基于8051單片機的變頻調(diào)速系統(tǒng)設計

交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計-PAGEii-PAGEii摘要近年來,交流電機變頻調(diào)速及其相關技術的研究己成為現(xiàn)代電氣傳動領域的一個重要課題,并且隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術還將會取得巨大進步。本文對變頻調(diào)速理論，逆變技術，SPWM產(chǎn)生原理進行了研究，在此基礎上設計了一種新型數(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，同時采用EXB840構成IGBT的驅動電路，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)，電路結構比較簡單。本文在控制上采用恒控制，同時，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運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。另外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進行了詳細介紹，完成了整個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設計。關鍵字:變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制，控制，SA4828波形發(fā)生器AbstractRecently,theresearchofvariablefrequencyspeedvariationofACmotorandrelevanttechnologyhasbecomeanimportantissueinelectricaldrivefield,withtheappearanceofnewpowerelectronapparatusandmicroprocessorandthedevelopmentofthecontroltheory,thetechnologyofvariablefrequencyspeedvariationwillimprovemorerapidly.Thisthesishasaresearchonthesetechnologies:VariableVoltageVariableFrequencymotordrive,inverter,andthecreationprincipleofSPWM,Basedontheresultsofthestudy,IdesignedasystemofanewdigitalthreephasesVVVFmotordrivesystem.ItusesASIC-SA4828controlledby8051asmaincontrollingcore,itusesIGBTaspowerdevice,andusesEXB840asdrive.Itusesdiodesasconvertingcircuitunit,whichmakespowerfactorcloseto1.BecauseIonlyneedtocontrolinverter,thewholecircuitisverysimple.Iadoptthemeansoflinearoperation.Atthesametime,itisveryconvenienttoinputparametersorchangethedrive’soperatingmodeduetothesoftwareprocedure.Moreover,owingtotheadvantagesofthenewintegratedparts,itcostslesstimetodevelopthismotordrive.ThisthesishasalsodetailintroducedthemethodoftheusageandtheprogramsofthethreephasesSPWMwavegeneratorSA4828.Thesoftwareandthehardwareofthecontrolpartinsystemhavebeencompleted.Keywords:variablefrequencyspeedcontrol，SinePulseWidthModulation(SPWM)，operation;SA4828WaveGeneratorPAGEPAGE2目錄摘要 iAbstract ii1緒論 11.1變頻調(diào)速技術簡介 11.2變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 21.2.1變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.2變頻器技術的發(fā)展趨勢 21.3研究的目的與意義 31.4本次設計方案簡介 41.4.1變頻器主電路方案的選定 41.4.2系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介 51.4.3選用電動機原始參數(shù) 62交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法 82.1三相異步電機工作的基本原理 82.1.1異步電機的等效電路 82.1.2異步電動機的轉矩 92.1.3異步電動機的機械特性 102.1.4異步電機變頻調(diào)速原理 122.2變頻調(diào)速的控制方式及選定 132.2.1比恒定控制 132.2.2其它控制方式 183變頻器主電路設計 203.1主電路的工作原理 203.1.1主電路各部分的設計 203.1.2變頻器主電路設計的基本工作原理 213.2主電路參數(shù)計算 243.3IGBT及驅動模塊介紹 253.3.1IGBT簡介及驅動要求 253.3.2EXB840的內(nèi)部結構 273.3.2采用EXB840的IGBT驅動電路 284控制回路設計 304.1驅動電路設計 304.1.1SPWM調(diào)制技術簡介 304.1.2SPWM波生成芯片特點和引腳功能 324.1.3SA4828內(nèi)部結構及工作原理 334.2保護電路 364.2.1過、欠壓保護電路設計 364.2.2過流保護設計 384.3控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 395變頻器軟件設計 425.1流程圖 425.2SA4828的編程 425.2.1初始化寄存器編程 425.2.2控制寄存器編程 455.3程序設計 46總結 56參考文獻 57致謝 58交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計第62頁共61頁PAGE351緒論1.1變頻調(diào)速技術簡介變頻調(diào)速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調(diào)速目的的技術。大家都知道，目前，無論哪種機械調(diào)速，都是通過電機來實現(xiàn)的。從大的范圍來分，電機有直流電機和交流電機。由于直流機調(diào)速容易實現(xiàn)，性能好，因此過去生產(chǎn)機械的調(diào)速多用直流電動機。但直流機固有的缺點：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電機也像直流電動機那樣調(diào)速。這樣就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。當然也出現(xiàn)了滑差電機、繞線式電機、同步式交流電機。隨著電力電子技術、微電子技術和信息技術的發(fā)展，出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調(diào)速方式，乃至直流電機調(diào)速，而成為電氣傳動的中樞[1]。變頻調(diào)速被認為是一種理想的交流調(diào)速方法。但如何得到一個單獨向異步電動機供電的經(jīng)濟可靠的變頻電源，一直是交流變頻調(diào)速的主要課題。20世紀60年代中期，隨著普通的晶閘管、小功率管的實用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置，它是將三相的工頻電源經(jīng)變換后，得到頻率可調(diào)的交流電。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價高，大多是為特定的控制對象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，調(diào)速后電動機的靜、動態(tài)性能還有待提高，特別是低速的性能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。20世紀70年代以后，電力電子技術和微電子技術以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步，開始出現(xiàn)了通用變頻器。它功能豐富，可以適用于不同的負載和場合，特別是進入20世紀90年代，隨著半導體開關器件IGBT、矢量控制技術的成熟，微機控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動機的靜、動態(tài)特性已經(jīng)可以和直流調(diào)速相媲美。隨著變頻器的專用大規(guī)模集成電路、半導體開關器件、傳感器的性能越來越高，進一步提高變頻器的性能和功能已成為可能?，F(xiàn)在的變頻器功能很多，操作也很方便，其壽命和可靠性也較以前有了很大的進步。所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將50Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交-交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中;間接變頻(又稱交-直-交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。本設計所設計的題目屬于間接變頻調(diào)速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。1.2變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1.2.1變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀進入90年代，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能，在調(diào)速領域獨樹一幟，并在工業(yè)領域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。此外，變頻技術和變頻器制造己經(jīng)從一般意義的拖動技術中分離出來，成為世界各國在工業(yè)自動化和機電一體化領域中爭強占先的陣地，各發(fā)達國家更是在該技術領域注入了極大的人力、物力、財力，使之目前己經(jīng)進入了高新技術行業(yè)。就變頻技術而言，目前日本、美國及法國、荷蘭、丹麥等國家可以說是齊頭并進，不分伯仲。在這一領域的研制、生產(chǎn)方面，220KW功率以上的變頻器基本被歐、美等國家壟斷，如德國的西門子(SIEMEN)、丹佛斯(DANFOSS)，美國的AB.OE公司、歐洲的ABB等。中小容量的變頻器85%為日本產(chǎn)品和臺灣產(chǎn)品所占領，如富士(FUJI),三墾(SAMCO)、東芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱(MITSUBISHI)、安川以及臺灣的臺達。由于這些國家、地區(qū)的工業(yè)基礎好、制造業(yè)發(fā)達、開發(fā)生產(chǎn)能力強，所以他們生產(chǎn)的變頻器適應范圍廣，生產(chǎn)己經(jīng)初具規(guī)模變頻器應用普及率在85%以上。我國的變頻器深圳華為電氣(現(xiàn)己經(jīng)改名安圣電氣)、伴靈電氣、成都森蘭、大連普傳科技都是變頻器研究、開發(fā)、生產(chǎn)的高新技術企業(yè)，擁有雄厚的技術實力，相信不久的將來可以取代國外品牌，創(chuàng)建我們自己的國產(chǎn)名牌。1.2.2變頻器技術的發(fā)展趨勢在進入21世紀的今天，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；并制造出體積小、容量大的驅動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關技術的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個方面發(fā)展[2]：1.網(wǎng)絡智能化智能化的變頻器買來就可以用，不必進行那么多的設定，而且可以進行故障自診斷、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)可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。2.專門化和一體化變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。3.環(huán)保無公害保護環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。21世紀的電力拖動裝置應著重考慮：節(jié)能，變頻器能量轉換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問題減少到最小程度。4.適應新能源現(xiàn)在以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭角，有后來居上之勢。這些發(fā)電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗?，F(xiàn)在電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制技術以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步。這種進步集中體現(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，結構的小型化一些方面。1.3研究的目的與意義在工業(yè)發(fā)展的初級階段，人們主要使用集中傳動。作為動力的鼠籠電動機，是不需要調(diào)速的。它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對它提出的起動和穩(wěn)速運行的要求就可以，調(diào)速的任務是由皮帶和齒輪來完成。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，對生產(chǎn)的連續(xù)性和流程化的要求愈來愈高，發(fā)展電機的調(diào)速技術已經(jīng)是勢在必行了。直流調(diào)速系統(tǒng)，由于其良好的調(diào)速性能，很長的時期內(nèi)在調(diào)速領域內(nèi)占據(jù)首位。但是由于直流電動機本身有機械換向器，給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有的、難于解決的問題。隨著交流傳動電動機調(diào)速的理論問題的突破和調(diào)速裝置(主要指變頻器)性能的完善，交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能差的缺點已經(jīng)得到了克服，目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流系統(tǒng)相媲美，甚至可以超過直流系統(tǒng)。由于交流調(diào)速不斷顯示其本身的優(yōu)越性和巨大的社會效益，使變頻器具有越來越旺盛的生命力。各種性能優(yōu)越的新型電力半導體器件的出現(xiàn)，如既能控制導通又能控制關斷的門極可關斷晶閘管GTO；具有良好功率轉換效率和適于在高頻大功率情況下工作的MOSFET；既有MOS管柵極驅動電壓功率小和驅動線路簡單，又有雙極性功率晶體管導通飽和壓降小優(yōu)點的絕緣柵雙極性大功率管IGBT；以及內(nèi)部既有大功率開關器件，又有各種驅動電路和過壓、過流等保護電路的智能型功率模塊IPM等器件的應用，不僅使交流調(diào)速系統(tǒng)控制裝置體積小，效率高，而且還更容易實現(xiàn)各種功能復雜但在結構上簡單的控制方案，更加充實和推動了變頻器理論的進一步發(fā)展。能完成各種復雜信號和信息處理的集成芯片的出現(xiàn)，如能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號的專用集成電路以及各種單片機和計算機系統(tǒng)用的微處理器和接口芯片的大量問世，為高質(zhì)量的控制創(chuàng)造了良好的條件。建立在電機統(tǒng)一理論和機電一體化理論基礎上的各種先進控制方案，通過快速檢測電流實現(xiàn)PWM控制的變頻技術，通過直接控制轉矩來快速控制轉速的轉速自調(diào)整技術，以及具有很強抗干擾能力的變結構控制系統(tǒng)等等，都極大地豐富了電機調(diào)速領域的內(nèi)容?？傊涣麟姍C調(diào)速技術的發(fā)展，特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必將使之應用于社會生產(chǎn)的各個領域，以體現(xiàn)出不同的功能，達到不同的目的，收到相應的效益。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)理論的應用，有著實際的意義和一定的應用價值。1.4本次設計方案簡介1.4.1變頻器主電路方案的選定變頻器最早的形式是用旋轉發(fā)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。隨著電力半導體器件的發(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：它的功能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，如回轉窯、軋鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的1/3～1/2,所以不能高速運行。2.交-直-交型變頻器：交-直-交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用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點是中間直流環(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。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點是中間直流環(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，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數(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)。與之相比，電流型變頻器施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風機、泵類節(jié)能調(diào)速中。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器，所以本次設計中選用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設計中，雖然電流型變頻器可以彌補電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設備即可以實現(xiàn)負載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設計中采用電壓型變頻器。1.4.2系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設計的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示。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。因為本設計中采用中等容量的電動機，所以采用三相380V電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。在本設計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：因在本設計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我們需要的交流電。在設計中采用三相橋逆變，開關器件選用全控型開關管IGBT。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護信號?？刂齐娐罚翰捎?051單片機和SPWM波生成芯片SA4828，控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令，根據(jù)這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅動開關管的關斷。1.4.3選用電動機原始參數(shù)在這次設計中，采用中等容量的電動機，具體數(shù)據(jù)如下：額定功率：；額定電壓：；額定電流：；額定轉速：；效率：；功率因數(shù)：cosφ=0.85；過載系數(shù)：λ=2.2；電壓波動：±10%；極對數(shù)：P=2。2交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法2.1三相異步電機工作的基本原理2.1.1異步電機的等效電路異步電動機的轉子能量是通過電磁感應而得來的。定子和轉子之間在電路上沒有任何聯(lián)系，其電路可用圖2.1來表示[3]。圖2.1異步電動機的定、轉子圖圖2.1中：QUOTEU1——定子的相電壓；QUOTEＩ１——定子的相電流；QUOTEＲ１——定子每相繞組的電阻和漏抗；、、分別是轉子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗；QUOTEＥ１——每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉磁場而產(chǎn)生的。其有效值可計算如下：（2-1）式中:—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值；—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。由電動機的基礎知識可知：轉子回路的頻率，與轉差率成正比，所以轉子回路中的各電量也都與轉差率成正比。為了方便定量分析定、轉子之間的各種數(shù)量關系，應將定子、轉子放在一個電路中。由于定子、轉子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進行折算。根據(jù)電機學原理，在下列假定條件下：a.忽略空間和時間諧波，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。可以得到電動機的T形等效電路圖，由于交流異步電動機三相對稱，所以現(xiàn)只取A相進行計算分析。A相的T形等效電路如圖2.2所示。圖2.2電動機的T形等效電路圖圖2.2中：——勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻；——勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù)；——勵磁電流；——機械負載的等效電阻，在=,在上消耗的功率就相當于異步電動機輸出的機械功率；等參數(shù)——經(jīng)過折算后的轉子參數(shù)。2.1.2異步電動機的轉矩（1）電磁轉矩的表達式（2-2）式中的單位為KW；的單位是；Ｔ的單位是。（2）電磁轉矩的物理表達式=（2-3）式中——轉矩常數(shù)；——主磁通。（3）電磁轉矩的參數(shù)表達式=（2-4）式中——磁極對數(shù)；——電源的相電壓；——電源頻率。2.1.3異步電動機的機械特性機械特性是指電動機在運行時，其轉速與電磁轉矩之間的關系，即=，它可由（2-3）所決定的曲線變換而來。異步電動機工作在額定電壓、額定頻率下，由電動機本身固有的參數(shù)所決定的曲線，叫做電動機的自然機械特性。圖2.3異步電動機機械特性曲線只要確定曲線上的幾個特殊點，就能畫出電動機的機械特性。1.理想空載點圖2.3中的E點，在這點上，電動機以同步轉速運行（=0），其電磁轉矩T=0。2.起動點圖2.3中的S點，在起動點上，電動機已接通電源，但尚未起動。對應這一點的轉速＝0（ｓ＝1），電磁轉矩稱起動轉矩，起動是帶負載的能力一般用起動倍數(shù)來表示，即。式中,為額定轉矩。3.臨界點臨界點Ｋ是一個非常重要的點，它是機械特性穩(wěn)定運行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點。電動機運行在Ｋ點時，電磁轉矩為臨界轉矩，它表示了電動機所有能產(chǎn)生的最大轉矩，此時的轉差率叫臨界轉差率，用表示。、根據(jù)式（2－3）用求極值的辦法求出，即：由＝0，可得：（2－4）（2－5）電動機正常運行時，需要有一定的過載能力，一般用表示，即＝（2-6）普通電動機的＝2.0～2.2之間，而對某些特殊用電動機，其過負載能力可以更高一些。上述分析說明：的大小影響著電動機的過載能力，越小，為了保證過載能力不變，電動機所帶的負載就越小。由知：越小，越大，機械特性就越硬。因此在調(diào)速過程中，、的變化規(guī)律常常是關注的重點。特別是研究變頻后的電動機機械特性，、就顯得尤其重要。變頻后的機械特性將會在下一小節(jié)中介紹。2.1.4異步電機變頻調(diào)速原理交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總容量的八成以上，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總容量的八成以上，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。交流調(diào)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉的磁場，它與轉子繞組產(chǎn)生感應電動勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉矩。使電動機轉起來。電機磁場轉速稱為同步轉速，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=1是，=3000r／min；=2時，=1500r／min。由上式可知磁極對數(shù)越多，轉速就越慢，轉子的實際轉速比磁場的同步轉速要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉差率表示：QUOTEs=n1-nn1×100%在加上電源轉子尚未轉動瞬間，=0，這時=1；啟動后的極端情況=，則=0，即在0～1之間變化，一般異步電動機在額定負載下的=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，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉差率的變化不大，則電機的轉速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。2.2變頻調(diào)速的控制方式及選定2.2.1比恒定控制比恒定控制是異步電動機變頻調(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改變輸出電壓的幅值，以維護電機磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機的效率、功率因數(shù)不下降?？刂剖悄壳巴ㄓ米冾l器中廣泛采用的控制方式。三相交流異步電動機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，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功率損耗，降低電動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進行調(diào)速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。由電機理論知道，電機定子的感應電勢有效值是：則即（2-10）另外，電機的電磁轉矩為:（2-11）其中—與電動機有關的常數(shù)；Cos—轉子每相電路功率因數(shù)；—轉子電壓與電流的相位差；—電機的電磁轉矩。由式(2-10)推斷，若不變，當定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減??；而由式(2-11)可知，減小又引起電動機電磁轉矩減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負載能力下降的情況。在不變時，而定子電源頻率減小，又將引起增加,增加將導致磁路飽和，勵磁電流升高，從而導致電動機發(fā)熱，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知:變頻調(diào)速時，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運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，當頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低,使=常值只要保持為常數(shù)，就可以達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，屬于恒轉矩調(diào)速方式。根據(jù)電機端電壓和感應電勢的關系式：(2-12)式中:-定子相電壓；-定子電阻；-定子阻抗；-定子電流。當電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似相等，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，所以當頻率較低時，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，可以人為地適當提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機械特性如圖2.4所示。圖2.4電動機低于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性從圖2.4中可以看出，當電動機向低于額定轉速方向調(diào)速時,曲線近似平行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉矩卻隨著電動機轉速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負載能力的下降。臨界轉矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時就要求感應電動勢與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實現(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，當然存在一定的誤差。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?shù)臄?shù)值相對較高時，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?shù)臄?shù)值較低時，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≈。此時如果仍以代替，將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生的感應電動勢減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導致電動機的臨界轉矩的下降。變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的轉矩補償法。轉矩補償法的原理是：針對頻率降低時，電源電壓成比例地降低引起的的下降過低，采用適當?shù)奶岣唠妷旱姆椒▉肀３执磐亢愣?，使電動機轉矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉矩提升（TorqueBoost）。帶定子壓降補償?shù)膲侯l比控制特性示于圖2.5中的b線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線。定子降壓補償只能補償于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性，而對向高于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性不能補償。圖2.5壓頻比控制特性曲線補償后的機械特性曲線如圖2.6所示。圖2.6補償后的機械特性曲線2.在基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，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，由式（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，轉子升高時轉矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機械特性如圖2.7所示。圖2.7電動機高于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性當電動機向高于額定轉速方向調(diào)速時，曲線不僅臨界轉矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是：當頻率升高時，電源電壓不可能相應升高。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，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的轉矩下降，造成電動機的機械特性變軟。以上調(diào)速方式相應的特性曲線如圖2.8所示。圖2.8整個頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線1——在低頻時沒有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線圖中曲線2——在低頻時有定子降壓補償?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磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉矩減小。另一方面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關元件的導通時間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉矩脈動，在一定條件下這將會引起轉速、電流的振蕩，嚴重時會導致變頻器不能運行。2.2.2其它控制方式1.轉差頻率控制變頻調(diào)速轉差率控制方式是控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上的速度傳感器檢測出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出時轉差率，而變頻器的輸出頻率則有電動機實際轉速與所需轉差頻率之和決定。它是解決控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉差角頻率，還要針對具體電機的機械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而此方法的通用性較差。2.矢量控制變頻調(diào)速矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流、、通過三相——兩相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流、，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流、（相當于直流電動機的勵磁電流；相當于與轉矩成比例的電樞電流），然后仿效直流電動機的控制方法，求得直流電動機控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。在高性能的異步電機控制系統(tǒng)中多采用交叉閉環(huán)控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能。雖然這一理論的提出是交流傳動理論上的一個飛躍，但是由于它既要確定轉子的磁鏈，又要進行坐標變換，還要考慮轉子參數(shù)變動帶來的影響，所以系統(tǒng)非常復雜。矢量控制變頻器通常應用于軋鋼、造紙設備等對動態(tài)性能要求較高的場合。3.直接轉矩控制變頻調(diào)速1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。日前市場銷售的通用變頻器的控制多半為比恒定控制，它的應用比較廣泛，特別是在風機，泵及土木機械等方面應用較多，比恒定控制的突出優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。從以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變動較小的場合。由于控制是轉速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標準異步電機，所以這種控制方法通用性強、經(jīng)濟性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。由此，在本設計中采用控制。3變頻器主電路設計3.1主電路的工作原理變頻調(diào)速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。在本設計中采用圖3.1的主電路，這也是變頻器常用的格式[4]。圖3.1電壓型交直交變頻調(diào)速主電路3.1.1主電路各部分的設計1.交直電路設計選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電壓為=1.35=1.35×380V=513V。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。當變頻器通電時，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，放電時間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現(xiàn)的，在電動機減速過程中，當變頻器的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(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，導致變頻器本省過電壓保護動作，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，當直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。2.直交電路設計選用逆變開關管組成三相逆變橋，將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：當逆變開關管由導通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機線圈的電感作用，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，當電動機制動時，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，來保護逆變管。由于開關管在開通和關斷時，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行緩解。當逆變管關斷時，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。當逆變管開通時，迅速下降，迅速升高，并聯(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?？墒钱斈孀児荜P斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。因本次設計所選用的電動機為中容量型，在此選用此種緩沖電路。3.1.2變頻器主電路設計的基本工作原理1.整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。本設計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設計中不再做詳細的介紹[5]。2.逆變的基本工作原理將直流電轉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、同時閉合時，電壓為正；、同時閉合時，電壓為負。由于開關～的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓。可以看到在交流電變化的一個周期中，一個臂中的兩個開關如：、交替導通，每個開關導通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關通斷的速度來調(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個開關交替地接通、關斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。當、閉合時，為正；、閉合時，為負。用同樣的方法得：當、同時閉合和、同時閉合，得到,,同時閉合和、同時閉合，得到。為了使三相交流電、、在相位上依次相差；各開關的接通、關斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標明。根據(jù)該規(guī)律可得、、波形如圖3.3c所示。結構圖b)開關的通斷規(guī)律c)波形圖圖3.3三相逆變器原理圖觀察6個開關的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點：①各橋臂上的開關始終處于交替打開、關斷的狀態(tài)如、。②各相的開關順序以各相的“首端”為準，互差電角度。如比,滯后，比滯后。上述分析說明，通過6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過的大小來調(diào)節(jié)。3.2主電路參數(shù)計算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計算如下[6]：1.整流二極管的參數(shù)計算（峰值電流）==×15.6=22.06A（有效值）==15.6A二極管額定電流值=（1.5～2）Id/1.57=14.91A～19.88A額定電壓值=（2～3）=（2～3）××380=1074.64V～1611.96V2.濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=1.1××380=591.05V。3.制動部分制動電阻粗略計算為～=18.94～37.89擊穿電壓：當線電壓為380V時，根據(jù)經(jīng)驗值選1000V。集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來計算：=2×591.05/18.94=62.41A4.IGBT的選用峰值電壓=（2～2.5）×1.1××380=1182.1V～1477.63V集電極電流=（1.2～2）=（1.2～2）××λ×=58.23～97.06A集電極-發(fā)射極額定電壓≥1.2倍最高峰值電壓=1.2×1477.63V=1773.16V3.3IGBT及驅動模塊介紹3.3.1IGBT簡介及驅動要求絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導體器件技術與MOS工藝技術相結合研制出的一種復合型器件。眾所周知，構成IGBT的MOSFET和BJT各有其優(yōu)缺點。MOSFET屬于單極型器件，具有開關頻率高、沒有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)運行容易、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導通電阻大，耐壓水平不容易提高。BJT屬于雙極型器件，具有耐壓水平高、電流大、導通電壓低的優(yōu)點，缺點是開關時間長，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET和BJT優(yōu)點的新型復合器件IGBT應運而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關頻率高、導通電阻小、控制功率小等優(yōu)點。并且，隨著IGBT技術的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開關電源設備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機、電機驅動、特種工業(yè)電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設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)成本和提高整機可靠性，就成為設計者和使用者所必須關心的一個問題.關于IGBT的基本結構、工作原理、主要參數(shù)、特性等在電力電子書本里已經(jīng)有詳細介紹，在這里不在贅述[7]。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅動功率小，驅動較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅動條件密切相關，隨驅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，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結溫升高而增大。(2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關斷損耗變化不大，IGBT的運行可靠性提高。(3)隨著柵極串聯(lián)電阻增加，將使IGBT的開通和關斷時間增加，從而使IGBT開關損耗增加；而減小，則又將使增大，從而使IGBT在開關過程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運行的安全性和可靠性。通過以上分析可以看出，一個理想的IGBT驅動電路應具有以下基本性能:(1)通常IGBT的柵極電壓最大額定值為20V，若超過此值，柵極就會被擊穿，導致器件損壞。為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護。(2)IGBT存在2.5～6V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅動信號低于此開啟電壓時，器件是不導通的。要使器件導通，驅動信號必須大于其開啟電壓。當要求IGBT工作于開關狀態(tài)時，驅動信號必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會造成器件損壞。正向柵極驅動電壓幅值的選取應同時考慮在額定運行條件下和一定過載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。對無短路保護的驅動電路而言，驅動電壓高一些有好處，可使器件在各種過流場合仍工作于飽和狀態(tài)。通常，正向柵極電壓取15V。在有短路保護的場合，不希望器件工作于過飽和狀態(tài)，因為驅動電壓小一些，可減小短路電流，對短路保護有好處。此時，柵極電壓可取為13V。另外，為減小開通損耗，要求柵極驅動信號的前沿要陡。IGBT的柵極等效為一電容負載，所以驅動信號源的內(nèi)阻要小。(3)當柵極信號低于其開啟電壓時，IGBT就關斷了。為了縮短器件的關斷時間，關斷過程中應盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。器件關斷時，驅動電路應提供低阻抗的放電通路。一般柵極反向電壓取為-(5～0)V。當IGBT關斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。(4)IGBT柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅動電路需要提供動態(tài)驅動電流。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當IGBT高頻運行時，柵極驅動電流和驅動功率也是不小的，因此，驅動電路必須能提供足夠的驅動電流和功率。(5)IGBT是高速開關器件，在大電流的運行場合，關斷時間不宜過短，否則會產(chǎn)生過高的集電極尖峰電壓。柵極電阻對IGBT的開關時間有直接的影響。柵極電阻過小，關斷時間過短，關斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過大，器件的開關速度降低，開關損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運行造成危險，所以柵極電阻的上限受到開關損耗的限制。對600VIGBT器件，柵極電阻可據(jù)下式確定：=(I～10)×625/式中，為IGBT的額定電流值.柵極電阻的下限取系數(shù)為1，限取系數(shù)為10。對于1200V的IGBT器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的600V器件阻值的一半。(6)驅動電路和控制電路之間應隔離。在許多設備中，IGBT與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。驅動電路具有電隔離能力可以保證設備的正常工作，同時也有利于維修調(diào)試人員的人身安全.驅動電路和柵極之間的引線應盡可能短，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應噪聲的影響。采用光耦器件隔離時，應選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。(7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應滯后，另一方面能提高保護的快速性。(8)電路簡單，成本低。(9)當IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵極電壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT軟關斷。其目的是避免快速關斷故障電流造成過離的。在雜散電感的作用下，過高的會產(chǎn)生過高的電壓尖峰，使IGBT承受不住而損壞。同樣的，驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響，即應具有定時邏輯柵壓控制的功能。當出現(xiàn)過流時，無論此時有無輸入信號，都應無條件地實現(xiàn)軟關斷.在各種設備中，二極管的反向恢復、分布電容及關斷吸收電路等都會在IGBT開通時造成尖峰電流，驅動電路應具備抑制這一瞬時過流的能力，在尖峰電流過后，應能恢復正常柵壓，保證電路的正常工作。(10)在出現(xiàn)短路、過流的情況下，能迅速發(fā)出過流保護信號，供控制電路處理。3.3.2EXB840的內(nèi)部結構基于以上的驅動要求，在設計中采用EXB840,它是一種高速驅動集成電路,最高使用頻率為40KHz驅動150A/600V或者75A/1200V的IGBT,驅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。它主要由輸入隔離電路，驅動放大電路,過流檢測急保護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。過流檢測及保護電路根據(jù)IGBT柵極驅動電平和集電極電壓之間的關系,檢測是否有過電流現(xiàn)象存在,如果有過電流,保護電路將迅速關斷IGBT,防止過快的關斷時而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應電動勢升高,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的關柵電壓。EXB840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為驅動輸出,引腳4用于連接外部電容器,防止過流保護誤動作(一般場合不需要這個電容),引腳5為過流保護輸出,引腳6為集電極電壓監(jiān)視端,引腳14和15為驅動信號輸入端,其余引腳不用。圖3.4EXB840的引腳圖3.3.2采用EXB840的IGBT驅動電路采用EXB840集成電路驅動的IGBT的典型應用電路如圖3.5所示[8]。其中ERA34-10是快速恢復二極管。IGBT的柵極驅動連線應該用雙絞線,長度應該小于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3.5EXB840組成的驅動電路4控制回路設計控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點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)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點來完成許多模擬量難以實現(xiàn)的功能。設計控制電路如下：4.1驅動電路設計驅動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅動信號。主電路逆變電路設計中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅動電路。以下將介紹SPWM技術工作原理和設計中所選用能產(chǎn)生SPWM波芯片SA4828的基本結構和工作原理。4.1.1SPWM調(diào)制技術簡介脈寬調(diào)制(PWM)技術是利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術。脈寬調(diào)制技術在逆變器中的應用，對現(xiàn)代電力電子技術、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進作用。近幾年來。由于場控自關斷器件的不斷涌現(xiàn)。相應高頻SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術在電機調(diào)速中得到了廣泛應用，不僅能及時、準確地實現(xiàn)變壓變頻控制技術，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧波分量，從而提高了電機的工作效率，擴大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。實際工程中目前主要采用的PWM技術是正弦PWM(SPWM)，這是因為變頻器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。根據(jù)電機學原理，交流異步電動機變頻調(diào)速時，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進行控制，則機械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，也要相應改變定子的端電壓。若采用等脈寬PWM調(diào)制技術實現(xiàn)變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴重的高次諧波，會危害電動機的正常運行。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行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最?。划斦抑递^小時，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載電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[9]。產(chǎn)生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為調(diào)制波)進行比較，如圖4.1所示，兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷時間。當調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時，開關器件關斷。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30KHz，用IGBT作為逆變開關管，載波頻率可以大幅度提高，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[10]：圖4.1SPWM波生成方法采用模擬電路的優(yōu)點是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時間很短，幾乎瞬間完成。缺點是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。若用單片機直接產(chǎn)生SPWM信號，由于需要通過計算確定正弦脈寬調(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，可以采用各項性能指標都非常完善，但價格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SPWM調(diào)制信號專用芯片構成調(diào)速系統(tǒng)。在本設計中選用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，可以和單片機接口，完成對交流電動機的變頻調(diào)速。4.1.2SPWM波生成芯片特點和引腳功能1.SA4828的特點全數(shù)字控制，兼容Intel等多系列單片機，輸入調(diào)制波頻率范圍0～4kHz，16位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達24kHz，內(nèi)部ROM固化3種可選波形，最小脈寬和延時時間可調(diào)，可單獨調(diào)整各相輸出以適應不平衡負載，具備看門狗定時器功能等。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[11]。圖4.2SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說明如下：（1）輸入類管腳說明AD0～AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復用總線。SETTRIP：通過該引腳，可以快速關斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。：復位端，低電平有效。CLK：時鐘信號輸入端。MUX：總線選擇端。當MUX為高電平時，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址/數(shù)據(jù)管腳RS不用；當MUX為低電平時，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時，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(Motorola)總線控制write、read信號。ALE：地址鎖存允許。VDD：供電電源正端(+5V)。Vss：供電電源負端(0V)。（2）輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅動電路控制逆變橋的R、Y、B相的下臂開關管。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關管。以上引腳都是標準TTL輸出，每一個輸出都有12mA的驅動能力，可以直接驅動光耦。：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。4.1.3SA4828內(nèi)部結構及工作原理SA4828為28引腳的DIP或SOIC封裝的控制芯片，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。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分成設定的頻率，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為這種脈沖不起任何作用，只會增加開關管的損耗。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)轉換期間導通短路?？撮T狗定時器用來防止程序跑飛，當條件滿足時快速封鎖輸出。SA4828內(nèi)部結構原理框圖如圖4.4所示。圖4.4SA4828原理框圖SA4828的設置是通過單片機接口將數(shù)據(jù)送入SA4828芯片內(nèi)的兩個寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)來實現(xiàn)的。初始化寄存器用于設定與交流電動機有關的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在PWM輸出端允許輸出前設定，系統(tǒng)工作以后不允許改變。控制寄存器是在工作過程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進一步控制交流電動機的運行狀態(tài)，通常在工作時，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實現(xiàn)實時對交流電動機的速度進行控制。參數(shù)的設定是通過8個暫存器、、、、、、、來傳送的。其中和是兩個虛擬的寄存器，實際上并不存在。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R0000000HR1000101HR2001002HR3001103HR4010004HR5010105HR1411100EHR1511110F4.2保護電路保護電路的主要功能是對檢測電路得到的各種信號進行運算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當檢測到異常時，進行各種必要的處理[12]。4.2.1過、欠壓保護電路設計過壓、欠壓保護是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)值時考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關系。當輸入電源電壓過高，將使直流側電壓過高。過高的直流電壓對IGBT的安全構成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當輸入電壓過低時，雖不會對主回路元件構成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導致SA4828輸出錯誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBT。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對系統(tǒng)的電壓進行保護。圖4.5為本文介紹的變頻器過壓保護電路。圖4.5過電壓保護電路它直接對直流側電壓進行檢測。其中電壓信號的取樣是通過電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動作。過壓設定值從電位器上取出。運放接成比較器的形式。當取樣電壓高于設定值時(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導通，輸出低電平保護信號。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號在給定點附近波動時比較器抖動，這里將過壓保護的動作值整定為額定輸入電壓的110%。欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長時間低于標準規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時停電或瞬時電壓降低。欠電壓導致逆變器開關器件驅動功率不足而燒壞開關器件。一般欠壓信號從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過電壓時檢測出信號進行保護，又不會因為短時間因為在欠電壓，過電壓并未構成危險時而保護誤動作。欠壓保護電路的原理與過壓保護電路類似。其電壓取樣與過壓取樣相同，欠壓設定值由上取出。運放接成比較器的形式。當取樣電壓高于設定值時(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導通，輸出高電平。當取樣電壓低于設定值時(欠壓情況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導通，輸出低電平保護信號。其電路下圖所示。動作值整定為輸入電壓的85%。圖4.6欠壓保護電路本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運行前，變頻器本身可以對過載、過壓、欠壓保護電路進行診斷，檢測其保護電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機控制發(fā)出各種等效故障信號，檢測對應的保護電路是否動作，若動作則說明保護電路正常，反之說明保護電路本身有故障，應停機對保護電路進行檢查，直到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過程如下：單片機控制HSO.2口發(fā)出一高電平，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導通，有電流流過三極管的基極，三極管導通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓保護電路。因SA4828的SETTRIP端為高電平有效,所以應加上一個反相器,使其反相后輸出高電平。以下的過流信號也是如此.故障自診斷電路如圖4.7所示[13]：圖4.7故障自診斷電路4.2.2過流保護設計變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等情況下，電流變化非常迅速，元件將承受極大的電壓和電流，而IGBT器件的內(nèi)部結構決定了它在足夠大的電流下會出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控無法關斷，以至燒壞，所以過流之前必須使IGBT關斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅動模塊EXB840中已經(jīng)有過流保護，但考慮到過大時IGBT還未來得及關斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士LEM公司生產(chǎn)的霍爾效應磁場補償式電流傳感器來進行電流的檢測。在此傳感器的輸出端串電阻R，則R上的壓降反應了被測的電流。過流發(fā)生時，R上的壓降大于過流保護動作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅動電路的輸入信號，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止狀態(tài)實現(xiàn)過流保護的功能。過流保護的電路示意圖如4.8圖所示：圖4.8過流保護電路4.3控制系統(tǒng)的實現(xiàn)單片機在整個控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測到參數(shù)的計算、存儲和傳送，再到人機接口的實現(xiàn)，都是單片機在其中穿針引線，控制、協(xié)調(diào)各部分的工作。它的性能的好壞及工作的正常與否對整個控制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設計中選用單片機課程學習到的Intel公司的8051單片機。8051是高性能的單片機，因受到引腳數(shù)目的限制，它屬于地址與數(shù)據(jù)復用的單片機，可以與SA4828直接接口。其內(nèi)部有4KB的ROM，以下是它的引腳圖[14]。圖4.98051引腳圖因8051已經(jīng)比較常見和熟悉，這里不再詳細介紹。圖4.10是單片機的系統(tǒng)圖[15]。模擬量的頻率給定通過ADC0809模數(shù)轉換器讀入8051，轉化為SA4828的控制字，以控制觸發(fā)信號的波形。ADC0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近型A/D轉換器件，電位器的輸出接其輸入IN0（當51單片機沒有當5l單片機沒有外擴RAM和I/O口時，