畢業(yè)設(shè)計(jì)29采用SLE4520集成電路的三相SPWM異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 前言 現(xiàn)在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)控制對(duì)象和所采用的志動(dòng)機(jī)的類型不同，可分為交流傳動(dòng)和直流傳動(dòng)兩大類。 以晶閘管變流裝置作為電動(dòng)機(jī)電樞和磁場(chǎng)電源的直流傳動(dòng)系統(tǒng)和以PWM變換器為功率變換裝置的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)由于在起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)，平滑調(diào)速，穩(wěn)速，精度，響應(yīng)速度等方面具有優(yōu)良性能，歷來(lái)是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中最通常的選擇方案，但是直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械式換向器那么是它的主要薄弱環(huán)節(jié)，電動(dòng)機(jī)在制造上費(fèi)工費(fèi)料，且維護(hù)麻煩，且不適宜在易燃易爆、塵埃多的場(chǎng)合使用，使得電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量、過載能力、最高電壓、最高轉(zhuǎn)速和經(jīng)濟(jì)性能等要重要指標(biāo)都受到了限制。 交流電機(jī)無(wú)換向片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、易于維修、工作可靠

2、，且能在惡劣的環(huán)境下工作。故交流傳動(dòng)無(wú)論在應(yīng)用范圍還是在數(shù)量上，裝機(jī)容量上都占有重要而特殊的位置。但在要求調(diào)速傳動(dòng)的領(lǐng)域中，過云的技術(shù)手段并沒有顯示出交流電機(jī)的優(yōu)越性。 功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步開展提供了有利的條件。當(dāng)前交流調(diào)速系統(tǒng)，如交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速，各種變頻調(diào)速，無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速等，從調(diào)速性能上已經(jīng)到達(dá)與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的程度。而在高速、高壓、大功率、惡劣環(huán)境等方面，更為直流傳動(dòng)所不及，可以預(yù)見新型交流調(diào)速系統(tǒng)在各個(gè)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這說明電氣交流傳動(dòng)的新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。 簽于交流傳動(dòng)在

3、這幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，所以我選擇了這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)課題采用SLE4520集成電路的三相SPWM異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在此設(shè)計(jì)中，不公要?jiǎng)佑梦C(jī)控制技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，單片機(jī)等相關(guān)知識(shí)，還要用到專業(yè)根底知識(shí)，如電機(jī)拖支，電力電子變流技術(shù)，數(shù)字及模擬電路等。通過對(duì)本課題的設(shè)計(jì)，可以使所學(xué)知識(shí)有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，到達(dá)穩(wěn)固，加深知識(shí)的目的，還可以拓寬知識(shí)面，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。 由于本人知識(shí)水平的限制，更兼時(shí)間倉(cāng)促，設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤及漏洞，敬請(qǐng)批評(píng)指正。 概述微型計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字交直交變頻調(diào)帶系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)相似，具有本錢低，體積小，通用性強(qiáng)，效能高，便于維修和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛使用，本課題采用

4、SLE4520單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。 該系統(tǒng)分為兩大局部： 1.硬件局部主要包括主回路和控制回路兩局部。 主回路由三相橋整流后，接入IPM的P，N兩端，整個(gè)局部包括濾波電容，電源指示及整流變壓器，三相異步電機(jī)接在IPM的產(chǎn)U，V，W三腳輸出端。 控制回路以單片機(jī)8031為核心，附加一些外外圍接口電路，如RAM，EPROM的擴(kuò)展，顯示接口采用8297，SLE4520的P1P7與8031的P0口相接，向4520傳送脈寬寬度值Tw，SLE4520的輸出端6個(gè)腳與IPM相對(duì)應(yīng)腳相連。頻率F輸入由拔碼盤經(jīng)過74LS244三態(tài)緩沖器由P0口讀入。 2.軟件局部分為主程序和中斷效勞子程序兩局部。 主程序

5、包含初始化，對(duì)8031，SLE4520的初始化T0的初始化，讀F的值，由F值查表得相應(yīng)的Tw值，T0定時(shí)，判斷F是否變化，假設(shè)變化那么去讀F，沒變那么送原來(lái)的數(shù)值。 T0的中斷效勞程序首先是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，送T0初值，然后T0定時(shí)啟,交數(shù)送向SLE4520，判斷有沒有算完，假設(shè)算完那么取新的Tw值，沒算完那么取原來(lái)的Tw，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，中斷返回。 INT0中斷為外部事故中斷，當(dāng)電機(jī)過載，過流過壓及失壓時(shí)，IPM自動(dòng)報(bào)警，產(chǎn)生中斷，封鎖SLE4520信號(hào)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 INT1中斷為讀F值，當(dāng)有F值拔入時(shí)，產(chǎn)生中斷，從而更新F值。設(shè)計(jì)課題介紹1.設(shè)計(jì)課題 采用SLE4520集成電路的三相SPWM異步電動(dòng)機(jī)變

6、頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.內(nèi)容簡(jiǎn)介 工業(yè)上廣泛應(yīng)用交流異步電動(dòng)機(jī)作為電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。近10年來(lái)，由于電力電子技術(shù)的迅猛開展，電氣傳動(dòng)交流化的新時(shí)代正到來(lái)。三相SPWM正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)是為了克服等脈寬PWM法的缺點(diǎn)而開展起來(lái)的，它從電動(dòng)機(jī)供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的三相對(duì)稱正弦波電源。具體是以一個(gè)正弦波作基準(zhǔn)波稱為調(diào)制波，用一系列等幅的三角波稱為載波與基準(zhǔn)波相交，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開關(guān)模式，當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低于三角波時(shí)，使開關(guān)器件截止，從而使逆變器的輸出電壓波為脈沖列，其特點(diǎn)是：在半個(gè)周期中等距、等幅等高，不等寬

7、可調(diào)，總是中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例，這樣，輸出電壓中的中低次的諧波分量顯然可以大大減少。 SLE4520是全數(shù)字化的三相SPWM波生成集成電路。這種芯片是一種應(yīng)用ACMOS技術(shù)制作的低功耗高頻大規(guī)模集成電路，是一種可編程器件，它能把三個(gè)8位數(shù)字量同時(shí)轉(zhuǎn)換成三路相應(yīng)脈寬的矩形波信號(hào)，與8位或16位微機(jī)聯(lián)合使用，可產(chǎn)生三相逆變器所需的六路控制信號(hào)，輸出的SPWM波的開關(guān)頻率可達(dá)20KHZ，基波頻率可達(dá)2600HZ。因此，適用于IGBT逆變器或其它中頻電源逆變器。3.設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)詳細(xì)了解SLE4520集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，管腳排列及功能、工作原理和使用考前須

8、知；詳細(xì)了解電力電子器件IGBT的工作原理，元器件參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電路及使用考前須知；討論并確定變頻主回路的電路，并根據(jù)給定的交流電動(dòng)機(jī)參數(shù)另行給出，計(jì)算，選擇主回路的元器件；討論由SLE4520集成電路實(shí)現(xiàn)SPWM波的方法，具體接線和相應(yīng)的外圍電路，并考慮信號(hào)的測(cè)量和控制回路原理，包括各單元電路的原理圖和元器件的選擇；在前述根底上，確定控制系統(tǒng)的硬件電路，選擇合理的軟件算法，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)，研究用8031實(shí)現(xiàn)的方法，并確定由8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的微機(jī)控制系統(tǒng)程序流程，畫出主程序和中斷效勞程序流程圖；編制、調(diào)試主程序和中斷效勞程序；應(yīng)用AUTOCAD和SCH繪制硬件電路和程序流程圖；撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說

9、明書。4.電機(jī)給定參數(shù)： 型號(hào)：YGOL4，PN，Nn1400r/min,Ia=3.65A,n=79%,cos， 轉(zhuǎn)動(dòng)量，凈重27KG，Un380V，接法：。總體設(shè)計(jì)方案的選擇一采用SLE4520的三相SPWM電機(jī)變頻調(diào)速的提出三相交流異步電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子側(cè)的電流不從外部引入，而由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，故而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，價(jià)格低廉，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)問世，就備受人們的青睞。 一、調(diào)速系統(tǒng)的開展隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的開展，人們對(duì)調(diào)速要求越來(lái)越高，交流調(diào)速有調(diào)壓調(diào)速，串級(jí)調(diào)速等，性能都處于不佳狀態(tài)，唯獨(dú)變頻調(diào)速受人矚目，采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)調(diào)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。變頻調(diào)速是采用可變電壓可變頻

10、率VVVF電源裝置，如逆變器和交交變頻器，變頻調(diào)速可以充分發(fā)揮感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，即適應(yīng)性強(qiáng)，鞏固耐用，維護(hù)方便，價(jià)格低廉。近年來(lái)，由于微電子技術(shù)，微機(jī)技術(shù)和自關(guān)斷功率開關(guān)器件的進(jìn)步，使得變頻調(diào)速中的核心技術(shù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)和矢量控制技術(shù)已經(jīng)成熟并得到廣泛應(yīng)用。首先，以目前迅速普及的“交直交變頻器的根本結(jié)構(gòu)來(lái)看，“交直的整流技術(shù)是很早就解決了的，而“直交的逆變過程實(shí)際是不同組合開關(guān)交替地接通和關(guān)斷過程，它必須依賴于滿足一定條件的開關(guān)器件，這些條件是：能承受足夠大的電壓和電流；允許長(zhǎng)時(shí)間頻繁地接通和判斷；接通和關(guān)斷的控制必須十分方便。直到20世紀(jì)70年代，大功率晶體管GTR的開發(fā)成功，才比擬滿意地滿

11、足了上述條件，從而為變頻技術(shù)的開發(fā)，開展和普及奠定了根底。20世紀(jì)80年代，又進(jìn)一步開發(fā)成功了絕緣柵型雙極型晶體管IGBT其工作頻率比GTR提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進(jìn)一步。目前，中小型的變頻器中的逆變局部，已根本上被IGBT壟斷，使20世紀(jì)70年代提出的正弦波脈寬度調(diào)制技術(shù)SPWM得到不斷完善。在不采取任何措施的情況下，異步電動(dòng)機(jī)在變頻后的機(jī)械特性遠(yuǎn)遜色于直流電動(dòng)機(jī)變壓后的機(jī)械特性，這必將大大影響變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍。20世紀(jì)70年代末，矢量控制技術(shù)的提出和實(shí)現(xiàn)，使異步電動(dòng)機(jī)變頻后的機(jī)械特性到達(dá)了可以和直流電動(dòng)機(jī)變壓后的機(jī)械特性相媲美的程度。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集

12、成電路的飛速進(jìn)步，極大簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)SPWM及矢量控制等復(fù)雜技術(shù)的方法，增強(qiáng)和擴(kuò)展了變頻器的功能，使變頻調(diào)速技術(shù)迅速開展起來(lái)。如利用單片機(jī)和SLE4520集成電路的三相SPWM異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，是一個(gè)典型的調(diào)速系統(tǒng)。 二變頻調(diào)速原理經(jīng)過30年的開展，目前交流調(diào)速電氣傳動(dòng)已經(jīng)成為電氣調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)的主流。在電氣調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，直流電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位的局面已經(jīng)受到了猛烈的沖擊。交流調(diào)速傳動(dòng)控制技術(shù)之所以開展得如此迅速，主要是一些關(guān)鍵性技術(shù)得到了突破性進(jìn)展，如電力電子器件，電力變換技術(shù)，交流電機(jī)的矢量變換控制技術(shù)，PWM技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路。1.PWM技術(shù)的應(yīng)用自關(guān)斷器件的開展為PWM技術(shù)

13、鋪平了道路。目前幾乎所有的變頻調(diào)速裝置都采用這一技術(shù)。PWM技術(shù)用于變頻器的控制，可以改善變頻器的輸出波形，降低電動(dòng)機(jī)的諧波損耗，并減小脈矩脈動(dòng)，同時(shí)還簡(jiǎn)化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。各類電氣傳動(dòng)裝置的控制器由模擬控制轉(zhuǎn)向全數(shù)字控制已經(jīng)成為事實(shí)，交流速傳動(dòng)也不例外。由變頻器供電的調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)快速系統(tǒng)，在使用數(shù)字控制時(shí)要求的采樣頻率較高，通常高于1KHZ，常需要完成復(fù)雜的操作控制，數(shù)字運(yùn)算和邏輯判斷，所以要求單片機(jī)具有較大的存儲(chǔ)容量和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力。全數(shù)字控制具有如下特點(diǎn)：(1)精度高在變頻器中采用8位，16位甚至32位微機(jī)作為控制機(jī)(2)穩(wěn)定性好由于信息為數(shù)

14、字量，不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移(3)可靠性好系統(tǒng)中硬件向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化方向開展，由軟件完成復(fù)雜的控制功 能，適當(dāng)修改軟件，就可以改變系統(tǒng)的功能。(二)SPWM的工作原理及生成方法 SPWM調(diào)速是指用所期望的正弦波輸出作為調(diào)制波即參考信號(hào)，對(duì)一等腰三角形的載波進(jìn)行調(diào)制，得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波幅值的矩形波，從而去控制開關(guān)器件，到達(dá)調(diào)速要求的一種調(diào)速方法。1.SPWM控制根本原理：將圖41(a)所示的正弦波半波波形分成n等份，就可把正弦波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化，如果把上述脈沖

15、序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦面積相等，就可得圖41b所示的脈沖序列，這就是PWM波形，可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的根據(jù)問題相等效果相同的原理，PWM與正弦半波是等效的，對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以同樣的方法得到PWM波形，像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而各正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM波形。2.PWM脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)制方法 我們所用PWM脈寬調(diào)制信號(hào)是采用調(diào)制波正弦波Ur與載波三角波Uc相比擬的方法產(chǎn)生，常用的載波是三角波，常用的調(diào)制波是正弦波，這種調(diào)制波為正弦波的脈寬調(diào)制稱為正弦脈寬調(diào)制SPWM，產(chǎn)生的調(diào)制波是正弦等幅、等距而不等

16、寬的脈沖列，有兩種調(diào)制方法：(1).單極性SPWM法調(diào)制波和載波如圖41(a)所示，曲線1是正弦調(diào)制波Ur，其周期決定于所需要的調(diào)頻比Kf，振幅值決定于Ku，曲線2是采用等腰三角形的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于Ku1，正弦調(diào)制波的振幅值，每半周期內(nèi)所有三角形的極性相同即單極性。調(diào)制波和載波的交點(diǎn)，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的寬度，所得的脈沖系列如圖41(b)所示。由圖可知，每半周內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工作情況正好相

17、反，流經(jīng)負(fù)載ZL的便是正負(fù)交替的交變電流。(2).雙極性調(diào)制波仍為正弦波，其周期決定于Kf，振幅決定于Ku，如圖42a中的曲線載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，當(dāng)Ku1時(shí),正弦波的振幅值相等，調(diào)制波與載波的交點(diǎn)，決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，自由相電壓合成的線電壓是單極性的。雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律把導(dǎo)通和判斷，毫不停息，而流過負(fù)載ZL的是按正弦規(guī)律變化的交流電流，如圖42b所示。在本設(shè)計(jì)中，采用三相橋式逆變電路，采用雙極性PWM控制。3.按載波信號(hào)頻率與調(diào)制波信號(hào)頻率的關(guān)系來(lái)分，

18、產(chǎn)生SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制方法有兩種：(1).異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式稱為異步方式，異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號(hào)頻率FR變化時(shí)，通常保持載波頻率FC固定不變，因而載波比NFC/FR是變化的，要求N為3的整數(shù)倍，這樣，在調(diào)制信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)，輸出脈沖個(gè)數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，同時(shí)，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。當(dāng)調(diào)制信號(hào)頻率較低時(shí)，載比N較大，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負(fù)半周期脈沖不對(duì)稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對(duì)稱的影響都較小輸出波形接近正弦波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)頻率增設(shè)時(shí)，載波比N就減小，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)減小，輸出脈沖的不對(duì)稱性影響就變大

19、，這會(huì)出現(xiàn)脈沖的跳動(dòng)，同時(shí)，輸出波形的正弦波之間的差異也變大，電路輸出特性變壞，對(duì)于三相SPWM型逆變電路來(lái)說，三相輸出的對(duì)稱性也變差，因此，在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望盡力提高載波頻率，以使在調(diào)制信號(hào)頻率較高時(shí)，仍能有較大的載波比，改善輸出特性。(2).同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載泚信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制，在根本同步調(diào)制方式中，調(diào)制信號(hào)頻率變化時(shí)載波比N不變，調(diào)制信號(hào)半個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的，在三相PWM逆變電路中，通常公用一個(gè)三角波載波信號(hào)，且取載波比N為3的倍數(shù)，以使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱。當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，因?yàn)樵诎胫芷趦?nèi)輸

20、出脈沖的數(shù)目也是固定的，所以由PWM調(diào)制而產(chǎn)生的FC附近的諧波頻率也相應(yīng)降低，這種頻率較低的諧波通常不易濾除，如果負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，就會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，給電動(dòng)機(jī)的正常工作帶來(lái)不利影響。為克服上述缺點(diǎn)，通常都采用分段同頻調(diào)制的方法，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成假設(shè)干個(gè)頻段，每個(gè)段內(nèi)都保持載波比N為恒定，不同頻段的載波比不同，在輸出頻率的高頻段采用較低的載波比，以使載波F不致過高，在功率開關(guān)器件所允許的頻率范圍內(nèi)，在輸出頻率的低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不利影響，各頻率的載波比都取3的倍數(shù)且為奇數(shù)。我們采用分段同步控制，它相當(dāng)于在低頻時(shí)采用異步調(diào)制方式而高頻時(shí)

21、切換到同步調(diào)制方式所具備的優(yōu)點(diǎn)。1.SPWM波形的生成方法：SPWM逆變器因功率因素高，對(duì)電網(wǎng)污染小，輸出諧波分量在異步電動(dòng)機(jī)，不停電源等裝置獲得廣泛應(yīng)用，一般用軟件生成SPWM波形，重點(diǎn)介紹規(guī)那么采樣法。(1).自然采樣法由SPWM控制的根本原理可知，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形為自然采樣法，正弦波在不同相位角時(shí)其值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度也不同。另外，當(dāng)正弦波頻率變化或幅值變化時(shí)，各脈沖的寬度也相應(yīng)變化，要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就要準(zhǔn)確算出正弦波和三角波的交點(diǎn)，這種方法求解時(shí)需要花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間，因而難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算。(

22、2).規(guī)那么采樣法自然采樣法是根本的SPWM控制的根本原理為出發(fā)點(diǎn)，所以準(zhǔn)確地計(jì)算出功能開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，所得的波形很接近正弦波，但是這種方法計(jì)算量過大，因而在工程實(shí)際使用并不多，規(guī)那么采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，它的效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小得多。圖43說明了采用三角波作為載波的規(guī)那么采樣法，在自然采樣法中，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角波中點(diǎn)重合。規(guī)那么采樣法那么使兩者重合，即使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波為中點(diǎn)對(duì)稱，這樣就使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。如下圖，三角波的尖峰時(shí)刻TD對(duì)正弦調(diào)制采樣而得到D點(diǎn)，過D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A、B兩點(diǎn)，在A點(diǎn)的時(shí)刻TA和B點(diǎn)的時(shí)刻

23、TB控制功率開關(guān)器件的通斷，可以看出，用這種規(guī)那么采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。從圖可得如下關(guān)系式：(1sinr)/2=2/Tc/2因此可得Tc/2(1+sinr) (4-1)在三角波一周其內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度為1/2(Tc-)Tc/4(1-sinr) (4-2)對(duì)于三相橋式逆變電路來(lái)說，應(yīng)該形成三相SPWM波形，通常三相的三角載波是公用的，三相正弦調(diào)制波集資相差120相位，波在同一三角波內(nèi)三相的脈沖寬度分別為u, v, w，間隙分別為u, v, w，由于在同一時(shí)刻三相正弦調(diào)制電壓之和為零，故由式41可得uvw3/2Tc (4-3)u vw3/4Tc (4-4)

24、利用式43和式44可以簡(jiǎn)化生成三相SPWM波形時(shí)的計(jì)算。(3).次諧波消去法以消去PWM波形中某些主要的高次諧波為目的，通過計(jì)算來(lái)確定各脈沖的開關(guān)時(shí)刻，這種方法稱為低次諧波消去法。在這種方法中，已經(jīng)不用載波和正弦波的比擬，但其目的仍是使輸出波形盡可能接近正弦波，因此也是一種SPWM生成方法。三三相SPWM異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案確實(shí)定采用變頻調(diào)速要到達(dá)的目標(biāo)：節(jié)約電能；提高生產(chǎn)力；提高產(chǎn)品質(zhì)量；降低設(shè)備的制造費(fèi)用；提高環(huán)境性。變頻調(diào)速方式根據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：N=60F1 (1-S)/P 式中，F(xiàn)1為定子供電頻率，P為極對(duì)數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率。由上式可知，假設(shè)均勻地改變定子供電頻率

25、F，那么可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。然而，只調(diào)節(jié)F是不行的，因?yàn)镋11N1KN1mU1當(dāng)定子電壓U1不變時(shí)，m與F1成反比，F(xiàn)1的升高或降低，會(huì)導(dǎo)致磁通m的減小或增大，從而使電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩減小，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，或者使磁路飽和，鐵耗急聚增加。因此，在調(diào)節(jié)電源頻率的同時(shí)，要調(diào)節(jié)電壓的大小，以維持磁通的恒定，使最大轉(zhuǎn)矩不變。根據(jù)U1和F1不同的比例關(guān)系，可形成多種變頻調(diào)速方式。這種控制方式是在調(diào)頻的同時(shí)調(diào)節(jié)電壓，維持U1/F1=cost不變，當(dāng)頻率較高時(shí)，定子電阻壓降可不計(jì)，這時(shí)有U1E1m=1/4.44N1 KN1E1/F11/4.44N1 KN1U1/F1=cost，磁通近似不變，根據(jù)異步

26、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式T=CmmI2cos2可知，當(dāng)有功電流額定，m=cost時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)，因而這種恒比例控制方式屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)，但當(dāng)頻率較低時(shí)，定子電阻壓降不可忽略，E1與U1相差較大，即使U1/F1=cost，E1/F1也已不再近似為常數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率F1的降低而減小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也將減小，甚至不能帶動(dòng)負(fù)載，所以，恒比例控制方式只適用于調(diào)速范圍不大F1不會(huì)進(jìn)入低頻段或轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的負(fù)載如風(fēng)機(jī)、水泵，對(duì)于寬調(diào)速范圍的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，不能采用恒比例控制方式。由式T=CmmI2cos2可知，要在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒磁控制，必須按 E1/F1=cost來(lái)進(jìn)行控制，E1/F1=cos

27、t是維持恒磁通，亦即恒最大轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速的協(xié)調(diào)控制條件。然而，由于電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1難以測(cè)得和控制，故實(shí)際應(yīng)用中采用一種近似的恒磁通控制方式，即當(dāng)頻率較高時(shí)，采用恒比例控制方式，當(dāng)頻率較低時(shí)，引入低頻補(bǔ)償，也就是通過控制環(huán)節(jié)，適當(dāng)提高變頻電源輸出電壓，以補(bǔ)償?shù)皖l時(shí)定子電阻上的壓降，維持磁通不變，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制。圖4-4為各種補(bǔ)償曲線，曲線(1)為無(wú)補(bǔ)償時(shí)的U1與F1的關(guān)系曲線，曲線2、3、4為有補(bǔ)償時(shí)的U1與F2的關(guān)系曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速調(diào)速時(shí)，要求F1F1N額定頻率，假設(shè)仍按恒磁通控制方式控制，勢(shì)必使U1超過U1N額定電壓，這是不允許的，這時(shí)必須改用恒功率控制方式，而當(dāng)F1F1N時(shí)，保

28、持U1=U1N，不進(jìn)行電壓的協(xié)調(diào)控制。隨著頻率的升高，氣隙磁通會(huì)小于額定磁通，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小，但頻率升高，速度增加，由P=Tn/975可知，當(dāng)T減小的倍數(shù)和n增加的倍數(shù)相等時(shí)，P維持不變，故稱這種方式為恒功率控制方式，不過T和n不是嚴(yán)格的等比例增減，所以這只能說是一種近似的恒功率控制方式。假設(shè)要準(zhǔn)確的維持恒功率的調(diào)速，必須按U1/F1=cost的原那么，進(jìn)行電壓頻率的協(xié)調(diào)控制。與恒比例控制比擬，恒功率控制時(shí)，隨著F1的升高，要求U1的升高相對(duì)小一些，恒功率控制方式的特點(diǎn)是輸出功率不變，它適用于負(fù)載隨轉(zhuǎn)速的升高而變輕的場(chǎng)合。4.恒電流控制方式 在變頻調(diào)速時(shí)，保持異步電動(dòng)機(jī)定子電流I1為恒值，叫做恒

29、電流控制。I1的恒定可通過電流調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。這種系統(tǒng)不僅平安可靠，而且具有良好的特性。恒流控制和恒磁通控制的機(jī)械特性形狀根本相同，都具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)，變頻時(shí)，對(duì)最大轉(zhuǎn)矩大小影響不大。但由于恒流控制限制了I1，所以恒流控制時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩Tm要比恒磁通控制時(shí)小得多，過載能力小，因此只適用于負(fù)載變化不大的場(chǎng)合。三. 控制方式的選擇為了使異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速取得最好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果，不同類型的負(fù)載根據(jù)具體要求應(yīng)選擇不同的控制方式，控制方式應(yīng)滿足的條件是：電動(dòng)機(jī)的過載能力不低于額定值，以防堵轉(zhuǎn)。每極磁通不應(yīng)超過額定值，一面磁路飽和。電流不應(yīng)超過額定值，以免電動(dòng)機(jī)過熱。電動(dòng)機(jī)的損耗最小。充分利用電動(dòng)

30、機(jī)的容量，盡可能使磁能保持額定值，以充分利用鐵心；盡可能使電流保持額定值，以充分利用繞組導(dǎo)線；盡可能使功率因數(shù)保持額定值，以免降低電動(dòng)機(jī)出力。以上1、2、3是技術(shù)條件，4、5是經(jīng)濟(jì)條件。1.額定頻率以下控制方式選擇常用的負(fù)載有：轉(zhuǎn)速平方型負(fù)載、恒功率型負(fù)載和恒轉(zhuǎn)速型負(fù)載。負(fù)載類型不同，調(diào)速范圍不同，所要求的控制方式也不一樣，下面按負(fù)載的選擇類型分別加以討論。(1) 轉(zhuǎn)速平方型負(fù)載： 這類負(fù)載的性質(zhì)是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比。恒磁通控制時(shí)，磁通不變，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速平方成正比，因此電動(dòng)機(jī)電流也和轉(zhuǎn)速的平方成正比，隨著轉(zhuǎn)速的下降，電流急劇減小，使銅耗大大減小，故轉(zhuǎn)速平方型負(fù)載在負(fù)載重、電流大、銅耗

31、大的場(chǎng)合，采用這種控制方式較適宜，但對(duì)于輕載的場(chǎng)合，不宜采用這種控制方式，這是因?yàn)楹愦磐刂?，磁通不變，鐵耗較大，對(duì)降低輕載時(shí)的損耗不利。轉(zhuǎn)速平方型負(fù)載，負(fù)載較輕時(shí)，可采用恒電流控制方式。恒流控制時(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載來(lái)說，磁通和轉(zhuǎn)速的平方成正比，隨著轉(zhuǎn)速的下降，鐵耗能大大減小，有利于減小電動(dòng)機(jī)損耗。(2) 恒功率型負(fù)載 恒功率型負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。在決定這類負(fù)載的電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)有最低速時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩來(lái)決定，轉(zhuǎn)速那么由最高速?zèng)Q定。對(duì)于恒功率型負(fù)載，可采用恒磁通控制方式和恒功率控制方式。恒磁通控制方式的特點(diǎn)是磁通不變和最大轉(zhuǎn)矩不變。采用恒磁通控制方式，顯然可使電動(dòng)機(jī)鐵心獲得充分利用

32、，另外，恒功率負(fù)載隨著轉(zhuǎn)速的增加，負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，電流也隨之減小，電流和轉(zhuǎn)速成反比。假設(shè)調(diào)速范圍為D，那么在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的電流為額定電流的1/D，因而有利于銅耗的減小。這種控制方式比適用重負(fù)載的場(chǎng)合，因?yàn)樨?fù)載重，銅耗大，在調(diào)速中如能減小銅耗對(duì)提高效率有利。恒功率控制方式的特點(diǎn)是輸出功率不變。在低速點(diǎn)，磁通和電流均為額定值，隨著轉(zhuǎn)速增加，磁通和電流均減小，和磁通不變的控制方式相比，鐵耗要小而銅耗要大，因此，比擬適合于負(fù)載輕的場(chǎng)合。(3)恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載 在電動(dòng)機(jī)滿載的條件下，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載只有一種控制方式，即恒磁通控制方式。這種控制方式能同時(shí)保證磁通不變，電流不變以及過載倍數(shù)不變。其他控制方式那么不能使這些

33、技術(shù)條件得到滿足。2.額定頻率以上控制方式選擇在額定頻率以上，負(fù)載皆為恒功率負(fù)載，一般采用恒壓控制方式即近似恒功率控制方式。恒壓控制方式在保持電壓不變的條件下，輸出轉(zhuǎn)矩近似和轉(zhuǎn)速成反比。電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)也隨轉(zhuǎn)速的升高而減小，所以它并不能使電動(dòng)機(jī)得到充分利用，其次，這種調(diào)速方式的過載倍數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比，高速時(shí)，有堵轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)，故只有在負(fù)載較輕，調(diào)速范圍較小的場(chǎng)合才能應(yīng)用。四. 微機(jī)控制PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式按系統(tǒng)調(diào)速規(guī)律來(lái)分，SPWM變頻調(diào)速主要有低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。(1)帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，框圖如圖4-5所示，轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，

34、并且異步電動(dòng)機(jī)在不同供電頻率下的機(jī)械特性硬度變化不大，所以開環(huán)變頻調(diào)速控制獲得廣泛應(yīng)用，但開環(huán)控制不能保證必要的調(diào)速精度，而且在動(dòng)態(tài)過程中由于不能保持所需的轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)性能較差，因此開環(huán)控制方案只能用于對(duì)調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。(2)轉(zhuǎn)差頻率控制它屬于轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，在恒磁通的條件下，通過控制轉(zhuǎn)差頻率，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制?？驁D如圖4-6所示。 (3)矢量變換控制 矢量變換控制是1921年由西德Blaschke等人提出的一種新的控制思想和控制結(jié)構(gòu)。通過矢量變換控制，能使交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)一樣的調(diào)速性能。 2. 按計(jì)算機(jī)參與控制的情況分類單片機(jī)控制多微機(jī)控制單片機(jī)+ SPWM器件

35、控制結(jié)構(gòu) 為了獲得較為理想的調(diào)速性能，人們研制出了各種各樣的SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器有模擬的，數(shù)字的，還有混合式的，也有數(shù)片集成電路芯片組合而成的，HEF4752就是其中一種，它是80年代初英國(guó)Mullard公司研制出的一種專門用來(lái)產(chǎn)生三相正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)的大規(guī)模集成電路，它可驅(qū)動(dòng)大功率晶體管，但后來(lái)研制出的SLE4520能驅(qū)動(dòng)頻率更高的絕緣柵晶體管IGBT，運(yùn)用SLE4520產(chǎn)生SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)可以使變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路的硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，也可以使整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制變得更為簡(jiǎn)捷，采用單片機(jī)控制時(shí)，可減小大量的計(jì)算工作量，使微機(jī)騰出空來(lái)處理一

36、些諸如系統(tǒng)測(cè)量，保護(hù)及控制工作，有利于充分發(fā)揮微機(jī)的控制作用。 采用微機(jī)+SPWM器件控制的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖：五本次方案確實(shí)定由上述分析可知，采用單片機(jī)+SLE4520器件控制結(jié)構(gòu)，使PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路的硬件更加簡(jiǎn)單，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，也可使整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制更為簡(jiǎn)捷，并可減少大量的計(jì)算工作，僅用價(jià)格低廉的單片機(jī)8031就可勝任，同時(shí)也使單片機(jī)空出來(lái)處理一些諸如系統(tǒng)測(cè)量，保護(hù)及控制工作，有利于充分發(fā)揮單片機(jī)的控制作用，同時(shí)還采用IGBT開關(guān)元件，使輸出的SPWM的開關(guān)頻率達(dá)20KHZ，基波頻率可達(dá)2600HZ，到達(dá)設(shè)計(jì)要求，而且經(jīng)濟(jì)效益最正確。經(jīng)過以

37、上比擬，我們可得系統(tǒng)方框圖如下圖系統(tǒng)工作原理：首先由拔碼盤輸入給定轉(zhuǎn)速N，由于N是由P0口輸入再取入為BCD碼，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，并轉(zhuǎn)換為頻率F，然后判斷F所處的范圍，根據(jù)一定的軟件算法，輸出數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線P0-P7寫入地址譯碼鎖存器。然后根據(jù)地址譯碼，由微機(jī)輸出的SPWM脈寬數(shù)據(jù)分別寫入SLE4520中的3個(gè)8位數(shù)據(jù)鎖存器，經(jīng)SLE4520處理后產(chǎn)生脈沖來(lái)控制IGBT，由于IGBT必需要有一定的驅(qū)動(dòng)功率及一定的保護(hù)電路，而IPM內(nèi)部主要是IGBT、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路，可以大大簡(jiǎn)化電路，故采用了IPM模塊。如果發(fā)生事故，那么產(chǎn)生中斷來(lái)申請(qǐng)中斷處理。顯示接口，主要用來(lái)顯示轉(zhuǎn)速等必要參數(shù)。系統(tǒng)主回路的

38、選擇(一).系統(tǒng)主回路的框圖 一. 根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，我們可以得到系統(tǒng)的主回路框圖如圖5-1 從圖中，我們可以看出，三相電源電流經(jīng)快速熔斷器，KM觸頭，經(jīng)過形/Y形的變壓器變壓后，三相整流電路把交流電變成直流電，然后經(jīng)過電容C1、C2濾波，輸?shù)絀PM中的IGBT上。通過控制IGBT的通斷和截止，從而使電機(jī)得電，開始起動(dòng)。 電阻R1和燈L作為系統(tǒng)運(yùn)行的指示標(biāo)志，R2用于電機(jī)制動(dòng)時(shí)的耗能電阻。 二變頻器介紹與變頻電源的選擇在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器可以分為交交變頻器和交直交變頻。變頻交交變頻是直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)殡妷汉皖l率都可以調(diào)節(jié)VVVF的交流電。在單相交交變頻器中，如果輸入電壓為三相電源

39、，可控整流器為三相全橋式接法，要得到單相輸出交流電共需12個(gè)晶閘管元件。因此，對(duì)于三相負(fù)載，那么需要36個(gè)晶閘管元件，另外，由于輸出波形是由供電電源經(jīng)整流后得到的，所以，交流輸出的頻率不能高于電網(wǎng)電源的頻率。交直交變頻交直交變頻的工作原理可用圖52所示的對(duì)單相負(fù)載供電的交直交變頻器來(lái)說明，它通過可控硅整流裝置把交流電變?yōu)榉悼烧{(diào)的直流電，開關(guān)元件1,3和2，4交替對(duì)負(fù)載電陰供電，那么就在負(fù)載上得到交流輸出電壓Uo，Uo的幅什由可控整流裝置的控制角決定，Uo的頻率由開關(guān)元件切換的頻率來(lái)確定，而且受電源頻率的限制。在單相交直交變換器中，如果可控整流裝置采用三相全控橋接法，需要10個(gè)晶閘管，如果要得

40、到三相交流輸出，只需增加兩個(gè)開關(guān)元件即可。變頻電源的選擇在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器的負(fù)載通常是異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)論它處于電動(dòng)還是發(fā)電狀態(tài)，功率因數(shù)都不會(huì)等于1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間將有無(wú)功功率流動(dòng)，所以必須在直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間設(shè)置貯能元件，以緩沖無(wú)功能量，根據(jù)無(wú)功能量的處理方式，變頻電源分為電壓源和電流源兩種。電壓源亦稱電壓型變頻器是在中間直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)大電容以緩沖無(wú)功功率，如圖53a所示，從直流輸出端看，電源具有低阻抗，因此，輸出電壓波形接近于矩形波，屬于電壓強(qiáng)制方式。電流源也稱電流型變頻電源是在中間直流環(huán)節(jié)中串以大電感吸收無(wú)功功率， 如圖53b所示，從直流輸出端看，電源具有高阻抗。因此，

41、輸出電流波形接近 于矩形波，屬于電流強(qiáng)制方式。在本課題中，我勻利用SLE4520進(jìn)行變頻調(diào)速產(chǎn)生的SPWM波調(diào)制技術(shù)，故我們通常選用電壓源變壓器。其輸出電壓波形為矩形波。整流器的說明及二極管的選擇圖54為三相橋式整流電路及其波形在波形圖中，WT1WT2范圍內(nèi)，R相電壓為最大值，面S相電壓為最大負(fù)值，線電壓URS此時(shí)最大。因此，整流元件D1與D4受URS正向陽(yáng)極電壓作用而串聯(lián)導(dǎo)通，其通路為：AVD1VD4B，其它整流元件受反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流輸出電壓為線電壓URS，在WT2WT3范圍內(nèi)，R相仍然為最大值，而T相電壓變?yōu)樨?fù)相最大值，線電壓UR7最大，因此，整流元件VD1與VD6串聯(lián)導(dǎo)通，其通

42、路為：AVD1RFZD6C，其它整流元件受反向電壓作用不導(dǎo)通，整流輸出電壓為線電壓URT同理，在各期間內(nèi)整流元件導(dǎo)通情況歸納如下：WT1WT2URS最大VD1與VD4導(dǎo)通WT2WT3URT最大VD1與VD6導(dǎo)通WT3WT4UST最大VD3與VD6導(dǎo)通WT4WT5USR最大VD3與VD2導(dǎo)通WT5WT6UTR最大VD5與VD2導(dǎo)通WT6WT7UTS最大VD5與VD4導(dǎo)通在整流的WT1WT2其間，由上圖可知，二極管VD1與VD4導(dǎo)通，而VD2不導(dǎo)通，承受反向電壓，此時(shí)VD2的陰極接在A點(diǎn)，VD2的陽(yáng)極通過VD4接到B點(diǎn)，在VD4正向?qū)〞r(shí)，內(nèi)壓降很小，所以加在VD2上的反向電壓根本上等于R，S間的

43、電壓URS，同理分析出其他范圍內(nèi)不導(dǎo)通元件承受的反缶壓降均為兩相間的線電壓，其反向峰值電壓為：UDMAXUUMAX取UDMAX540V但是從富士公司R系列IPM的資料及我們選用的IPM來(lái)看，2.34*220*1.2=618V的UDMAX對(duì)于6MBP015RA060來(lái)說是太大了，因?yàn)槠渥罡咧麟妷翰荒艹^400V，但是考慮到我們所做的系統(tǒng)容量并不大，為節(jié)約本錢600V與1200V的IPM從價(jià)格上來(lái)說是差得比擬大的，且1200V檔的無(wú)容量很小的模塊最小的也是75A級(jí)的，這樣價(jià)格就差得更大了，且75A的用在我們的設(shè)計(jì)中無(wú)疑是非常浪費(fèi)的，故采用單相橋式整流電路。其UDMAX濾波器件的說明及選擇從整流電路

44、的分析中看出，經(jīng)整流出來(lái)的電壓不是純直流電，而是一個(gè)交流成分與直流電壓疊加而成的脈動(dòng)直流電壓，由于脈動(dòng)大，產(chǎn)生雜音或使信號(hào)嚴(yán)重失真，影響通信質(zhì)量傳支質(zhì)量，所以必須加濾波器進(jìn)行濾波。一般情況下，濾波電容C越大，放電時(shí)間常數(shù)RFC就越大，脈動(dòng)成分就越小，但也不能將C取太大，這容易導(dǎo)致調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，所以一般取RFC3 5T/2JF，整流波形就比擬平滑，根本上可滿足負(fù)載的脈動(dòng)要求，故電容器的選擇為：T為電源電壓的周期C35C故濾波電容器選擇500UF(四)逆變器件的選擇用SLE4520很容易與微處理器包括單片機(jī)結(jié)合組成大功率數(shù)字化變頻器的控制器。該控制器的最高時(shí)鐘頻率國(guó)12MHZ，正弦波輸出頻率0

45、2600HZ開關(guān)頻率從1KHZ以下到20KHZ以上，這些頻率指標(biāo)可滿足逆變器中主回路開關(guān)元件GTO、GTR、IGBT、或功率MOSFET等不同需要。而對(duì)于上述主回路開關(guān)元件，GTO跟普通晶閘這、管一樣，一旦導(dǎo)通即能在導(dǎo)通狀態(tài)下自鎖，上一種必須依靠門極電流的極性變化來(lái)改變通斷的晶體管，關(guān)斷GTO的反向門極電流通常須到達(dá)陽(yáng)極電流的1/41/3，因而關(guān)斷控制較易失敗，故較復(fù)雜，工作頻率也不夠高，而幾乎與此同時(shí)，大功率晶體管GTR迅速開展了起來(lái)，使GTO晶閘管相形見拙，因此，在大量的中小容量變頻器中，GTO晶閘管已根本不用。GTR與GTO相比擬雖有關(guān)斷控制容易的優(yōu)點(diǎn)，但因其是用電流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，所需

46、驅(qū)動(dòng)功率較大，故基極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比擬復(fù)雜，并使工作頻率難以提高。MOSFET具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但它在提高擊穿電壓和增大工作電流方面進(jìn)展較慢，故在變頻器中的應(yīng)用尚不能居主導(dǎo)地位。IGBT是MOSFET和GTR相結(jié)合的產(chǎn)物，是柵極為絕緣柵結(jié)構(gòu)MOS結(jié)構(gòu)的晶體管，其根本結(jié)構(gòu)，等效電路和圖形符號(hào)見圖55IGBT的根本結(jié)構(gòu)是在N溝道MOSFET的漏極N基板上加一層P基板IGBT的集電極形成四層結(jié)構(gòu)，由PNPNPN晶體管構(gòu)成IGBT，它的開關(guān)作用是通過加正向極電壓來(lái)形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT開通。反之，如給門極施加反向門極電壓，溝道消失，流過反向基極

47、電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT具有MOSFET的工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，也具有GTR的阻斷電壓高，載流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并且沒有GTR固有的二次擊穿問題，平安工作區(qū)寬。而且還具有不用緩沖電路，開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。IGBT的這些與GTO、GTR、MOSFET相比擬來(lái)說，具有更大的優(yōu)越性，所以在本設(shè)計(jì)課題的主回路開關(guān)元件中選擇IGBT。IGBT要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路，而IPM模塊是集成IGBT，驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路的器件，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路故在小容量的系統(tǒng)中應(yīng)用較多，而我們所設(shè)計(jì)的也正是小容量系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化電路，故采用IPM模塊，但其有價(jià)格較高的缺點(diǎn)。二.IPM模塊的介紹智

48、能電力模塊是電力集成電路的一種，有時(shí)也稱為智能集成電路。在電力電子變流電路中，電力電子器件必須有驅(qū)動(dòng)電路或觸發(fā)電路，控制電路和保護(hù)電路的配合，才能按人們的要求實(shí)現(xiàn)一定的電力控制功能，以往，電力電子器件和配套控制電路是分立器件或電路裝置，而今半導(dǎo)體技術(shù)到達(dá)了可以將電力電子器件及其配套控制電路集成在一個(gè)芯片上，形成所謂的功率集成電路，可以做成多種功率器件及其控制電路所需的有源或無(wú)源器件，比方功率二極管、GTR，IGBT，上下壓電容，高阻值多晶硅電阻，低阻值擴(kuò)散電阻以及各種元器件之間的連接等。這種功率集成電路特別適應(yīng)于電力電子技術(shù)高頻化開展方向的需要，由于高度集成化，結(jié)構(gòu)十分緊湊，防止了由于分布參數(shù)

49、，保護(hù)延遲等所帶來(lái)的一系列難題。目前小容量變頻器中較常用以IGBT為主開關(guān)器件的IPM，如日本三菱公司的IPM模塊。電力集成模塊的智能化主要表現(xiàn)在易實(shí)現(xiàn)控制功能，保護(hù)功能和接口功能等三方面，IPM就具有這種特點(diǎn)，它將主開關(guān)器件，續(xù)流二極管，驅(qū)動(dòng)電路，電流、電壓、溫度檢測(cè)元件及保護(hù)信號(hào)生成與傳送電路，及某些接口集成在一起，形成所謂混合式電力集成電路，表現(xiàn)它的智能與靈巧特色。IPM的結(jié)構(gòu)：以富士公司R系列IPM為例，介紹其結(jié)構(gòu)及功能：6MBP015RA060智能電力模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖IPM的端子功能端子標(biāo)號(hào)內(nèi) 容P變頻器的整流變換平滑濾波后的主電源VD的輸入端子P：+端 N：- 端NB制動(dòng)輸出端

50、子：減速時(shí)再生制動(dòng)電阻電流的輸出端子。U變頻器3相輸出端子VW GND UU相上臂控制電源VCC輸入VCC U ：+端，GND U ：-端 Vcc U GND VV相上臂控制電源VCC輸入VCC V ：+端，GND V ：-端 Vcc V GND WW相上臂控制電源VCC輸入 VCC W ：+端，GND W ：-端 Vcc W GND下臂公用控制電源VCC輸入VCC ：+端，GND ：-端 Vcc Vin U上橋臂U相控制信號(hào)輸入端 Vin V上橋臂V相控制信號(hào)輸入端 Vin W上橋臂W相控制信號(hào)輸入端 Vin X下橋臂X相控制信號(hào)輸入端 Vin Y下橋臂Y相控制信號(hào)輸入端 Vin Z下橋臂Z

51、相控制信號(hào)輸入端 ALM保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)的報(bào)警信號(hào)輸出內(nèi)置電氣功能綜述1 3相變頻器用IGBT，F(xiàn)WD。2 全部IGBT驅(qū)動(dòng)功能3 全部IGBT的過流保護(hù)功能OC4 全部IGBT的短路保護(hù)功能SC5 全部IGBT驅(qū)動(dòng)電路的控制電源欠壓保護(hù)功能UV6 全部IGBT管芯過熱保護(hù)功能7 安裝全部IGBT，F(xiàn)WD的絕緣基板的溫度過熱保護(hù)功能8 N 線側(cè)OC，SC，UV，及動(dòng)作時(shí)，保護(hù)作用開始后，報(bào)警輸出功能ALMIGBT的驅(qū)動(dòng)功能 全部IGBT的驅(qū)動(dòng)功能為內(nèi)置。本驅(qū)動(dòng)電路具有如下特點(diǎn)：1.軟開關(guān) 分別使用單獨(dú)門極電阻,根據(jù)驅(qū)動(dòng)元件的特性,可獨(dú)立地控制各自的開關(guān)dv/dt。 單電源驅(qū)動(dòng)無(wú)須反偏電源 由于驅(qū)

52、動(dòng)電路與IPM間的連線縮短,布線阻抗變小,無(wú)反偏電源也能正常驅(qū)動(dòng)。下臂側(cè)控制地GND公用，僅需1組驅(qū)動(dòng)電源，總共需4組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源。 誤導(dǎo)通防止 關(guān)斷時(shí)，由于設(shè)計(jì)為低阻抗接地方式，防止因噪聲等使VGE升高而產(chǎn)生的誤導(dǎo)通。2.過電流保護(hù)功能OC IGBT的過電流保護(hù)，檢測(cè)出集電極電流，如在68S 的時(shí)間內(nèi)連續(xù)超過Ioc，那么軟關(guān)斷IGBT。但是，如在不到的時(shí)間內(nèi)，電流已下降到Ioc以下時(shí)；或在時(shí)間內(nèi)有OFF關(guān)斷信號(hào)輸入時(shí)，OC保護(hù)功能就不動(dòng)作。另外，關(guān)斷期間OC，SC都不動(dòng)作。包括制動(dòng)單元的全部IGBT都有OC保護(hù)功能 檢測(cè)局部功耗小 IGBT 管芯內(nèi)置電流傳感器的IGBT流過的檢測(cè)電流，與主I

53、GBT的Ic相比非常小，與取樣電阻的損耗相比，其檢測(cè)損耗也能做到很小。 內(nèi)置防止誤動(dòng)作閉鎖功能UV，OH公用全部IGBT的 OC保護(hù)功能，閉鎖時(shí)間約持續(xù)2ms，保護(hù)動(dòng)作閉鎖期間，即使有ON輸入，IGBT也不動(dòng)作。 尤其是下橋臂，包括制動(dòng)單元的各相ALM間相互連接，下橋臂側(cè)保護(hù)動(dòng)作，下側(cè)各IGBT在閉鎖期間均停止工作。 軟關(guān)斷UV，OH公用 在保護(hù)動(dòng)作時(shí)，因IGBT軟關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)的dv/dt較小，浪涌電壓可抑制在較低水平。 動(dòng)作延遲時(shí)間保護(hù)不動(dòng)作時(shí)間 如電流超越Ioc的持續(xù)時(shí)間不到那么保護(hù)動(dòng)作不起作用，因此瞬間過電流及噪聲不會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作。3. 短路保護(hù)功能SC OC保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)，SC保護(hù)將聯(lián)動(dòng)

54、，能抑制因負(fù)載短路及橋臂短路的峰值電流。4. 控制電壓低下保護(hù)功能UVUV保護(hù)功能，當(dāng)控制電源電壓Vcc下降到VUV時(shí)，如輸入信號(hào)為ON，那么IGBT軟關(guān)斷。 此外，因UV采用滯環(huán)設(shè)計(jì)，當(dāng)Vcc恢復(fù)至VUV+VH時(shí)，如輸入信號(hào)為OFF，那么解除ALM報(bào)警。5. 管殼溫度過熱保護(hù) 采用與IGBT，F(xiàn)WD管芯裝在同一陶瓷基板上測(cè)溫元件檢測(cè)基板溫度，當(dāng)檢出溫度超越保護(hù)溫度值持續(xù)一段時(shí)間約1ms后，過熱保護(hù)動(dòng)作。此時(shí)，假設(shè)下橋臂側(cè)IGBT 的輸入信號(hào)為ON時(shí)，將被軟關(guān)斷，在2ms閉鎖期間停止工作。OH滯環(huán)為防止產(chǎn)生振蕩也設(shè)置了滯環(huán)， 動(dòng)作2ms后，管殼溫度Tc下降到-后，保護(hù)動(dòng)作解除。 保護(hù)動(dòng)作延遲時(shí)

55、間為防止噪聲引起的誤動(dòng)作，如管溫超過的持續(xù)時(shí)間不大于1ms那么過熱保護(hù)不動(dòng)作。6. 管芯溫度過熱保護(hù)功能 采用與IGBT管芯在一起的測(cè)溫元件檢測(cè)IGBT管芯溫度，當(dāng)檢出溫度超越保護(hù)溫度值持續(xù)一段時(shí)間約1ms 后，過熱保護(hù)動(dòng)作。此時(shí)，假設(shè)IGBT 的輸入信號(hào)為ON時(shí)，將被軟關(guān)斷，在2ms閉鎖期間停止工作。OH滯環(huán)為防止產(chǎn)生振蕩也設(shè)置了滯環(huán)， 動(dòng)作2ms后，管芯溫度下降到-后，保護(hù)動(dòng)作解除。 保護(hù)動(dòng)作延遲時(shí)間為防止噪聲引起的誤動(dòng)作，如結(jié)溫超過的持續(xù)時(shí)間不大于1ms那么過熱保護(hù)不動(dòng)作。7. 報(bào)警輸出功能ALM 下臂側(cè)OC，UV，及各保護(hù)動(dòng)作的閉鎖期間，輸出報(bào)警信號(hào)；如Vin為ON狀態(tài)，即使閉鎖期間已

56、結(jié)束，報(bào)警及保護(hù)功能也不復(fù)位；等到Vin 變?yōu)镺FF時(shí)，報(bào)警及保護(hù)才復(fù)位。上橋臂上橋臂OC，UV，保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)，沒有報(bào)警輸出。經(jīng)過2ms的閉鎖期后，如輸入信號(hào)為OFF，那么保護(hù)動(dòng)作解除。 下橋臂的報(bào)警輸出相互連接因包括制動(dòng)單元的下臂側(cè)所有驅(qū)動(dòng)電路的報(bào)警端子連在一起，報(bào)警輸出時(shí)所有IGBT都停止。經(jīng)過2ms的閉鎖期后，如輸入信號(hào)為OFF，那么保護(hù)動(dòng)作解除。IGBT-IPM的特點(diǎn) IPM智能功率模塊，與過去的IGBT模塊和驅(qū)動(dòng)電路的組合電路相比，有如下特點(diǎn)：1.1 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)置在最正確設(shè)定條件下，驅(qū)動(dòng)IGBT。 驅(qū)動(dòng)電路-IGBT間的連線縮短，驅(qū)動(dòng)回路的阻抗變低，所以無(wú)須反向偏置電源。 總共需4

57、路電源：上臂側(cè)3路獨(dú)立，下臂側(cè)1路公用。1.2 內(nèi)置保護(hù)電路過流保護(hù)OC，短路保護(hù)SC，控制電源欠壓保護(hù)UV，過熱保護(hù)OH，及報(bào)警輸出ALM均為 內(nèi)置。 OC，SC保護(hù)能防止因過電流，負(fù)載短路導(dǎo)致IGBT的損壞，由于對(duì)每個(gè)IGBT的集電極電流進(jìn)行檢測(cè)，所以無(wú)論 哪個(gè)IGBT發(fā)生異常都可保護(hù)，尤其橋臂短路也可保護(hù)，由于每個(gè)IGBT均有內(nèi)置的電流檢測(cè)，無(wú)須另加檢測(cè)元件。 UV保護(hù)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源欠壓起保護(hù)作用，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)置。 OH保護(hù)能防止IGBT，F(xiàn)WD過熱，在IPM 內(nèi)部的絕緣基板上裝有溫度檢測(cè)元件，可以檢測(cè)基板溫度。管殼溫度 過 熱保護(hù)。 R系列IPM，IGBT管芯內(nèi)設(shè)有溫度檢測(cè)元件，對(duì)于芯片

58、的異常發(fā)熱，OH保護(hù)可快速動(dòng)作管芯溫度過熱保護(hù)。 與相比，對(duì)于IGBT管芯異常發(fā)熱的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間更短。 ALM為保護(hù)動(dòng)作時(shí)的報(bào)警輸出，當(dāng)及下臂OC，SC，UV，某些動(dòng)作時(shí)，向IPM的控制器發(fā)出報(bào)警異常信號(hào)，隨之停止系統(tǒng)的工作。下列圖為應(yīng)用電路例如3光耦外圍電路3.1 控制輸入用光耦 光耦規(guī)格 請(qǐng)使用滿足以下要求的光耦CMH=CMLgt;15KV/s 或 10KV/s TPHL=Ts s CTRgt;15% (例)HP產(chǎn)：HCPL-4505，HCPL-4506；東芝產(chǎn)：TLP759IGM，另外，要符合UL，VDE等平安認(rèn)證。 光耦與IPM間布線 為使光耦和IPM控制端子間布線阻抗最小，布線應(yīng)最短

59、；由于初，次級(jí)間常加有大的dv/dt，初，次級(jí)的布線不要 太靠近，以減少其間的耦合電容。 發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路3.2 報(bào)警輸出用光耦 光耦規(guī)格 可使用普通光耦，但滿足以下特性為佳。 100%lt;CTRlt;300% 輸入限流電阻光耦輸入側(cè)發(fā)光二極管限流電阻為內(nèi)置，直接接Vcc=15V時(shí)，IF約為10mA，因此無(wú)須外 接限流電阻。但是，要求光耦輸出Ioutgt;10mA時(shí)，請(qǐng)使用CTR值足夠大的光耦。 光耦、IPM間的配線因報(bào)警光耦加有很大的dv/dt，考前須知與相同。2考前須知2.1 控制電源 如圖7，8所示，控制電源必須是上橋臂側(cè)3組，下橋臂側(cè)1組，總計(jì)4組獨(dú)立電源。使用市售的電源組件時(shí)，電

60、源輸出側(cè)的GND端子不要互連。 假設(shè)將輸出側(cè)的GND接成輸出的+或端，電源輸入端的接地端互連，可能出現(xiàn)誤動(dòng)作。 另外，應(yīng)盡量減少各電源與地間的雜散電容。2.2 4組電源的結(jié)構(gòu)應(yīng)互相絕緣輸入局部連接器及印刷電路版 4組電源間以及與主電源間都應(yīng)絕緣，此外，因IGBT在開關(guān)時(shí)有很大的dv/dt施加于絕緣上，應(yīng)確保足夠的絕緣距離建議大于2mm。2.3 GND的連接 下臂側(cè)控制電源GND 與主電源GND 已在IPM內(nèi)部連接，因而絕對(duì)不要在IPM的外部進(jìn)行連接。 假設(shè)再連接，下臂與IPM的外部連線間將因di/dt引起環(huán)流，可能導(dǎo)致光耦，IPM的誤動(dòng)作，甚至破壞IGBT 的輸入電路。2.4 控制電源用濾波電