畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于igbt的無(wú)觸點(diǎn)自動(dòng)有載調(diào)壓配電變壓器的研究

1、基于IGBT的無(wú)觸點(diǎn)自動(dòng)有載調(diào)壓配電變壓器的研究摘要變壓器的自動(dòng)有載調(diào)壓是穩(wěn)定負(fù)載電壓的最有效方式之一。機(jī)械式有觸點(diǎn)分接開關(guān)由于造價(jià)高，性能差不適合配電變壓器。本文介紹了應(yīng)用IGBT作為分接開關(guān)的自動(dòng)有載調(diào)壓配電變壓器的構(gòu)成，自動(dòng)有載調(diào)壓原理，變換分接頭過(guò)程中環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理和限流措施以及限制諧波方法。經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了調(diào)高電壓和調(diào)低電壓具有不同的環(huán)流發(fā)展機(jī)理以及電力電子元件應(yīng)用在有載調(diào)壓中實(shí)際上不產(chǎn)生諧波的結(jié)論。關(guān)鍵詞：IGBT 有載調(diào)壓 諧波污染 分接開關(guān) AbstractAutomatic on-load voltage regulation of a transformer

2、is an effective method to stabilize load voltage. A machine-contact, tap-changing switch is not adequate for a distributing transformer because of its high cost and low capability. This paper presents the structure and automatic on-load, voltage-regulating principle of a distributing transformer whi

3、ch employs a IGBT as a non-contact, automatic on-load voltage-regulating, tap -changing switch. The generation mechanism and limiting measure of circular current that occur in the process of switching a tap joint and the harmonic suppressing method are also introduced. By theoretical analysis and ex

4、perimental verification, it is concluded that this method has a different process of circular current occur when voltage is regulated to a higher or lower value. It also shown that application of power electronic components in on-load voltage regulation not can generate harmonics. Key words: IGBT，on

5、-load voltage regulation， harmonic pollution ，tap -changing switch 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc137712751 摘要 PAGEREF _Toc137712751 h I HYPERLINK l _Toc137712752 Abstract PAGEREF _Toc137712752 h II HYPERLINK l _Toc137712753 目錄 PAGEREF _Toc137712753 h III HYPERLINK l _Toc137712754 1前言 PAGEREF _T

6、oc137712754 h 1 HYPERLINK l _Toc137712755 2有載調(diào)壓的意義及國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 PAGEREF _Toc137712755 h 2 HYPERLINK l _Toc137712756 2.1 研究的目的和意義 PAGEREF _Toc137712756 h 2 HYPERLINK l _Toc137712757 國(guó)外發(fā)展概況 PAGEREF _Toc137712757 h 2 HYPERLINK l _Toc137712758 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 PAGEREF _Toc137712758 h 3 HYPERLINK l _Toc137712759 的特點(diǎn) PA

7、GEREF _Toc137712759 h 4 HYPERLINK l _Toc137712760 4.無(wú)觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的主電路及調(diào)壓過(guò)程 PAGEREF _Toc137712760 h 5 HYPERLINK l _Toc137712761 4.1 無(wú)觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的主電路 PAGEREF _Toc137712761 h 5 HYPERLINK l _Toc137712762 改變分接頭時(shí)調(diào)節(jié)繞組環(huán)流狀況的理論分析 PAGEREF _Toc137712762 h 7 HYPERLINK l _Toc137712763 4 .3根據(jù)理論及試驗(yàn)結(jié)果提出的設(shè)想 PAGERE

8、F _Toc137712763 h 11 HYPERLINK l _Toc137712764 諧波問題及其解決方法 PAGEREF _Toc137712764 h 11 HYPERLINK l _Toc137712765 5 IGBT選擇及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137712765 h 12 HYPERLINK l _Toc137712766 5.1 IGBT的選擇 PAGEREF _Toc137712766 h 12 HYPERLINK l _Toc137712767 驅(qū)動(dòng)電路保護(hù) PAGEREF _Toc137712767 h 12 HYPERLINK l _Toc137

9、712768 6 單片機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137712768 h 14 HYPERLINK l _Toc137712769 6.1 DSP芯片的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137712769 h 14 HYPERLINK l _Toc137712770 6.1.1 DSP的選擇 PAGEREF _Toc137712770 h 14 HYPERLINK l _Toc137712771 6.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 PAGEREF _Toc137712771 h 14 HYPERLINK l _Toc137712772 6.1.3 硬件電路的設(shè)計(jì) PA

10、GEREF _Toc137712772 h 15 HYPERLINK l _Toc137712773 6.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137712773 h 15 HYPERLINK l _Toc137712774 7結(jié)論 PAGEREF _Toc137712774 h 17 HYPERLINK l _Toc137712775 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc137712775 h 18 HYPERLINK l _Toc137712776 致謝 PAGEREF _Toc137712776 h 191前言變壓器的有載自動(dòng)調(diào)壓是穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的最有效的措施之一，目前人們通常采用機(jī)械

11、式有觸點(diǎn)式自動(dòng)分接開關(guān)。這種開關(guān)改變分接頭時(shí)因產(chǎn)生電弧必須安裝在獨(dú)立的油箱中，且不適合頻繁操作。Cooke G H采用晶閘管作為輔助開關(guān)的有載調(diào)壓分接開關(guān) ，解決了切換分接頭產(chǎn)生電弧的問題，但是這種結(jié)構(gòu)的分接開關(guān)仍然存在機(jī)械部分，調(diào)節(jié)速度慢、不能頻繁操作的缺點(diǎn)并沒有改變。輔助變壓器與主變壓器一次側(cè)串聯(lián)，通過(guò)由晶閘管改變輔助變壓器二次側(cè)分接頭進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。這種調(diào)壓方法雖然調(diào)節(jié)快，無(wú)電弧當(dāng)由于需要復(fù)雜的輔助變壓器和大容量的晶閘管，因造價(jià)高而限制了這種有載調(diào)壓開關(guān)的應(yīng)用。由于性能和造價(jià)原因，都不適合配電變壓器。電力電子元件易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制和具有關(guān)斷與導(dǎo)通變換快，變換過(guò)程中不產(chǎn)生電弧等優(yōu)點(diǎn)。將其作為

12、變壓器的有載分接開關(guān)將具有造價(jià)低，壽命長(zhǎng)，可頻繁調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹一種基于IGBT作為分接開關(guān)的有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器。2有載調(diào)壓的意義及國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況2.1 研究的目的和意義 本課題研制的應(yīng)用IGBT實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能的變壓器，能夠穩(wěn)定380/220V的低壓配電系統(tǒng)，它可以根據(jù)負(fù)載電壓的波動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器的輸出電壓，使負(fù)載能夠始終工作在其額定電壓附近，使用電設(shè)備具有良好的效率。 變壓器有載調(diào)壓的意義體現(xiàn)在以卜三個(gè)方面: (1)保證電壓質(zhì)量 采用有載調(diào)壓設(shè)備能獲得穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電壓，而處于穩(wěn)定額定值的電壓能使供電設(shè)備正常作。電壓偏移過(guò)大將影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，甚至損害設(shè)備。例如電壓太低，變

13、壓器出力將低于額定值;而電壓太高會(huì)使變壓器產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁空載涌流很大，差動(dòng)繼電器誤動(dòng)作，斷路器跳閘。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在電壓降低10%時(shí)，起動(dòng)和最大轉(zhuǎn)矩卜降19%，轉(zhuǎn)差率增大23%溫升上升7%;當(dāng)電容器電壓降低10%時(shí)，無(wú)功降低19%;當(dāng)白熾燈電壓增加10%，壽命將降低70%，氣體放電燈壽命將降低20%。因此保證電壓質(zhì)量是很重要的。 (2)聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)和調(diào)節(jié)負(fù)載潮流 聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)可提高可靠性和經(jīng)濟(jì)性，而電網(wǎng)并列條件之一，必須調(diào)節(jié)電壓使之相等或接近。而系統(tǒng)中的無(wú)功潮流總是電壓較高端流向電壓較低端，這樣調(diào)節(jié)電壓可以調(diào)節(jié)負(fù)載潮流，挖掘設(shè)備有功和無(wú)功潛力。 (3)節(jié)約用電和減少設(shè)備事故在電化工、電冶煉工業(yè)中使用的電爐變壓器

14、、整流變壓器，還有鐵道電氣化用的變壓器、移動(dòng)電站緊急供電用變壓器，電子工業(yè)、醫(yī)學(xué)專業(yè)、軍工等電源變壓器，采用有載調(diào)壓設(shè)備都能獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益或提高供電的可靠性。 對(duì)于有載分接開關(guān)，國(guó)外從二十一世紀(jì)初期開始研制，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，技術(shù)性能、使用壽命、切斷容量等逐年提高，從而使有載分接開關(guān)得到了日益廣泛的應(yīng)用。到60年代國(guó)際電工委員會(huì)第14次變壓器委員會(huì)增設(shè)了有載分接開關(guān)委員會(huì)，著手制定分接開關(guān)的國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在此以后，隨著有載分接開關(guān)的不斷完善，大約每隔十年左右，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一次提高要求的修改工作。 到現(xiàn)在許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，如美國(guó)、日本、德國(guó)采用有載調(diào)壓的電力變壓器已經(jīng)達(dá)到或接近于總?cè)萘康陌俜种?/p>

15、百。 國(guó)內(nèi)配電變壓器目前還沒有自動(dòng)穩(wěn)壓功能。采用無(wú)載調(diào)壓方式的配電變壓器，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，必須人工停電后，手動(dòng)改變變壓器的分接頭，改變分接頭后必須測(cè)量其接觸電阻，所以，實(shí)際運(yùn)行的變壓器分接頭根本不變，以至380/220V電網(wǎng)電壓非常不穩(wěn)定。 隨著大功率高電壓電力電子元件的出現(xiàn)和單片機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及其低廉的價(jià)格，為采用無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)白動(dòng)調(diào)節(jié)分接頭，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓提供了必要的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)，所以，發(fā)展自動(dòng)穩(wěn)壓變壓器是配電變壓器的發(fā)展趨勢(shì)。IGBT實(shí)際上是一種典型的雙極MOS復(fù)合型功率器件，是在功率MOSFET工藝技術(shù)基礎(chǔ)上的產(chǎn)物。IGBT 既具有功率MOSFET的高速開關(guān)及電壓驅(qū)動(dòng)特

16、性，又具有雙極型晶體管的低飽和電壓特性及易實(shí)現(xiàn)較大電流能力。 IGBT 將BJT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引入到VDMOS的高阻漂移區(qū)，大大改善了器件的導(dǎo)通性，同時(shí)他還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗，開通和關(guān)斷時(shí)均具有較寬的安全工作區(qū)。 IGBT 所能應(yīng)用的范圍基本上代替了傳統(tǒng)的晶閘管（SCR）可關(guān)斷晶閘管（GTO）以及晶體管（BJT）。 IGBT 是新型電力電子主流器件，在設(shè)計(jì)上講MOS和雙極型晶體管結(jié)合起來(lái)，在性能上兼有雙極型器件壓降小，電流密度大和MOS器件開關(guān)快，頻率特性好的雙重優(yōu)點(diǎn)。IGBT的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論在導(dǎo)通還是短路的狀態(tài)下都可以承受電流沖擊。目前，IGBT 的最高水平為：?jiǎn)喂埽?000A

17、/5000V；模塊，1200A/3300V，工作頻率為1820kHz。4.1 無(wú)觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的主電路本裝置由變壓器本體、無(wú)觸點(diǎn)分接開關(guān)、環(huán)流限制電路、控制單元組成。其主電路接線圖如圖4-1所示。圖4-1 主電路接線圖圖中，w10為變壓器的高壓側(cè)基本工作繞組，只要通電就在工作；w11，w12為高壓側(cè)調(diào)解繞組；w2為配電變壓器低壓側(cè)繞組；IGBTi(i=1,2,3,4)為制作成過(guò)零型IGBT，通過(guò)檢測(cè)電壓電流波形使交流電壓過(guò)零時(shí)導(dǎo)通，控制電壓為零時(shí)，交流電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷的特性；RX為環(huán)流限制電阻RX，只有在變換工作分接頭的過(guò)程中才接入回路中。單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用是檢測(cè)配電變壓器的輸出電

18、壓，根據(jù)預(yù)定程序發(fā)出控制指令；CB為測(cè)量變壓器，給監(jiān)控系統(tǒng)提供電源和測(cè)量信號(hào)。B有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程配電變壓器上電前監(jiān)控系統(tǒng)由蓄電池供電，使T3處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)變壓器合閘后，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)配電變壓器的輸出電壓，如果電壓超過(guò)允許波動(dòng)范圍，則進(jìn)入自動(dòng)有載調(diào)壓程序。自動(dòng)有載調(diào)壓流程圖如圖4-2所示。數(shù)據(jù)獲取NU2NNYNYU2NNNT1 導(dǎo)通T4 導(dǎo)通Y過(guò)零檢測(cè)過(guò)零檢測(cè)觸發(fā)T2觸發(fā)T2NNT3 導(dǎo)通T3 導(dǎo)通YY關(guān)斷 T4關(guān)斷 T1關(guān)斷 T3關(guān)斷T3觸發(fā) T3觸發(fā) T3觸發(fā) T1觸發(fā) T4關(guān)斷 T2關(guān)斷 T2圖4-2 自動(dòng)有載調(diào)壓流程圖從圖2可以看出，每次都是先將限流電阻RX

19、串入分接頭變換回路，然后再開始分接頭的變換，這樣可以起到限制環(huán)流值的作用。改變分接頭時(shí)調(diào)節(jié)繞組環(huán)流狀況的理論分析由分接頭變換過(guò)程中各IGBT的動(dòng)作順序可以看出，在變換過(guò)程中調(diào)節(jié)繞組與IGBT將形成閉合回路，從而在這個(gè)回路中產(chǎn)生環(huán)流，如果環(huán)流超過(guò)允許值將造成IGBT的損壞。環(huán)流的大小與回路的阻抗和變壓器高壓側(cè)的功率因數(shù)有關(guān)，越小，環(huán)流越大。試驗(yàn)用變壓器為S950kVA/10kV節(jié)能配電變壓器，高壓側(cè)靠近中性點(diǎn)側(cè)有和三個(gè)分接頭。當(dāng)變壓器一次側(cè)線電壓為額定電壓10kV，電流為額定電流A，T3導(dǎo)通，其余IGBT關(guān)斷，工作繞組為w10，w11兩個(gè)繞組的串聯(lián)時(shí)，變壓器二次側(cè)的線電壓為額定電壓400V，在額

20、定狀態(tài)下工作。變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)，短路損耗W，空載電流百分?jǐn)?shù)，空載損耗W。由此計(jì)算出折算到高壓側(cè)變壓器等值阻抗為，其中等值電阻為，等值電抗。下面以變壓器原工作在分接頭，假設(shè)RX=0,分析改變分接頭過(guò)程中環(huán)流的產(chǎn)生發(fā)展機(jī)理。當(dāng)變壓器輸出電壓低于允許值時(shí)，工作分接頭將從轉(zhuǎn)換。在T1導(dǎo)通到T2關(guān)閉這段時(shí)間，調(diào)節(jié)繞組w11與T1和T2形成閉合回路，產(chǎn)生環(huán)流?？捎脠D3的等效電路來(lái)計(jì)算（本電路也適用與分接頭由到的 變換）。圖中Xw11和Rw11分別為變壓器一次側(cè)w11段調(diào)節(jié)繞組的等效電抗和電阻，K為T1的等效開關(guān)，uw11為回路的等效電源電壓。設(shè)繞組是均勻的，則根據(jù)繞組電阻與匝數(shù)成正比，電抗與匝數(shù)的平

21、方成正比的關(guān)系，并考慮到現(xiàn)在是串聯(lián)工作，計(jì)算出圖4-3改變分接頭時(shí)的等效電路，。接近于一次側(cè)相電壓的5，即。圖4-3的回路電壓方程為5： （1）方程式1的解為： （2）式中 為回路電流的穩(wěn)態(tài)分量，如果取 則 （3）為回路電流的暫態(tài)分量為 （4）所以 （5）式5中的A與變換分接頭前一次側(cè)的功率因數(shù)角和電流值有關(guān)。取，得時(shí)，。圖3中i的正方向與正方向相反，所以歸算到圖3中，在時(shí)， 所以 （6）為了便于觀察T1導(dǎo)通前后流過(guò)T2中電流變化趨勢(shì)，這里以虛線形式畫出了與圖4-3中電流方向一致的流過(guò)T2中的電流。根據(jù)式6畫出的環(huán)流波形如圖4-4所示。圖4-4 調(diào)高電壓時(shí)環(huán)流波形圖由圖可見，在T1導(dǎo)通后，流過(guò)

22、T2中的電流由（與圖4-3中電流正方向相同）迅速增大，達(dá)到im后逐漸變小，當(dāng)時(shí)T2關(guān)斷。在調(diào)高電壓過(guò)程中，T2關(guān)斷前有過(guò)流出現(xiàn)。當(dāng)輸出電壓高于允許值時(shí)，要將工作分接頭調(diào)到。此時(shí)仍可用圖4-3等效電路計(jì)算環(huán)流i，其中K為T4等效開關(guān)，回路參數(shù)變?yōu)閣12的參數(shù)。如果仍然取，因?yàn)閣11=w12，所以回路參數(shù)值不變，環(huán)流表達(dá)式也與式5相同，。T4導(dǎo)通前后，T2的電流方向不變，所以，時(shí) 波形如圖4-5所示。圖4-5 調(diào)低電壓時(shí)環(huán)流波形圖由圖4-5可見，與調(diào)高電壓分接頭轉(zhuǎn)換過(guò)程中，T1導(dǎo)通后環(huán)流i向最大值方向變化不同，這里在T4導(dǎo)通后，環(huán)流i（T2中電流）由快速向過(guò)零點(diǎn)變化。當(dāng)時(shí)，T2關(guān)斷。在T2關(guān)斷以前

23、環(huán)流i沒有達(dá)到最大值，即這個(gè)變換過(guò)程中，沒有大的環(huán)流產(chǎn)生。由理論分析可以得出結(jié)論，在調(diào)高輸出電壓和調(diào)低輸出電壓時(shí)，環(huán)流的發(fā)展機(jī)理是不同的。前者在分接頭轉(zhuǎn)換過(guò)程中由過(guò)流產(chǎn)生，過(guò)流值與回路的阻抗有關(guān)，后者在分接頭轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)論回路的阻抗多大都沒有過(guò)流的產(chǎn)生。這個(gè)結(jié)論在實(shí)驗(yàn)室也得到了驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)室，用011kV的交流調(diào)壓器從0V開始給樣機(jī)分級(jí)加壓，每級(jí)1kV。在調(diào)高輸出電壓分接頭的轉(zhuǎn)換過(guò)程中高壓側(cè)加3kV電壓，就出現(xiàn)過(guò)流，導(dǎo)致保險(xiǎn)熔斷。而在輸出電壓由高向低調(diào)時(shí)，當(dāng)一次側(cè)電壓高達(dá)11kV時(shí)也沒有出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。因?yàn)檎{(diào)高輸出電壓過(guò)程中有過(guò)流的產(chǎn)生，且過(guò)流值與回路電阻有關(guān)，所以必須在分接頭變換過(guò)程中在回路串

24、入限流電阻，即RX不能為零。RX的串入不但減小了環(huán)流穩(wěn)態(tài)分量的幅值，也使回路的時(shí)間常數(shù)變小，加快了環(huán)流i的暫態(tài)分量i”的衰減，降低了i”對(duì)過(guò)流幅值的影響。當(dāng)取RX時(shí)，說(shuō)明在1.6ms后，暫態(tài)分量已衰減為零，大小取決于穩(wěn)態(tài)分量。此時(shí)A本樣機(jī)采用200AIGBT，安全系數(shù)接近4，試驗(yàn)和樣機(jī)運(yùn)行均表明這鐘選擇滿足安全的要求。4 .3根據(jù)理論及試驗(yàn)結(jié)果提出的設(shè)想本裝置是把IBGT制作成過(guò)零元件，但I(xiàn)GBT本身不具有過(guò)零的特性，這就為實(shí)際的應(yīng)用帶來(lái)了很多困難。在改變分接頭的過(guò)程中，調(diào)高電壓和降低電壓變換分接頭過(guò)程中環(huán)流的變化規(guī)律不同。前者的環(huán)流是經(jīng)過(guò)幅值以后過(guò)零的，因而必須在變換回路串接限流電阻；后者的

25、環(huán)流不經(jīng)過(guò)幅值就過(guò)零，不產(chǎn)生過(guò)流，因而變換回路可以不串接限流電阻。根據(jù)試驗(yàn)得出的這個(gè)結(jié)論，又由于IGBT有較高的集射電壓和電流。在調(diào)高電壓的過(guò)程中在T2 接入電路后直接進(jìn)行切換，因?yàn)镮GBT有能力開斷200A的電流，所以只要保證di/dt，du/dt在允許范圍內(nèi)，就能可靠的關(guān)斷。只要驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的合理，完全能夠達(dá)到技術(shù)要求。在理論上，由于IGBT在電壓小于3.0V時(shí)具有非線性，在交流電壓過(guò)零時(shí)，控制脈沖不同步觸發(fā)，造成IGBT在零點(diǎn)附近不導(dǎo)通，造成交流電壓不連續(xù)。進(jìn)而產(chǎn)生諧波。由計(jì)算可知，電力電子元件非線性只在交流電壓過(guò)零附近的4區(qū)域產(chǎn)生的諧波，其值很小完全可以忽略。采用電壓過(guò)零導(dǎo)通IGBT的

26、控制技術(shù)，只要一直保持控制電壓的存在就可保證其連續(xù)導(dǎo)通。因而諧波問題得以解決。5 IGBT選擇及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)5.1 IGBT的選擇賽米控SEMiXTM-IGBT系列模塊結(jié)構(gòu)緊湊，接口簡(jiǎn)單的IGBT模塊是設(shè)計(jì)性價(jià)比較高的裝置所必備的。SEMiXTM包括600V，1200V，1700V的三個(gè)電壓等級(jí)。根據(jù)前面計(jì)算的結(jié)果，選擇1700V這個(gè)等級(jí)。IGBT驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)圖5-1 IGBT模塊由于IGBT不適宜長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，所以只有在分接開關(guān)工作時(shí)IGBT才投入使用。在切換結(jié)束后退出工作狀態(tài)。這樣可以延長(zhǎng)IGBT的使用壽命。驅(qū)動(dòng)電路的要求IGBT作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過(guò)流時(shí)可能發(fā)生鎖定

27、現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過(guò)流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過(guò)高的電流變化率會(huì)引起過(guò)電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是十分必要的。 IGBT 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求根據(jù)IGBT的特性，它的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該滿足以下要求：（l）IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)，具有一個(gè)5V的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此，IGBT 對(duì)柵極電荷非常敏感，這就要求驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT 的連線要盡量短。（2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓Vge有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT 開通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠

28、的功率使IGBT處于飽和狀態(tài)，否則IGBT容易遭到損壞。（3）驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾十千赫茲的脈沖信號(hào)。（4）驅(qū)動(dòng)電平Vge也必須綜合考慮。Vge 增大時(shí)，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的Ic增大，IGBT能承受短路電流的時(shí)間減小，對(duì)其安全不利，因此在有短路過(guò)程的設(shè)備中Vge應(yīng)選得小些，一般為1215V。（5）在關(guān)斷過(guò)程中，為盡快抽取PNP管的存儲(chǔ)電荷，須施加一負(fù)偏Vge，但它受IGBT的G、E間最大反向耐壓限制，一般取-1-10V。（6）在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時(shí)間不能太短，以限制di / dt形成的尖峰電壓，確保IGBT 的安全。（7）由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高

29、壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。（8）IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。根據(jù)選用IGBT型號(hào)，參數(shù)。采用IGD508/IGD515驅(qū)動(dòng)1700V/300A 的實(shí)用電路，該電路采用公司和系列器件。腳開路，驅(qū)動(dòng)為正常工作模式，一旦出現(xiàn)故障，關(guān)斷。腳INV接地，所以信號(hào)沒有被反向。36腳CQ的電容產(chǎn)生大約1us識(shí)別脈沖，當(dāng)Cme=56nF，Ref=75歐時(shí)，響應(yīng)時(shí)間大約是7us，響應(yīng)閾值大約是額定電流的兩倍。電路圖5-2如下:圖5-2 IDG508E/IDG515E應(yīng)用電路6 單片機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)DSP 芯片的應(yīng)用領(lǐng)域非

30、常廣泛,可以說(shuō)只要用到數(shù)字信號(hào)處理的領(lǐng)域,DSP 技術(shù)都將得到研究應(yīng)用和發(fā)展,電力系統(tǒng)更不能例外,DSP 在電力系統(tǒng)中有著很廣泛的應(yīng)用前景。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,電力網(wǎng)容量不斷增大,結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,電力系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度的自動(dòng)化就顯得十分重要,而幾乎所有監(jiān)測(cè)、分析、控制、信號(hào)傳送都需要先將電力系統(tǒng)中的大電流、電壓等交流信號(hào),經(jīng)過(guò)互感器和 A/D 轉(zhuǎn)換變成微機(jī)可接受和處理的數(shù)字信號(hào),有些需要輸出用以控制的話,還要將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 D/A 或PWM 處理。而這正是 DSP 的優(yōu)勢(shì)所在。6.1 DSP芯片的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì) DSP的選擇隨著對(duì)信號(hào)處理要求的不斷提高以及DSP技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP

31、 在電子工業(yè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。美國(guó)TI 公司的TMS320VC54x系列 DSP 具有運(yùn)算速度快，功耗小和性價(jià)比高的特點(diǎn),已在個(gè)人通訊、信號(hào)與信息處理以及自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該芯片提供了與外部設(shè)備進(jìn)行通訊的接口,它與串口A/ D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性好的特點(diǎn)。本裝置選用Ti 公司C54 系列DSP。6.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇綜合考慮器件的轉(zhuǎn)換速度、分辨率、應(yīng)用所需的采樣率、同時(shí)采樣、集成采樣保持器等等因素，最后在設(shè)計(jì)中我們選擇了比較熟悉的 MAX125。它具有以下特點(diǎn)：（1）高達(dá) 14 位的分辨率，具有比較高的精度。（2）捕獲時(shí)間

32、和轉(zhuǎn)換時(shí)間較短。MAX125 每個(gè)通道最短捕獲時(shí)間是 1 s ，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 3s ，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的采樣率。（3）內(nèi)部集成了四個(gè)采樣保持器和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，四個(gè)通道雖然不是同時(shí)轉(zhuǎn)換的，但最后轉(zhuǎn)換的是同一個(gè)時(shí)刻的值，能夠準(zhǔn)確測(cè)量功率。（4）支持雙極性輸入( 5v)，不用加偏置電壓。（5）模擬量輸入口具有過(guò)電壓保護(hù)功能，當(dāng)輸入電壓超過(guò)它的量程范圍時(shí)不會(huì)對(duì)芯片造成危害。（6）片內(nèi)集成了+2.5V 基準(zhǔn)電壓源。（7）14 位高速并行數(shù)字接口。 硬件電路的設(shè)計(jì)本裝置采用分板型式，即主要由母板和 CPU 板組成，CPU 板通過(guò)長(zhǎng)插針插在母板上，電源、PT/CT、開出繼電器、光隔以及出線端子等元件都放在母板上，且端子放置于母板同一側(cè)以滿足現(xiàn)場(chǎng)特殊的安裝需要。根據(jù)本裝置功能，可以確定裝置的電路包含以下模塊：處理器系統(tǒng)（核心模塊）；模擬量采集及 A/D 轉(zhuǎn)換模塊；開關(guān)量輸出控制模塊； 看門狗電路，電源等。系統(tǒng)硬件如下圖6-1所示：看門狗開入/開出存儲(chǔ)器TMS320VC54x模擬量輸入PT/CTA/D轉(zhuǎn)換MAX125JTAG電源通用IO口ONCE片內(nèi)集成Flash/Ram圖6-1 系統(tǒng)硬件圖6.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)整個(gè)程序從結(jié)構(gòu)上看，主要包括一個(gè)無(wú)限循環(huán)的主程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序和可供調(diào)用的功能模塊組成。定時(shí)中斷