異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教材

1、 第 51 頁畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）材料題 目： 異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： xxx 學(xué)生學(xué)號： xxxxxxxxx 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 屆 別： 2012屆 指導(dǎo)教師： xxx 異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生：xxx指導(dǎo)教師：xxx摘 要：本文對變頻調(diào)速理論、逆變技術(shù)、SPWM產(chǎn)生原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)字化三相SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，以8051控制專用集成芯片 SA4828為控制核心，采用IGBT作為主功率器件，同時(shí)采用EXB840構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數(shù)接近1，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較

2、簡單。本文在控制上采用恒控制，同時(shí)，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運(yùn)行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。此外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，完成了整個(gè)系統(tǒng)控制部分的軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字：變頻調(diào)速；正弦脈寬調(diào)制；控制；SA4828波形發(fā)生器Induction motor speed-adjusted system designThe student：xxxThe teacher：xxxxxxElectronic information and engineering institute from Huainan Normal Unive

3、rsityAbstract:This thesis has a research on these technologies: Variable Voltage Variable Frequency motor drive, inverter, and the creation principle of SPWM, Based on the results of the study, I designed a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 controlled

4、by 8051 as main controlling core, it uses IGBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting circuit unit, which makes power factor close to 1. Because I only need to control inverter, the whole circuit is very simple.I adopt the means of linear operation. At the same time,

5、 it is very convenient to input parameters or change the drives operating mode due to the software procedure. Moreover, owing to the advantages of the new integrated parts, it costs less time to develop this motor drive.This thesis has also detail introduced the method of the usage and the programs

6、of the three phases SPWM wave generator SA4828. The software and the hardware of the control part in system have been completed.Keywords: variable frequency speed control；Sine Pulse Width Modulation (SPWM)；operation； SA4828 Wave Generator目 錄第一章 緒論31 課題的研究現(xiàn)狀和意義32 變頻器的動態(tài)發(fā)展趨勢4第二章 方案設(shè)計(jì)52.1 變頻器的主電路方案52.2

7、 系統(tǒng)的原理框圖62.3 電動機(jī)原始參數(shù)72.4 異步電機(jī)的工作原理82.4.1 異步電機(jī)的等效電路82.4.2 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩92.4.3 異步電機(jī)的機(jī)械特性102.4.4 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理112.5 變頻調(diào)速的控制方式122.5.1 比恒定控制12第三章 變頻器主電路173.1主電路的工作原理173.2主電路各部分設(shè)計(jì)183.2.1交直電路設(shè)計(jì)183.2.2 直交電路設(shè)計(jì)183.2.3主電路工作原理193.2.4 主電路參數(shù)計(jì)算213.3 IGBT及驅(qū)動模塊介紹223.3.1 IGBT簡介及驅(qū)動223.3.2 EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)233.3.2 IGBT驅(qū)7動電uu路24第四章 控制

8、回路254.1 驅(qū)動電路254.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù)254.1.2 SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳274.1.3 SA4828結(jié)構(gòu)及工作原理284.2 保護(hù)電路304.2.1 過、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)304.2.2 過流保護(hù)設(shè)計(jì)324.3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)33第五章 變頻器軟件設(shè)計(jì)355.1 流程圖355.2 SA4828的編程365.2.1 初始化寄存器編程365.2.2 控制寄存器編程385.3 程序設(shè)計(jì)39第六章 結(jié)論48致謝49參考文獻(xiàn)49第一章 緒論1 課題的研究現(xiàn)狀和意義近年來，電動機(jī)作為主要的動力設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防科技、日常生活等各個(gè)方面，其負(fù)荷約占總發(fā)電量的60%-

9、70%，成為用電量最多的電氣設(shè)備，根據(jù)采用的控制方式不同，電動機(jī)分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩大類。其中交流電動機(jī)形式多樣，用途各異，擁有數(shù)量最多。交流電動機(jī)又分為同步電動機(jī)和異步電動機(jī)兩大類，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，交流電動機(jī)用電量占電機(jī)總用電量的85%左右，可見交流電動機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國民生產(chǎn)中的重要地位。電動機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，一是要使電動機(jī)具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動機(jī)的調(diào)速性能的好壞對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。眾所周知，直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)

10、速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜動態(tài)調(diào)速特性。因此長期以來，在變速傳動領(lǐng)域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，由于直流電動機(jī)的機(jī)械式換向器和電刷存在著諸多弱點(diǎn)，因此有時(shí)直流調(diào)速也受到限制。然而，采用無換向器的交流電動機(jī)組成的交流調(diào)速系統(tǒng)代替直流調(diào)速系統(tǒng)可以突破這些限制，滿足生產(chǎn)發(fā)展對調(diào)速、傳動的各種不同的要求。 20世紀(jì)60年代以后，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和節(jié)省電能的要求，促使世界各國重視交流調(diào)速技術(shù)的研究和開發(fā)。尤其是20世紀(jì)70年代以后，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。大致體現(xiàn)在一下四個(gè)方面：1、電力電子的蓬勃發(fā)展促進(jìn)了交流技術(shù)的迅速發(fā)展和交流調(diào)速系統(tǒng)裝置的現(xiàn)代化。

11、2、脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展與研究。3、矢量交換控制技術(shù)的誕生和發(fā)展，奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ)。4、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)提供了技術(shù)手段和保障異步電機(jī)可以采用調(diào)壓調(diào)速、改變極對數(shù)調(diào)速、串電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等。在交流調(diào)速諸多方式中，變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式，也是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容，變頻裝置有交直交系統(tǒng)和交交系統(tǒng)兩大類。交直交系統(tǒng)在傳統(tǒng)電壓型和電流型變頻器的基礎(chǔ)上正向著脈寬調(diào)制PWM型變頻器和多重化技術(shù)方向發(fā)展，而交交變頻器應(yīng)用于低速大容量可逆系統(tǒng)上升趨勢現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及控制

12、理論的完善、各種工具的日漸成熟，尤其是專用集成電路、DSP和FPGA近來令人矚目的發(fā)展，促進(jìn)了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。目前異步電機(jī)變頻調(diào)速控制已經(jīng)成為一門集電機(jī)、電力電子、自動化、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)字仿真為一體的新興學(xué)科。交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會發(fā)展的需要推動了交流調(diào)速的飛速發(fā)展；現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件。實(shí)踐證明，交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及節(jié)省電能方面帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益?，F(xiàn)在，交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步的代替直流調(diào)速系統(tǒng)，交流調(diào)速系統(tǒng)在電氣傳動領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位已是不爭的事實(shí)。

13、 總之，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必將使之應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，以體現(xiàn)出不同的功能，達(dá)到不同的目的，收到相應(yīng)的效益。因此，本論文通過對變頻器的研究，對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)理論的應(yīng)用，有著實(shí)際的意義和一定的應(yīng)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的題目屬于間接變頻調(diào)速技術(shù)。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。 2 變頻器的動態(tài)發(fā)展趨勢 隨著變頻技術(shù)的不斷的發(fā)展，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能現(xiàn)已在調(diào)速領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。此外，變頻技術(shù)和變頻器制造己經(jīng)從傳統(tǒng)的拖動技術(shù)中分離出來，現(xiàn)已成為各國在工業(yè)自動化和機(jī)電一體化領(lǐng)域

14、中爭強(qiáng)占先的陣地，而發(fā)達(dá)國家更是在該技術(shù)領(lǐng)域投入了極大的人力、物力、財(cái)力，逐步向高新技術(shù)行業(yè)發(fā)展。近年來，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）,使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動裝置；永久磁鐵電動機(jī)也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術(shù)的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個(gè)方面發(fā)展：（1）網(wǎng)絡(luò)智能化智能化的變頻器可以進(jìn)行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動等綜合管理控制系統(tǒng)。（2）專業(yè)化和一體化變頻器的制造專業(yè)化，可以使變頻器在某一領(lǐng)域的性

15、能更強(qiáng)，如風(fēng)機(jī)、水泵、電梯、起重機(jī)械和張力控制專用變頻器等。此外變頻器與電動機(jī)一體化的發(fā)展趨勢，使變頻器成為電動機(jī)的一部分，逐漸向體積小、易控制的方向發(fā)展。（3）適應(yīng)新能源以太陽能和風(fēng)力為能源的燃料電池以其低廉的性能已得到廣泛的應(yīng)用。這些發(fā)電設(shè)備的最大特點(diǎn)是容量小而分散，將來的變頻器就要適應(yīng)這樣的新能源，既要高效，又要低耗。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)。主要表現(xiàn)在交流調(diào)速裝置的大容量化、變頻器的高性能化和多功能化、結(jié)構(gòu)的小型化等方面。第二章 方案設(shè)計(jì)2.1 變頻器的主電路方案 變頻器最早是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源供給交流電

16、動機(jī)。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。（1）交-交型變頻器：是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電壓的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達(dá)到電源頻率的1/31/2,所以不能高速運(yùn)行。（2）交-直-交型變頻器：是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器。它根據(jù)直流

17、部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種： 電流型變頻器：是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。 電壓型變頻器：是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器，作為電壓源向交流電動機(jī)提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。所以本次設(shè)計(jì)中選用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設(shè)計(jì)

18、中，雖然電流型變頻器可以彌補(bǔ)電壓型變頻器在再生制動時(shí)必須加入附加電阻的缺點(diǎn)，并有著無須附加任何設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器。2.2 系統(tǒng)的原理框圖交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示。保護(hù)吸收電路逆變電路供電電源電機(jī)濾波電路整流電路隔離驅(qū)動主電路電流SPWM波生成芯片8051單片機(jī)圖1.1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)各組成部分簡介：供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V，中大功率的采用三相380V電源。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采用中等容量的電動機(jī)，所以采用三相380V電源。整流電路：整流部分將交

19、流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。在本設(shè)計(jì)中采用三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。濾波電路：因在本設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成交流電。本設(shè)計(jì)采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。電流電壓檢測：采集直流端信號，作為過壓、欠壓、過流保護(hù)信號?？刂齐娐罚翰捎?051單片機(jī)和SPWM波生成芯片SA4828，控制電路的主要功能是接受各種設(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。2.3 電動機(jī)原始

20、參數(shù)本設(shè)計(jì)采用中等容量的電動機(jī)，具體數(shù)據(jù)如下：額定功率：； 額定電壓：；額定電流：；額定轉(zhuǎn)速：； 效 率：； 功率因數(shù)：cos=0.85；過載系數(shù)：=2.2； 電壓波動：10%； 極 對 數(shù)：P=2。2.4 異步電機(jī)的工作原理 2.4.1 異步電機(jī)的等效電路異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子能量是通過電磁感應(yīng)而得來的。定子和轉(zhuǎn)子之間在電路上沒有任何聯(lián)系，其電路如圖2.1。圖2.1異步電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子圖圖2.1中參數(shù)：定子的相電壓；定子的相電流； 定子每相繞組的電阻和漏抗； 、分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗； 每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的。其有效值可計(jì)算如下： （2-1） 式中

21、: 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值；定子頻率；定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；基波繞組系數(shù)；極氣隙磁通。由電動機(jī)的基礎(chǔ)知識可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率 ，與轉(zhuǎn)差率成正比，所以轉(zhuǎn)子回路中的各電量也都與轉(zhuǎn)差率成正比。為了方便定量分析定、轉(zhuǎn)子之間的各種數(shù)量關(guān)系，將定子、轉(zhuǎn)子放在同一個(gè)電路。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下列假定條件下：a.忽略空間和時(shí)間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；b.忽略磁飽和；c.忽略鐵損?？梢缘玫诫妱訖C(jī)的T形等效電路圖，由于交流異步電動機(jī)三相對稱，所以現(xiàn)只取A相進(jìn)行計(jì)算分析。A相的T形等效電路如圖2.2所示。 圖2.2 電動機(jī)的T形等效電路圖圖2.1中參數(shù)：勵磁電阻，是表征異步電動機(jī)鐵心損耗的

22、等效電阻； 勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個(gè)參數(shù)； 勵磁電流；機(jī)械負(fù)載的等效電阻，在=在上消耗的功率就相當(dāng)于異步電動機(jī)輸出的機(jī)械功率； 等參數(shù)經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。2.4.2 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式 （2-2）式中 的單位為KW；的單位是；的單位是。（2）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式 = （2-3）式中 轉(zhuǎn)矩常數(shù)；主磁通。（3）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式 = （2-4）式中 磁極對數(shù)；電源的相電壓；電源頻率。2.4.3 異步電機(jī)的機(jī)械特性 機(jī)械特性是指電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即=，它可由（2-3）所決定的曲線變換而來。異步電動機(jī)工作在額定電壓、額定頻率下，由電動機(jī)本身固有

23、的參數(shù)所決定的曲線，叫做電動機(jī)的自然機(jī)械特性。圖2.3 異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線只要確定曲線上的幾個(gè)特殊點(diǎn)，就能畫出電動機(jī)的機(jī)械特性。 理想空載點(diǎn)圖2.3中的E點(diǎn)，電動機(jī)以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行（=0），其電磁轉(zhuǎn)矩T=0。 起動點(diǎn)圖2.3中的S點(diǎn)，在起動點(diǎn)電動機(jī)已接通電源，但尚未起動。對應(yīng)這一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速0（1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動轉(zhuǎn)矩，起動是帶負(fù)載的能力一般用起動倍數(shù)來表示，即。式中,為額定轉(zhuǎn)矩。 臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)是一個(gè)非常重要的點(diǎn)，它是機(jī)械特性穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點(diǎn)。電動機(jī)運(yùn)行在點(diǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩，它表示了電動機(jī)所有能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率叫臨界轉(zhuǎn)差率，用表示。、根據(jù)式（23）用求極值的辦法求出

24、，即：由0，可得： （24） （25）電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，需要有一定的過載能力，一般用表示，即 （26）普通電動機(jī)的2.02.2之間，而對某些特殊用電動機(jī)，其過負(fù)載能力可以更高一些。上述分析說明：的大小影響著電動機(jī)的過載能力，越小，為了保證過載能力不變，電動機(jī)所帶的負(fù)載就越小。由知：越小，越大，機(jī)械特性就越硬。因此在調(diào)速過程中，、的變化規(guī)律常常是關(guān)注的重點(diǎn)。2.4.4 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理交流調(diào)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁

25、轉(zhuǎn)矩。使電動機(jī)轉(zhuǎn)起來。電機(jī)磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用表示： （2-7）式中：為三相交流電源頻率，一般是50Hz；為磁極對數(shù)。當(dāng)=1是，=3000rmin；=2時(shí)，=1500rmin。由上式可知磁極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速比磁場的同步轉(zhuǎn)速要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電動機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率表示： （2-8）在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，=0，這時(shí)=1；啟動后的極端情況=，則=0，即在01之間變化，一般異步電動機(jī)在額定負(fù)載下的 =1%6%。綜合（2-7）和（2-8）式可以得出： （2-9）由式（2-9）可以看出，對于成品電機(jī)，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率的變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此

26、改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。2.5 變頻調(diào)速的控制方式2.5.1 比恒定控制比恒定控制是異步電動機(jī)變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時(shí)改變輸出電壓的幅值，以維護(hù)電機(jī)磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。控制是目前通用變頻器中廣泛采用的控制方式。三相交流異步電動機(jī)在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動機(jī)電源的頻率發(fā)生變化時(shí)，電動機(jī)的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機(jī)出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強(qiáng)。在勵磁不足時(shí)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，而勵磁

27、過強(qiáng)時(shí)又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機(jī)中流過很大的勵磁電流，增加電動機(jī)的功率損耗，降低電動機(jī)的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進(jìn)行調(diào)速時(shí)，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。由電機(jī)理論知道，電機(jī)定子的感應(yīng)電勢有效值是： 則 即 （2-10）另外，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為: （2-11）其中 與電動機(jī)有關(guān)的常數(shù)；Cos轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。由式(2-10)推斷，若不變，當(dāng)定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減??；而由式(2-11)可知，減小又引起電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負(fù)載能力下降的情況。在不變時(shí)，而定子電源頻率減小，又將引起增加,增加將導(dǎo)致磁路

28、飽和，勵磁電流升高，從而導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會因繞組過熱而損壞電動機(jī)。由以上情況可知:變頻調(diào)速時(shí)，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，必須對定子電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運(yùn)行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。（1）基頻以下調(diào)速由式(2-10)可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低,使=常值。只要保持為常數(shù)，就可以達(dá)到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。根據(jù)電機(jī)端電壓和感應(yīng)電勢的關(guān)系式： (2-12)式中: -定子相電壓；-定子電阻； -定子阻抗；-定子電流。當(dāng)電機(jī)在額定運(yùn)行情況下，電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似

29、相等，所以保持=常數(shù)即可。由于比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時(shí)，與 都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機(jī)械特性如圖2.4所示。圖2.4 電動機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性從圖2.4中可以看出，當(dāng)電動機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí),曲線近似平行地下降，減速后的電動機(jī)仍然保持原來較硬的機(jī)械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機(jī)負(fù)載能力的下降。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機(jī)定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時(shí)就要求感應(yīng)電動勢與電源頻率的比

30、值不變，為了使控制容易實(shí)現(xiàn)，采用電源電壓來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價(jià)，當(dāng)然存在一定的誤差。顯然，被忽略的定子阻抗壓降在電壓中所占的比例大小決定了它的影響。當(dāng)?shù)臄?shù)值相對較高時(shí)，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對較小，所產(chǎn)生的誤差較少；當(dāng)?shù)臄?shù)值較低時(shí)，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足。此時(shí)如果仍以代替，將帶來很大的誤差。因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航邓嫉谋壤龃?，使得?shí)際上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導(dǎo)致電動機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。變頻后機(jī)械特性的降低將是電動機(jī)帶負(fù)載能力減弱，影響交流電

31、動機(jī)變頻調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法的原理是：針對頻率降低時(shí)，電源電壓成比例地降低引起的的下降過低，采用適當(dāng)?shù)奶岣唠妷旱姆椒▉肀３执磐亢愣?，使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（Torque Boost）。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)膲侯l比控制特性示于圖2.5中的b線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線。定子降壓補(bǔ)償只能補(bǔ)償于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，而對向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性不能補(bǔ)償。圖2.5 壓頻比控制特性曲線 補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線如圖2.6所示。 圖2.6 補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線（2時(shí)，頻率可以從額定頻率向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓

32、，由式（）基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速2-10）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)子升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機(jī)械特性如圖2.7所示。圖2.7 電動機(jī)高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性當(dāng)電動機(jī)向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機(jī)械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率升高時(shí)，電源電壓不可能相應(yīng)升高。這是因?yàn)殡妱訖C(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過電動機(jī)的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降，造成電動機(jī)的機(jī)械特性變軟。以上調(diào)速方式相應(yīng)的特性曲線如圖2.8所示。圖2.

33、8整個(gè)頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線1在低頻時(shí)沒有定子降壓補(bǔ)償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 圖中曲線2在低頻時(shí)有定子降壓補(bǔ)償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時(shí)定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按比恒定控制就不能保持電機(jī)磁通恒定，而電機(jī)磁通的減小勢必會造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小。另一方面原因是低速時(shí)逆變器橋臂上、下開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時(shí)間也造成了電壓降低，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下這將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致變頻器不能運(yùn)行。第三章 變頻器主電路3.1主電路的工作原理111111本設(shè)計(jì)中采用圖3.1的主

34、電路。!圖3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路3.2主電路各部分設(shè)計(jì)3.2.1交直電路設(shè)計(jì)選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的電壓為=1.35=1.35380V=513V。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了保護(hù)二極管，在電路中串入限流電阻，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時(shí)間比較長

35、（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機(jī)的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實(shí)現(xiàn)的，在電動機(jī)減速過程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時(shí)，電動機(jī)將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本省過電壓保護(hù)動作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉這部分能量。如圖3.1所示，當(dāng)直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。3.2.2 直交電路設(shè)計(jì)選用逆變開關(guān)管組成三相逆變橋，將

36、直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機(jī)線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另外，當(dāng)電動機(jī)制動時(shí)，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來保護(hù)逆變管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，迅速上升，迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。當(dāng)逆變管開通時(shí)，迅速下降，迅速升高，并

37、聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流的增長率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻，限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個(gè)矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時(shí)避開電阻，通過二極管充電。放電時(shí)，通過電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點(diǎn)是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。3.2.3主電路工作原理1、整流電路：把交流電變換為直流電的電路。本設(shè)計(jì)中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，功率因數(shù)接近于1。2、逆變的基本工作原理：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成

38、部分，電壓性逆變器的工作原理如下：（1）單相逆變電路在圖3.2的單相逆變電路的原理圖中：當(dāng)、同時(shí)閉合時(shí)，電壓為正；、同時(shí)閉合時(shí)，電壓為負(fù)。由于開關(guān)的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€(gè)周期中，一個(gè)臂中的兩個(gè)開關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關(guān)通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。圖3.2 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。圖3-3中，組成了橋式逆變電路，這6個(gè)開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位互相差的三相交流電壓。當(dāng)、閉合時(shí)，為正；、閉合時(shí)，為負(fù)。用同樣的方法得

39、：當(dāng)、同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到,同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得、波形如圖3.3c 所示。（a）結(jié)構(gòu)圖 (b) 開關(guān)的通斷規(guī)律 (c) 波形圖圖3.3 三相逆變器原理圖觀察6個(gè)開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：各橋臂上的開關(guān)始終處于交替打開、關(guān)斷的狀態(tài)如、。各相的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差電角度。如比,滯后，比滯后。上述分析說明，通過6個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過的大小來調(diào)節(jié)。3.2.4 主電路參數(shù)

40、計(jì)算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計(jì)算如下：1、整流二極管的參數(shù)計(jì)算（峰值電流）= =15.6=22.06A（有效值）= =15.6A二極管額定電流值=（1.52）Id/1.57=14.91A19.88A 額定電壓值=（23）=（23）380=1074.64V1611.96V2、濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=1.1380=591.05V。3、制動部分制動電阻粗略計(jì)算為=18.9437.89擊穿電壓：當(dāng)線電壓為380V時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選1000V。集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來計(jì)算：=2591.05/18.94=62.41A4、IGBT的選用峰值電壓=（22.5）

41、1.1380=1182.1V1477.63V 集電極電流=（1.22）=（1.22）=58.2397.06A 集電極-發(fā)射極額定電壓1.2倍最高峰值電壓=1.21477.63V=1773.16V3.3 IGBT及驅(qū)動模塊介紹3.3.1 IGBT簡介及驅(qū)動 絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導(dǎo)體器件技術(shù)與MOS工藝技術(shù)相結(jié)合研制出的一種復(fù)合型器件。由IGBT構(gòu)成的MOSFET和BJT各有其優(yōu)缺點(diǎn)。MOSFET屬于單極型器件，具有開關(guān)頻率高、無二次擊穿現(xiàn)象、易并聯(lián)運(yùn)行、控制功率小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大，耐壓水平不易提高。BJT屬于雙極型器件，具有耐壓水平高、電流大、導(dǎo)通電壓低的優(yōu)

42、點(diǎn)，缺點(diǎn)是開關(guān)時(shí)間長，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制功率大。因此，兼具M(jìn)OSFET和BJT優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合器件IGBT應(yīng)運(yùn)而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等優(yōu)點(diǎn)。并且，隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開關(guān)電源設(shè)備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機(jī)、電機(jī)驅(qū)動、特種工業(yè)電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設(shè)備中所占成本比例較高，所以掌握好IGBT的特性和正確的使用方法，盡量減少IGBT模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機(jī)可靠性。 IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動功率小，驅(qū)動較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)

43、動條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動條件的變化而變化。 (1)隨著柵極正向電壓的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小.若固定不變時(shí)，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結(jié)溫升高而增大。 (2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變化不大，IGBT的運(yùn)行可靠性提高。 (3)隨著柵極串聯(lián)電阻增加，將使IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使IGBT開關(guān)損耗增加；而減小，則又將使增大，從而使IGBT在開關(guān)過程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運(yùn)行的安全性和可靠性。3.3.2 EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)采用EXB840,它是一種高速驅(qū)動集成電路,最高使用頻率為40KHz驅(qū)動150A/600

44、V或者75A/1200V的IGBT,驅(qū)動電路信號延遲小于1.5,采用單電源20V供電。EXB840的功能框圖如圖3.4所示。 圖3.4 EXB840的引腳圖 它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動放大電路,過流檢測急保護(hù)電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成,可隔離交流2500V的信號。過流檢測及保護(hù)電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動電平和集電極電壓之間的關(guān)系,檢測是否有過電流現(xiàn)象存在,如果有過電流,保護(hù)電路將迅速關(guān)斷IGBT,防止過快的關(guān)斷時(shí)而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢升高,使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開柵電壓和-5V的關(guān)柵電壓。EXB

45、840引腳定義如下：引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容,引腳2和9分別是電源和地,引腳3為驅(qū)動輸出,引腳4用于連接外部電容器,防止過流保護(hù)誤動作,引腳5為過流保護(hù)輸出,引腳6為集電極電壓監(jiān)視端,引腳14和15為驅(qū)動信號輸入端,其余引腳不用。3.3.2 IGBT驅(qū)動電路采用EXB840集成電路驅(qū)動的IGBT的典型應(yīng)用電路如圖3.5所示。其中ERA34-10是快速恢復(fù)二極管。IGBT的柵極驅(qū)動連線應(yīng)該用雙絞線,長度應(yīng)該小于1m,以防止干擾,如果IGBT的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖,可增加IGBT的柵極電阻。圖3.5 EXB840組成的驅(qū)動電路第四章 控制回路 控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電

46、路，其主要任務(wù)是完成對逆變器開關(guān)元件的開關(guān)控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設(shè)計(jì)中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點(diǎn)是它采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計(jì)算能力和軟件控制靈活性高的特點(diǎn)來完成許多模擬量難以實(shí)現(xiàn)的功能。設(shè)計(jì)控制電路如下：4.1 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。主電路逆變電路設(shè)計(jì)中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅(qū)動電路。4.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù) 脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。脈寬調(diào)

47、制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，對現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。實(shí)際工程主要采用的PWM技術(shù)是正弦PWM(SPWM)，這是因?yàn)樽冾l器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。為減小輸出信號中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。脈寬調(diào)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度最大，而脈沖間的間隔最??；當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負(fù)載電

48、流中的高次諧波成分大為減小，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制。產(chǎn)生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個(gè)正弦波(稱為調(diào)制波)進(jìn)行比較，如圖4.1所示，兩波形的交點(diǎn)作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時(shí)，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷。雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM調(diào)制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開關(guān)管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達(dá)30KHz，用IGBT作為逆變開關(guān)管，載波頻率可以大幅

49、度提高，從而使正弦脈寬調(diào)制波更接近正弦波?？捎赡M電路分別產(chǎn)生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWM調(diào)制波。圖4.1為SPWM波生成方法：圖4.1 SPWM波生成方法 采用模擬電路的優(yōu)點(diǎn)是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時(shí)間很短，幾乎瞬間完成。缺點(diǎn)是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。若用單片機(jī)直接產(chǎn)生SPWM信號，由于需要通過計(jì)算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM信號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)都較慢。對于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動機(jī)，可以采用各項(xiàng)性能指標(biāo)都非常完善，但價(jià)格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機(jī)的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SPWM

50、調(diào)制信號專用芯片構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中選用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機(jī)接口，完成對交流電動機(jī)的變頻調(diào)速。4.1.2 SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳1.SA4828的特點(diǎn) 全數(shù)字控制，兼容Intel等多系列單片機(jī)，輸入調(diào)制波頻率范圍04kHz，16位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達(dá)24kHz，內(nèi)部ROM 固化3種可選波形，最小脈寬和延時(shí)時(shí)間可調(diào)，可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門狗定時(shí)器功能等。2.SA4828引腳功能SA4828采用28腳封裝。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖。圖4.2 SA4828引腳排

51、列示意圖各引腳的功能說明如下：（1）輸入類管腳說明AD0AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。 SET TRIP：通過引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。：復(fù)位端，低電平有效。CLK：時(shí)鐘信號輸入端。 MUX ：總線選擇端。當(dāng)MUX為高電平時(shí)，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時(shí)，地址/數(shù)據(jù)管腳RS不用；當(dāng)MUX為低電平時(shí)，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時(shí)，地址鎖存器ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。 ：片選輸入，該控制線可使SA8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。、：Intel(Motoro

52、la)總線控制write、read信號。ALE：地址鎖存允許。VDD：供電電源正端(+5V)。Vss：供電電源負(fù)端(0V)。（2）輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的下臂開關(guān)管。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關(guān)管。以上引腳都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一個(gè)輸出都有12mA的驅(qū)動能力，可以直接驅(qū)動光耦。：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。ZPPR：零相位脈沖輸出端。Wss：波形采樣同步端口。RS：寄存器選擇端。4.1.3 SA4828結(jié)構(gòu)及工作原理 SA4828為28引腳的DIP或SOIC封裝的

53、控制芯片，內(nèi)部具有總線控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。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，三角載波與所選定的片內(nèi)三種調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動生成SPWM輸出脈沖，然后通過脈沖刪除電路刪除窄脈沖（如圖4.3）圖4.3 脈沖序列中的窄脈寬 因?yàn)檫@種脈沖不起任何作用，只會增加開關(guān)管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間導(dǎo)通短路。看門狗定時(shí)器用來防止程序跑飛，當(dāng)條件滿足時(shí)快速封鎖輸出。SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4.4所示。圖4.4 SA4828原理框圖 SA4828的設(shè)置是通過單片機(jī)接口將數(shù)據(jù)送入SA4828芯片內(nèi)的兩個(gè)寄存器(初始化寄

54、存器和控制寄存器)來實(shí)現(xiàn)的。初始化寄存器用于設(shè)定與交流電動機(jī)有關(guān)的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在PWM輸出端允許輸出前設(shè)定，系統(tǒng)工作以后不允許改變?？刂萍拇嫫魇窃诠ぷ鬟^程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制交流電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通常在工作時(shí)，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對交流電動機(jī)的速度進(jìn)行控制。 參數(shù)的設(shè)定是通過8個(gè)暫存器、來傳送的。其中和是兩個(gè)虛擬的寄存器，實(shí)際上并不存在。初始化參數(shù)要先寫入，然后通過對的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫入，并通過對的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。SA4828各控制寄存器的地址見表4.1所列。表4.1 各寄存器地址 寄存器AD3AD2AD1AD0地址R0000000 HR1000101 HR2