波,逆变器是由 6 个 IGBT 构成的三相全桥式逆变器,主电路结 构简单易调。驱动电路选用与 IGBT 配套
3、的驱动芯片 IR2103,继电器控制电路作为 过流保护电路。同时配有电压、电流检测电路。对各个电路进行了参数计算以及器 件选择。在设计完成之后,进行了该电路的实物焊接,并对焊接过程中出现的问题 进行了分析解决。最后对电路各部分进行了调试。 关键词关键词:交流变频调速;通用变频器;交流变频调速;通用变频器;IGBT;IR2103 Abstract AC variable frequency control technology is an important development orientation of the transmission power of modern technolog
4、y. With the power electronics technology, micro-electronics technology and modern control theory used in AC Frequency Control System, the converter as the core of it has been dramatically improved, and more widely used in industrial production and daily life in many areas. 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 In this p
5、aper, we have a simple overview to the General Convert and the exchange of technology, VVVF technology is also discussed. Summarized the development of the Convert, including its closely related to the power devices, control method and PWM control technology is also explained. In this paper, the gen
6、eric design for converter of single-phase input is DC-AC-DC voltage converter. The main circuit is composed of Rectifier circuit, filter circuit and inverter circuit. Rectifier diode circuits use single-phase bridge uncontrollable rectifier module. Filter circuit uses electrolytic capacitor to filte
7、r; Inverter is composed of six IGBT three-phase full-bridge inverter. Main circuits structure is simple and easy. IR2103 is used as the driver of the IGBT. Relay control circuit is used as protection circuits. At the same time , there also have voltage, current detection circuit. After finish the de
8、sign, the next step is welding all parts, and solves what is meeting in the experiment. Finally, checking the all circuits. Keywords:AC frequency converter ;General convert;IGBT; IR2103 目 录 第一章 通用变频器概述1 1.1 交流调速技术的概况1,21 1.2 变频调速技术的概况1 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 1.3 变频器的概况32 1.4 变频器的应用4 1.5 通用变频器的发展5 1.5.1 关于
9、功率器件.5 1.5.2 关于控制方式4.5 1.5.3 关于 PWM 技术5,6.7 1.5.4 发展趋势展望.8 1.6 系统硬件电路总体结构设计9 第二章 主电路及保护电路工作原理11 2.1 主电路的工作原理11 2.2 驱动电路12 2.3 保护电路13 2.3.1 启动限流电路.13 2.3.2 电流检测10.14 2.3.3 电压检测.16 2.4 开关电源电路14,15.16 第三章 主电路及保护电路参数计算18 3.1 主电路参数选择18 3.1.1 整流二极管模块的参数计算.18 3.1.2 滤波电容的选择.18 3.1.3 逆变器功率器件 IGBT 的选择 .19 3.2
10、 保护电路参数选择19 3.2.1 电流检测电路的参数计算.19 3.2.2 开关电源变压器的参数计算14.20 第四章 电路板的调试22 4.1 电路板调试注意事项22 4.2 电路板部分电路的检测22 4.3 电路板调试中存在的问题与解决23 结 论25 参考文献26 谢 辞27 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 附录 1 电路总图.28 附录 2 电路实物图.29 第一章 通用变频器概述 1.1 交流调速技术的概况1,2 电动机按照供电电源的不同,分为直流电动机和交流电动机。由这两种电动机 作为动力源的传动系统,先后于 19 世纪晚期诞生。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 1 众所周知
11、,长时期以来直流电动机调速系统在调速传动领域中占有主导地位。 它不仅形成了较完善的控制理论、简单的系统结构,而且有着控制方便且调速精度、 调速范围、启制动性能、动态过渡过程等均很理想的优点,但它在工业应用中还有 不少缺点,如:由于其复杂的电刷结构,使用环境限制的非常严格;需要经常检修 和维护;与同容量的交流电机比较,直流电机结构复杂、体积大、重量大、价格高。 相比之下,由于交流电机有着体积小、结构简单、坚固耐用、可用于恶劣环境中等 优点,所以交流调速技术一直受到人们的密切关注。 目前,从数百瓦级的家用电器到数千瓦级乃至数万瓦级的调速传动装置,可以 说无所不包的都可以用交流调速传动方式来实现。交
12、流调速传动的应用范围己经从 最初的只能用风机、泵类的调速过渡到要求具有高精度、快响应等高性能指标的调 速控制。从性能价格比的角度看,交流调速装置已经优于直流调速装置。在经过大 约 30 年的发展后,交流调速电气传动己经上升为电气调速传动的主流。 现在人们所说的交流调速传动,主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机 的变频调速传动。随着电子控制器和电力电子技术的快速发展,相应的自动控制策 略也有了长足的发展,在变换器的 PWM 控制技术方便提出了 SPWM(正弦波 PWM) 、SVPWM(空间电压矢量 PWM)方式以及各种相应的优化 PWM 方式。同时 在控制理论上提出一系列新的控制方法使得交流
13、调速系统不断显示出本身的优越性 和巨大的社会效益,所以使得变频器交流电动机调速系统具有越来越旺盛的生命 力。 1.2 变频调速技术的概况 根据异步电机的转速公式: (1- 1 1 60 (1)(1) f nnSS p 1) 式中:同步转速;定子频率;磁极对数; 1 n 1 fp 异步电动机的转差率,。S 1 1 nn S n 当极对数 P 不变时,电机转子转速 n 与定子电源频率成正比,因此连续的改 1 f 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 2 变供电电源的频率,就可以连续平滑地调节电动机的转速,这种调速方法称为变频 调速。 由于采用了可变频率、可调电压的交流电源向电机供电,实现了电机的转速调
14、 节,并在快速性、正反转控制和制动等方面的技术难点均得到了有效的解决之后, 变频调速形成了调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点,故可以方便地实 现恒转矩或恒功率调速,而且它的整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速 十分相似,可与直流调速相媲美。随着电力半导体的发展,交流变频技术开始成熟 并进入实用化,从而彻底改变了交流电动机所受的应用限制,逐渐成为了传动领域 的主流。目前变频调速己成为异步电动机最主要的调速方式,在很多领域都获得了 广泛的应用,随着一些新技术新理论在异步电动机变频调速中的应用,如矢量控制、 无速度传感器技术等,它将向更高性能、更大容量以及智能化等方向发展。 1.3 变
15、频器的概况3 变频器是异步电动机变频调速的控制装置。变频器最早的形式是用旋转发电机 组作为可变频率电源,供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展,静止式的变 频电源成为了变频器的主要形式。变频器种类很多,下面根据不同分类方法对其进 行简单介绍。 单相 按相数分 三相 有环流 交交变频器按环流情况分 无环流 方波 按输出波形分 正弦波 电压型 按储能方式分 电流型 交直交变频器 脉幅调制 按调压方式分 脉宽调制 1.交交变频器 单相交交变频器的原理框图如图 1la 所示。它只有一个变换环节就可以 把恒压恒频(CVCF)的交流电源转换为变压变频(VVVF)的电源,因此,称为直接变 频器,或称为交交
16、变频器。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 3 图 1-1 交-交变频器 2.交直交变频器 交变频器又称为间接变频器,它是先将工频交流电通过整流器变成直流电,再 经逆变器将直流电变成频率和电压可调的交流电。 整流逆变 DCAC AC 50Hz 图 1-2 交-直-交变频器 (1)电压型变频器 在电压型变频器中,整流电路产生的直流电压,通过电容 进行滤波后供给逆变电路。由于采用大电容滤波,故输出电压波形比较平直,在 理想情况下可以看成一个内阻为零的电压源,逆变电路输出的电压为矩形波或阶 梯波。 (2)电流型变频器 当交直交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时电流 波形比较平直,因而电源内阻很大,
17、对负载来说基本上是一个电流源,逆变电路 输出的电流为矩形波。电流型变频器适用于频繁可逆运转的变频器和大容量的变 频器中。 (3) 根据调压方式的不同,交直交变频器又分为脉幅调制和脉宽调制两种。 脉幅调制(PAM) PAM(Pulse Amplitude Modulation)方式,是一种改变电压源 的电压或电流源的电流的幅值进行输出控制的方式。因此,在逆变器部分只控 d E d I 制频率,整流器部分只控制电压或电流。 脉宽调制(PWM)。PWM(Pulse width Modulation)方式,指变频器输出电压 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4 的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的
18、。目前使用最多的是占空比按正弦规 律变化的正弦波脉宽调制方式,即 SPWM 方式。 1.4 变频器的应用 变频调速已被公认为最理想、最有发展前途的调速方式之一,它的应用主要在 以下几个方面。 1变频器在节能方面的应用 风机、泵类负载采用变频调速后,节电率可以达到 2060,这是因为风机、 泵类负载的耗电功率基本与转速的三次方成比例。当用户需要的平均流量较小时, 风机、泵类采用变频调速使其转速降低,节能效果非常可观。而传统的风机、泵类 采用挡板和阀门进行流量调节,电动机转速基本不变,耗电功率变化不大。目前应 用较成功的有恒压供水、各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。一些家用电器, 如冰箱、空调
19、采用变频调速,也取得了很好的节能效果。 2变频器在自动化系统中的应用 由于变频器内置有 32 位或 16 位的微处理器,具有多种算术逻辑运算和智能控 制功能。输出频率精度高达 01001,还设置有完善的捡测、保护环节, 因此在自动化系统中获得广泛的应用。例如,化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导 丝;玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机;电弧炉自动加 料、配料系统以及电梯的智能控制等。 3变频器在提高工艺水平和产品质量方面的应用 变频器还可以广泛应用于传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域, 它可以提高工艺水平和产品质量。减少设备的冲击和噪声,延长设备的使用寿命。 使机械系
20、统简化,操作和控制更加方使,有的甚至可以改变原有的工艺规范,从而 提高了整个设备的功能。 1.5 通用变频器的发展 进入 90 年代,通用变频器以其优异的控制性能,在调速领域独树一帜,并在工 业领域及家电产品中得到迅速推广。此时,变频技术和变频器制造已经从一般意义 的拖动技术中分离出来,成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先 的阵地,各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、财力,使之目前 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 5 己经进入了高新技术行业。 1.5.1 关于功率器件 变频器的主电路不论是交直交变频还是交交变频形式,都是采用电力电 子器件作为开关器件。因此,电力电
21、子器件是变频器发展的基础。 第一代电力电子器件是晶闸管,晶闸管是电流控制型开关器件,只能通过门极 控制其导通而不能控制其关断,所以也称为半控器件。由晶闸管组成的变频器工作 频率较低,应用范围很窄。 第二代电力电子器件是以门极可关断(GTO)晶闸管和电力晶体管(GTR)为代表。 这两种是电流型自关断器件,可方便地实现逆变和斩波,然而,其开关频率仍然不 高,一般在 2kHz 以下。 第三代电力电子器件是以电力 MOS 场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶 体管(IGBT)为代表。这两种是电压型自关断器件,栅极信号功率小,其开关频率可 达到 20kHz 以上,低压变频器的容量在 380V 则
22、达到了 540V;最高输出频率可达 400600Hz,能对中频电动机进行调频控制。利用 IGDT 构成的高压 (3KV63KV)变频器最大容量可达 7460kW。 第四代是以智能功率模块(IPM)为代表,IPM 是以 IGBT 为开关器件,但集成有 驱动电路和保护电路。由 IPM 组成的逆变器只需对桥臂上各个 IGBT 提供隔离的 PWM 信号即可。而 IPM 的保护功能有过电流、短路、过电压、欠电压和过热等, 还可以实现再生制动。简单的外部控制电路,使变频器的体积、重量和连线大为减 少,而功能大为提高,可靠性也大为增加。 1.5.2 关于控制方式4 1Uf 控制变频器 Uf 控制即恒压/频比
23、控制。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进 行控制,通过保持 Uf 恒定使电动机获得所需的转矩特性。这种方式控制电路成本 低,多用于精度要求不高的通用变频器。 2SF 控制变频器 SF 控制即转差频率控制,是在 Uf 控制基础上的一种改进方式。采用这种控 制方式,变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调值系统。当电机稳定 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 6 运行时, 很小,因而很小,在这个范围内只要气隙磁通不变,异步电机转矩就s s w 近似与转差频率成正比。通过控制转差频率就可以控制转矩,这就是转差频率控 s w 制的基本概念。 转差频率控制系统的突出优点就在于频率控制环节的
24、输入是转差信号,而频率 信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的,这样,在转速变化过程中,实际 频率随着实际转速同步上升下降。这使得加、减速更平滑,使系统更稳定。但动态 中磁通不会恒定,影响了系统实际动态性能。在频率控制环节中,偏差和干扰都以 正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。 鉴于基本型转差频率控制系统存在的问题,学者们又提出了许多改进方案,最 突出最具有革命性的方案当属矢量控制系统。 3VC 变频器 异步电机经过坐标变换可以等效成直流电动机,那么,模仿直流电动机的控制 方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电动机 了。由于进行坐标变换的是电流(代
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