交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 完成日期： 指導(dǎo)教師： 評(píng)閱教師： 2011年6月湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書(shū)本人慎重承諾和聲明：所撰寫(xiě)的《交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下自主完成，文中所有引文或引用數(shù)據(jù)、圖表均已注解說(shuō)明來(lái)源,本人愿意為由此引起的后果承擔(dān)責(zé)任。設(shè)計(jì)（論文）的研究成果歸屬學(xué)校所有。學(xué)生（簽名）年月日湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū) ☆ 設(shè)計(jì)(論文)題目： 交流異步電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓名 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 職稱 教研室主任 一、基本任務(wù)與要求：主要設(shè)計(jì)完成可控硅交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要完成:(1)交流調(diào)壓調(diào)速的原理和調(diào)壓調(diào)速的靜、動(dòng)態(tài)性能分析;(2)系統(tǒng)組成與工作原理;主電路與控制電路設(shè)計(jì);元器件選型與參數(shù)計(jì)算;軟件設(shè)計(jì);系統(tǒng)應(yīng)用與調(diào)試說(shuō)明。二、進(jìn)度安排與完成時(shí)間：(1)第一至第三周：查閱資料，撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和幵題報(bào)告。(2)第四周至第五周：畢業(yè)實(shí)習(xí)。第六周至第七周：交流調(diào)壓調(diào)速的原理和調(diào)壓調(diào)速的靜、動(dòng)態(tài)性能分析第八周至第九周：系統(tǒng)組成與工作原理；主電路與控制電路設(shè)計(jì)。(5)第十周至第十二周：元器件選型與參數(shù)計(jì)算：軟件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)應(yīng)用與調(diào)試說(shuō)明。(6)第十三周至第十五周：撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。第十六周：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 IABSTRACT I.I 第1章緒論 1 變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介 1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 2...變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 2...變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 3...研究的目的與意義 3 本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 4 變頻器主電路方案的選定 4..系統(tǒng)原理框圖與各部分簡(jiǎn)介 5..選用電動(dòng)機(jī)原始參數(shù) 6...第2章交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理與方法 7..三相異步電機(jī)工作的基本原理 7..異步電機(jī)的等效電路 7...異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 9...異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 1..0.異步電機(jī)變頻調(diào)速原理 1..1.變頻調(diào)速的控制方式與選定 1..2.壓頻比恒定控制 1...2.其它控制方式 1...6.第3章變頻器主電路設(shè)計(jì) 1..8..主電路的工作原理 1..8..主電路各部分的設(shè)計(jì) 1..9.TOC\o"1-5"\h\z變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理 2..0主電路參數(shù)計(jì)算 2..2..IGBT與驅(qū)動(dòng)模塊介紹 2...3.IGBT簡(jiǎn)介與驅(qū)動(dòng)要求 2..3.EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2..5.采用EXB840的IGBT驅(qū)動(dòng)電路 2..6第4章控制回路設(shè)計(jì) 2..8..驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 2..8..SPWM調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介 2..8.SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能 3..0SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理 3..1保護(hù)電路 3..3...過(guò)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) 3..3.過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì) 3..5..控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 3..6..第5章變頻器軟件設(shè)計(jì) 3..8..流程圖 3..8...SA4828的編程 3...9..TOC\o"1-5"\h\z初始化寄存器編程 3..9.控制寄存器編程 4...1.第6章系統(tǒng)應(yīng)用與調(diào)試說(shuō)明 5...1.交流電動(dòng)機(jī)模型與MATLAB實(shí)現(xiàn) 5..1.交流電動(dòng)機(jī)與交流調(diào)速系統(tǒng)介紹 5..1交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 5..2.交流電動(dòng)機(jī)模型在Malab中的實(shí)現(xiàn) 5..2異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB實(shí)現(xiàn) 5..6異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理 5..6.異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制系統(tǒng) 5..6基于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)...57異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB實(shí)現(xiàn) 5..7異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹 5..7變頻調(diào)速控制方式 5..7.矢量控制變頻調(diào)速仿真 5..8.結(jié)論 6..2 參考文獻(xiàn) 6..3...致謝 6..4 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：近年來(lái),交流電機(jī)變頻調(diào)速與其相關(guān)技術(shù)的研究己成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)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與交流電機(jī)控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)還將會(huì)取得巨大進(jìn)步。本文對(duì)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(dòng)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(jí)可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。本文在控制上采用Vf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幵發(fā)周期短。另外，本文對(duì)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；Vf控制；SA4828波形發(fā)生器ACINDUCTIONMOTORSPEED-ADJUSTEDSYSTEMDESIGNABSTRACT:Recently,theresearchofvariablefrequencyspeedvariationofACmotorandrelevanttechnologyhasbecomeanimportantissueinelectricaldrivefield,withtheappearanee ofnewpowerelectronapparatusandmicroprocessorandthedevelopment ofthecontroltheory,thetechnologyofvariablefrequencyspeedvariationwillimprovemorerapidly.Thisthesishasaresearchonthesetechnologies: VariableVoltageVariableFrequencymotordrive,inverter,andthecreation principle ofSPWM,Basedontheresultsofthestudy,IdesignedasystemofanewdigitalthreephasesVVVFmotordrivesystem.ItusesASIC-SA4828controlledby8051asmaincontrollingcore,itusesIGBTaspowerdevice,andusesEXB840asdrive.Itusesdiodesasconvertingcircuitunit,whichmakespowerfactorcloseto1.BecauseIonlyneedtocontrolinverter,thewholecircuitisverysimple.IadoptthemeansoflinearVf operation.Atthesametime,itisveryconvenienttoinputparametersorchangethedrive 'soperatingmodeduetothesoftwareprocedure.Moreover,owingtotheadvantagesofthenewintegratedparts,itcostslesstimetodevelopthismotordrive.ThisthesishasalsodetailintroducedthemethodoftheusageandVfVfKeywords: variablefrequencyspeedcontrol,SinePulseWidthModulation(SPWM),operation;SA4828WaveGenerator第1章緒論變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率來(lái)達(dá)到交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)。大家都知道，目前，無(wú)論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過(guò)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從大的范圍來(lái)分，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)。由于直流機(jī)調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)，性能好，因此過(guò)去生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速多用直流電動(dòng)機(jī)。但直流機(jī)固有的缺點(diǎn)：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費(fèi)時(shí)費(fèi)工，成本高，給人們帶來(lái)太大的麻煩。因此人們希望，讓簡(jiǎn)單可靠廉價(jià)的籠式交流電機(jī)也像直流電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電機(jī)、繞線式電機(jī)、同步式交流電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動(dòng)的中樞[1]。變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種理想的交流調(diào)速方法。但如何得到一個(gè)單獨(dú)向異步電動(dòng)機(jī)供電的經(jīng)濟(jì)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(jì)60年代中期，隨著普通的晶閘管、小功率管的實(shí)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(gè)時(shí)期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價(jià)高，大多是為特定的控制對(duì)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(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)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(chǎng)合。20世紀(jì)70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，開(kāi)始出現(xiàn)了通用變頻器。它功能豐富，可以適用于不同的負(fù)載和場(chǎng)合，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件IGBT、矢量控制技術(shù)的成熟，微機(jī)控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)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(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件、傳感器的性能越來(lái)越高，進(jìn)一步提高變頻器的性能和交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(chǎng)跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。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、控制部分與保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入90年代，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能，在調(diào)速領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟，并在工業(yè)領(lǐng)域與家電產(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)從一般意義的拖動(dòng)技術(shù)中分離出來(lái)，成為世界各國(guó)在工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)電一體化領(lǐng)域中爭(zhēng)強(qiáng)占先的陣地，各發(fā)達(dá)國(guó)家更是在該技術(shù)領(lǐng)域注入了極大的人力、物力、財(cái)力，使之目前己經(jīng)進(jìn)入了高新技術(shù)行業(yè)。就變頻技術(shù)而言，目前日本、美國(guó)與法國(guó)、荷蘭、丹麥等國(guó)家可以說(shuō)是齊頭并進(jìn)，不分伯仲。在這一領(lǐng)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(guó)家壟斷，如德國(guó)的西門(mén)子(SIEMEN)、丹佛斯(DANFOSS)，美國(guó)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(tái)灣產(chǎn)品所占領(lǐng)，如富士 (FUJI),三墾(SAMCO)、東芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱(MITSUBISHI)、安川以與臺(tái)灣的臺(tái)達(dá)。由于這些國(guó)家、地區(qū)的工業(yè)基礎(chǔ)好、制造業(yè)發(fā)達(dá)、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)能力強(qiáng)，所以他們生產(chǎn)的變頻器適應(yīng)范圍廣，生產(chǎn)己經(jīng)初具規(guī)模變頻器應(yīng)用普與率在85%以上。我國(guó)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(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有雄厚的技術(shù)實(shí)力，相信不久的將來(lái)可以取代國(guó)外品牌，創(chuàng)建我們自己的國(guó)產(chǎn)名牌。交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)在進(jìn)入21世紀(jì)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(diǎn)；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動(dòng)裝置；永久磁鐵電動(dòng)機(jī)也正在幵發(fā)研制之中。隨著 IT技術(shù)的迅速普與，以與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(lái)主要朝以下幾個(gè)方面發(fā)展[2]：網(wǎng)絡(luò)智能化智能化的變頻器買(mǎi)來(lái)就可以用，不必進(jìn)行那么多的設(shè)定，而且可以進(jìn)行故障自診斷、遙控診斷以與部件自動(dòng)置換，從而保證變頻器的長(zhǎng)壽命。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器聯(lián)動(dòng)，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。專門(mén)化和一體化變頻器的制造專門(mén)化，可以使變頻器在某一領(lǐng)域的性能更強(qiáng)，如風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機(jī)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(dòng)機(jī)一體化的趨勢(shì)，使變頻器成為電動(dòng)機(jī)的一部分，可以使體積更小，控制更方便。環(huán)保無(wú)公害保護(hù)環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。21世紀(jì)的電力拖動(dòng)裝置應(yīng)著重考慮：節(jié)能，變頻器能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的低公害，使變頻器在使用過(guò)程中的噪聲、電源諧波對(duì)電網(wǎng)的污染等問(wèn)題減少到最小程度。適應(yīng)新能源現(xiàn)在以太陽(yáng)能和風(fēng)力為能源的燃料電池以其低廉的價(jià)格嶄露頭角，有后來(lái)居上之勢(shì)。這些發(fā)電設(shè)備的最大特點(diǎn)是容量小而分散，將來(lái)的變頻器就要適應(yīng)這樣的新能源，既要高效，又要低耗?，F(xiàn)在電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步。這種進(jìn)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(jié)構(gòu)的小型化一些方面。研究的目的與意義在工業(yè)發(fā)展的初級(jí)階段，人們主要使用集中傳動(dòng)。作為動(dòng)力的鼠籠電動(dòng)機(jī)，是不需要調(diào)速的。它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對(duì)它提出的起動(dòng)和穩(wěn)速運(yùn)行的要求就可以，調(diào)速的任務(wù)是由皮帶和齒輪來(lái)完成。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)生產(chǎn)交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的連續(xù)性和流程化的要求愈來(lái)愈高，發(fā)展電機(jī)的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)是勢(shì)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(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)首位。但是由于直流電動(dòng)機(jī)本身有機(jī)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(wèn)題。隨著交流傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的理論問(wèn)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能差的缺點(diǎn)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(guò)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(huì)效益，使變頻器具有越來(lái)越旺盛的生命力。各種性能優(yōu)越的新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，如既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO;具有良好功率轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電壓功率小和驅(qū)動(dòng)線路簡(jiǎn)單，又有雙極性功率晶體管導(dǎo)通飽和壓降小優(yōu)點(diǎn)的絕緣柵雙極性大功率管 IGBT;以與內(nèi)部既有大功率開(kāi)關(guān)器件，又有各種驅(qū)動(dòng)電路和過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)電路的智能型功率模塊IPM等器件的應(yīng)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(shí)現(xiàn)各種功能復(fù)雜但在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單的控制方案，更加充實(shí)和推動(dòng)了變頻器理論的進(jìn)一步發(fā)展。能完成各種復(fù)雜信號(hào)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(hào)的專用集成電路以與各種單片機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用的微處理器和接口芯片的大量問(wèn)世，為高質(zhì)量的控制創(chuàng)造了良好的條件。建立在電機(jī)統(tǒng)一理論和機(jī)電一體化理論基礎(chǔ)上的各種先進(jìn)控制方案，通過(guò)快速檢測(cè)電流實(shí)現(xiàn)PWM控制的變頻技術(shù)，通過(guò)直接控制轉(zhuǎn)矩來(lái)快速控制轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速自調(diào)整技術(shù)，以與具有很強(qiáng)抗干擾能力的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)等等，都極大地豐富了電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的內(nèi)容?？傊?，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特別是變頻器傳動(dòng)本身固有的優(yōu)勢(shì)，必將使之應(yīng)用于社會(huì)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(guò)對(duì)變頻器的研究，對(duì)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。本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介變頻器主電路方案的選定變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源，供給交流電動(dòng)機(jī)。交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)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：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(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(guò)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 1/3?1/2,所以不能高速運(yùn)行。2.交-直-交型變頻器：交-直-交變頻器是先把工頻交流通過(guò)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(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖無(wú)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(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖無(wú)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。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)以與大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器，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)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(dòng)時(shí)必須加入附加電阻的缺點(diǎn)，并有著無(wú)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與其優(yōu)點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器。系統(tǒng)原理框圖與各部分簡(jiǎn)介本文設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)，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(dòng)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我們需要的交流電。在設(shè)計(jì)中采用三相橋逆變，幵關(guān)器件選用全控型幵關(guān)管 IGBT。電流電壓檢測(cè)：一般在中間直流端采集信號(hào)，作為過(guò)壓，欠壓，過(guò)流保護(hù)信號(hào)?？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(dòng)逆變器工作的信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后去驅(qū)動(dòng)幵關(guān)管的關(guān)斷。選用電動(dòng)機(jī)原始參數(shù)在這次設(shè)計(jì)中，采用中等容量的電動(dòng)機(jī)，具體數(shù)據(jù)如下:額定功率：Pn7.5KW；額定電壓：Un380V；額定電流：1N15.6A；額定轉(zhuǎn)速：nN1450r/min;效率： 86%;功率因數(shù)：cos0.85；過(guò)載系數(shù)： 2.2；電壓波動(dòng)：10%；極對(duì)數(shù)：P2。第2章交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理與方法三相異步電機(jī)工作的基本原理異步電機(jī)的等效電路異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子能量是通過(guò)電磁感應(yīng)而得來(lái)的。 定子和轉(zhuǎn)子之間在電路上沒(méi)有任何聯(lián)系，其電路可用圖2.1來(lái)表示[3]oUi 5 ?祗”aIrjIfiC '—I —

圖2.1異步電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子圖圖2.1中：U1――定子的相電壓；11――定子的相電流；ri、X1 ――定子每相繞組的電阻和漏抗；E2S、丨2S、X2S分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)、電流、漏電抗；El――每相定子繞組反電動(dòng)勢(shì)， 它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生的。 其有效值可計(jì)算如下：(2-1)E1 4.44fiNiK(2-1)式中:E1—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值；t—定子頻率；N1—定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；KN1—基波繞組系數(shù)；m—極氣隙磁通。由電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率 f2Sf1，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，應(yīng)將定子、轉(zhuǎn)子放在一個(gè)電路中。由于定子、轉(zhuǎn)子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進(jìn)行折算。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下列假定條件下：忽略空間和時(shí)間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；忽略磁飽和；忽略鐵損?？梢缘玫诫妱?dòng)機(jī)的T形等效電路圖，由于交流異步電動(dòng)機(jī)三相對(duì)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。廠】0 /wvxJ■*fEl■r*說(shuō)-E|1J圖2.2電動(dòng)機(jī)的T形等效電路圖圖2.2中：rm 勵(lì)磁電阻，是表征異步電動(dòng)機(jī)鐵心損耗的等效電阻；Xm 勵(lì)磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個(gè)參數(shù)；I?！?jiǎng)?lì)磁電流；R――機(jī)械負(fù)載的等效電阻， 在R上消耗的功率就相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率；l2、E2、：r2、X2等參數(shù) 經(jīng)過(guò)折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩(1)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式(2-2)式中Pm的單位為KW；n的單位是r/min;丁的單位是N?m。(2)電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式TeCtM2cos2 (2-3)式中Ct——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；m——主磁通。(3)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式Te22psUr2f1[(sqD)2s2%X2)2](2-4)式中p——磁極對(duì)數(shù)；U1——電源的相電壓;￡——電源頻率。一 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1.3異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指電動(dòng)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 nf(T),它可由(2-3)所決定的Tf(s)曲線變換而來(lái)。異步電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓、額定頻率下，由電動(dòng)機(jī)本身固有的參數(shù)所決定的 nf(T)曲線，叫做電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性圖2.3 異步電動(dòng)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(huà)出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。理想空載點(diǎn)圖2.3中的E點(diǎn)，在這點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速no運(yùn)行(s0)，其電磁轉(zhuǎn)矩T=0。起動(dòng)點(diǎn)圖2.3中的S點(diǎn)，在起動(dòng)點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)已接通電源，但尚未起動(dòng)。對(duì)應(yīng)這一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速n=0(s=1)，電磁轉(zhuǎn)矩稱起動(dòng)轉(zhuǎn)矩st，起動(dòng)是帶負(fù)載的能力一般用起動(dòng)倍數(shù)來(lái)表示，即 。式中,Tn為額定轉(zhuǎn)矩。臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)K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(dòng)機(jī)運(yùn)行在K點(diǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩 Tk，它表示了電動(dòng)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 Sk表示。Tk、Sk根據(jù)式(2—3)用求極值的辦法求出，即：由dTds=0，可得：(2—4)(2—5)(XiX(2—4)(2—5)T 3pUi2 3pUi24f1[r1膚~(X~x2)2] 4fi(x1x2)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，需要有一定的過(guò)載能力，一般用m表示，即2－6）普通電動(dòng)機(jī)的m=2.0?2.2之間，而對(duì)某些特殊用電動(dòng)機(jī)，其過(guò)負(fù)載能力可以更高一些。上述分析說(shuō)明：K的大小影響著電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，K越小，為了保證過(guò)載能力不變，電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載就越小。由 n°（1sQ知：Sk越小，越大，機(jī)械特性就越硬。因此在調(diào)速過(guò)程中， K、sK的變化規(guī)律常常是關(guān)注的重點(diǎn)。特別是研究變頻后的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性， k、Sk就顯得尤其重要。變頻后的機(jī)械特性將會(huì)在下一小節(jié)中介紹。異步電機(jī)變頻調(diào)速原理交流異步電動(dòng)機(jī)是電氣傳動(dòng)中使用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)類型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)異步電動(dòng)機(jī)的使用容量約占拖動(dòng)總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電?dòng)機(jī)的調(diào)速原理十分重要。交流異步電動(dòng)機(jī)是電氣傳動(dòng)中使用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)類型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)異步電動(dòng)機(jī)的使用容量約占拖動(dòng)總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電?dòng)機(jī)的調(diào)速原理十分重要。交流調(diào)速是通過(guò)改變電定子繞組的供電的頻率來(lái)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(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)。電機(jī)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用 n0表示：（2-7）式中：f為三相交流電源頻率，一般是50Hz；p為磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)p=1是，n0=3000r／min；p=2時(shí)，n0=1500r／min。由上式可知磁極對(duì)數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速no就越慢，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n比磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速no要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電動(dòng)機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率 s表示：（2-8）在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，n=0，這時(shí)s=1；啟動(dòng)后的極端情況n=n0，則s=0，即s在0?1之間變化，一般異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的s=1%?6%o綜合（2-7）和（2-8）式可以得出：交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)諧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

nno(1s) p (2-9)由式(2-9)可以看出，對(duì)于成品電機(jī)，其極對(duì)數(shù) p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s的變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，因此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。變頻調(diào)速的控制方式與選定壓頻比恒定控制Vf比恒定控制是異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)在工作過(guò)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(guò)程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的阻抗將隨之變化，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)。在勵(lì)磁不足時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，而勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)時(shí)又會(huì)使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動(dòng)機(jī)中流過(guò)很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的功率損耗，降低電動(dòng)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(shì)有效值是：E1 4.44fiN1KN1m則(2-10)另外，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:(2-11)eCTm2C0S(2-11)其中 CT—與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的常數(shù)；cos2—轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；2—轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；

e—電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。由式(2-10)推斷，若El不變，當(dāng)定子電源頻率仇增加，將引起氣隙磁通m減??；而由式(2-11)可知，m減小又引起電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩e減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負(fù)載能力下降的情況。在Ei不變時(shí)，而定子電源頻率fi減小，又將引起m增加，m增加將導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電流升高，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電動(dòng)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(duì)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?；l以下調(diào)速由式(2-10)可知，要保持m不變，當(dāng)頻率f1從額定值fN向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低巳,使% =常值只要保持E1f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。U1U1巳（「1jxJh式中:U1-定子相電壓；「1-定子電阻；X1-定子阻抗；11-定子電流。電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小， U電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小， U1和E可以=常數(shù)即可?？闯山葡嗟?，所以保持由于Vf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)， U1與E1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(dòng)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(dòng)機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速no方向調(diào)速時(shí)曲線近似平行地下降，減速后的電動(dòng)機(jī)仍然保持原來(lái)較硬的機(jī)械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動(dòng)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(dòng)機(jī)定子的磁通量 m保持恒定，調(diào)速時(shí)就要求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ei與電源頻率fi的比值不變，為了使控制容易實(shí)現(xiàn)，采用電源電壓UEi來(lái)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 U中所占的比例大小決定了它的影響。當(dāng)fi的數(shù)值相對(duì)較高時(shí)，定子阻抗壓降在電壓U中所占的比例相對(duì)較小，UEi所產(chǎn)生的誤差較少；當(dāng)fi的數(shù)值較低時(shí)，定子阻抗壓降在電壓 U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 U中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足UEi。此時(shí)如果仍以U代替Ei，將帶來(lái)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(dòng)勢(shì) Ei減小，的比值減小，造成磁通量 m減小，因而導(dǎo)致電動(dòng)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(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力減弱，影響交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的使用。一種簡(jiǎn)單的解決方法就是所示的 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法。Vf轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法的原理是：針對(duì)頻率f降低時(shí)，電源電壓U成比例地降低引起的U的下降過(guò)低，采用適當(dāng)?shù)奶岣唠妷篣的方法來(lái)保持磁通量m恒定，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說(shuō)明書(shū)又稱它為轉(zhuǎn)矩提升( TorqueBoost)。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(wú)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(duì)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所示在基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從額定頻率fN向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓Un，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(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。n1fn/—n1fn/—flf2fn50HzTi Tn T圖2.7 電動(dòng)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(dòng)機(jī)向高于額定轉(zhuǎn)速no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幵始增大，使得機(jī)械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率fl升高時(shí)，電源電壓不可能相應(yīng)升高。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過(guò)電動(dòng)機(jī)的額定電壓，所以，磁通量m將隨著頻率fl的升高反比例下降。磁通量的下將使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降，造成電動(dòng)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。注：圖中曲線1 在低頻時(shí)沒(méi)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Vf比恒定控制存在的主要問(wèn)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(shì)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(shì)必會(huì)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、下幵關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)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(dòng)，在一定條件下這將會(huì)引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變頻器不能運(yùn)行。其它控制方式1.轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速轉(zhuǎn)差率控制方式是Vf控制的一種改進(jìn)，這種控制需要由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)轉(zhuǎn)差率，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(lái)求取轉(zhuǎn)差角頻率，還要針對(duì)具體電機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、lb、Ic通過(guò)三相兩相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流ml、再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流ml、t1（mi相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流； t1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成比例的電樞電流），然后仿效直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。在高性能的異步電機(jī)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(dòng)態(tài)性能。雖然這一理論的提出是交流傳動(dòng)理論上的一個(gè)飛躍，但是由于它既要確定轉(zhuǎn)子的磁鏈，又要進(jìn)行坐標(biāo)變換，還要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)變動(dòng)帶來(lái)的影響，所以系統(tǒng)非常復(fù)雜。矢量控制變頻器通常應(yīng)用于軋鋼、造紙?jiān)O(shè)備等對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)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(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。日前市場(chǎng)銷售的通用變頻器的控制多半為Vf比恒定控制，它的應(yīng)用比較廣泛，特別是在風(fēng)機(jī)，泵與土木機(jī)械等方面應(yīng)用較多，比恒定控制的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電機(jī)的幵環(huán)速度控制。從以上的分析可看出，Vf控制常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)控制是轉(zhuǎn)速幵環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單,負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)，所以這種控制方法通用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好，是目前控制通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。由氓,f在本設(shè)計(jì)中采用控制第3章變頻器主電路設(shè)計(jì)3.1主電路的工作原理變頻調(diào)速實(shí)際上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡ㄕ?，濾波），再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。在本設(shè)計(jì)中采用圖3.1的主電路，這也是變頻器常用的格式[4]。

主電路各部分的設(shè)計(jì)交直電路設(shè)計(jì)選用整流管VD!VD6組成三相整流橋，對(duì)三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的電壓為Ud=1.35UL=1.35X380V=513V。濾波電容Cf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Cf的充電電流很大，過(guò)大的沖擊電流可能會(huì)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Rl，從而使電容Cf的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng) Cf充電到一定程度，使Sl閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，Sl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(zhǎng)（數(shù)分鐘） ，幾百伏的電壓會(huì)威脅人員安全。因此維修時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。Rb為制動(dòng)電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動(dòng)機(jī)的減速是通過(guò)降低變頻器的輸出頻率而實(shí)現(xiàn)的，在電動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過(guò)快時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(guò)電壓保護(hù)動(dòng)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， Rb和Vb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(dòng)三極管Vb導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動(dòng)電阻上。直交電路設(shè)計(jì)選用逆變開(kāi)關(guān)管V1V6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VD7VD12的作用是：當(dāng)逆變開(kāi)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?dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開(kāi)始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動(dòng)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)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RoiR06，電容CoiC06,二極管VD°1VD06組成緩沖電路，來(lái)保護(hù)逆變管。由于幵關(guān)管在幵通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流 Ic和集電極與發(fā)射極間的電壓Vce的沖擊，因此要通過(guò)緩沖電路進(jìn)行緩解。 當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，Vce迅速上升，Ic迅速降低，過(guò)高增長(zhǎng)的電壓對(duì)逆變管造成危害，所以通過(guò)在逆變管兩端并聯(lián)電容（CoiC06）來(lái)減小電壓增長(zhǎng)率。當(dāng)逆變管幵通時(shí)， Vce迅速下降，Ic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(guò)逆變管放電，這將加速電流 Ic的增長(zhǎng)率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻RoiR06，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(huì)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（VDoiVD06），使電容充電時(shí)避幵電阻，通過(guò)二極管充電。放電時(shí)，通過(guò)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。因本次設(shè)計(jì)所選用的電動(dòng)機(jī)為中容量型，在此選用此種緩沖電路。變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理整流電路整流電路是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(jiǎn)單，功率因數(shù)接近于i，由于整流電路原理比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中不再做詳細(xì)的介紹[5]。逆變的基本工作原理將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過(guò)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：（i）單相逆變電路在圖3.2的單相逆變電路的原理圖中：當(dāng)s、S4同時(shí)閉合時(shí)，Uab電壓為正；S2、S3同時(shí)閉合時(shí)，Uab電壓為負(fù)。由于幵關(guān)Si?S4的輪番通斷，從而將直流電壓Ud逆變成了交流電壓Uab?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€(gè)周期中，一個(gè)臂中的兩個(gè)幵關(guān)如： S、S2交替導(dǎo)通，每個(gè)幵關(guān)導(dǎo)通 電角度。因此交流電的周期(頻率)可以通過(guò)改變幵關(guān)通斷的速度來(lái)調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值 Udo圖3.2單相逆變器原理圖三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見(jiàn)圖3.3所示。圖3-3中，S?S6組成了橋式逆變電路，這6個(gè)幵關(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23的三相交流電壓。當(dāng)S,、S4閉合時(shí)，Uuv為正；S3、S2閉合時(shí)，Uuv為負(fù)。用同樣的方法得：當(dāng)S3、S6同時(shí)閉合和S5、S4同時(shí)閉合，得到UvW,S5,S2同時(shí)閉合和Si、S6同時(shí)閉合，得到UwUo為了使三相交流電UuV、Uvw、Uwu在相位上依次相差23；各幵關(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UuV、Uvw、Uwu波形如圖3.3c所示3?Wj.Sjcw|S]ONsTSh~~1 S]ON$4CUNa）結(jié)構(gòu)圖b）幵關(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)幵關(guān)的位置與波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：各橋臂上的幵關(guān)始終處于交替打幵、關(guān)斷的狀態(tài)如 Si、S20各相的幵關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差2/ 電角度。女口S3比牝帶后，S5比§3滯后 °上述分析說(shuō)明，通過(guò)6個(gè)幵關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)

節(jié)幵關(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(guò) Ud的大小來(lái)調(diào)節(jié)。3.2主電路參數(shù)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 ⑹：整流二極管的參數(shù)計(jì)算Im（峰值電流）二x2In=2X15.6=22.06AId（有效值）二lm/Q=15.6A二極管額定電流值le=（1.5?2）Id/1.57=14.91A ?19.88A額定電壓值Ue=（2?3）Um=（2?3）X.2X380=1074.64V?1611.96V濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后 Ud=1.1X2X380=591.05V。制動(dòng)部分制動(dòng)電阻粗略計(jì)算為 ?5In=18.94 ?37.89V擊穿電壓：當(dāng)線電壓為380V時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選1000VoVb集電極最大電流cm:按照正常電壓流經(jīng)Rb電流的兩倍來(lái)計(jì)算：=2X591.05/18.94=62.41A4.IGBT的選用峰值電壓二（2?2.5）X1.1..XX380=1182.1V?1477.63V集電極電流lc=（1.2?2）lm=（1.2?2）XInX入X2=58.23?97.06A集電極-發(fā)射極額定電壓》1.2倍最高峰值電壓=1.2X1477.63V=1773.16VIGBT與驅(qū)動(dòng)模塊介紹IGBT簡(jiǎn)介與驅(qū)動(dòng)要求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。眾所周知，構(gòu)成 IGBT的MOSFET和BJT各有其優(yōu)缺點(diǎn)。MOSFET屬于單極型器件，具有幵關(guān)頻率高、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)運(yùn)行容易、控制功率小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大，耐壓水平不容易提高。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)點(diǎn)，缺點(diǎn)是幵關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，有二次擊穿現(xiàn)象以與控制功率大。因此，兼具 MOSFET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、幵關(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在大功率幵關(guān)電源設(shè)備中的地位越來(lái)越重要，如UPS、電焊機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、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I(mǎi)GBT模塊的損壞以降低幵發(fā)成本和提高整機(jī)可靠性， 就成為設(shè)計(jì)者和使用者所必須關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題.關(guān)于IGBT的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)、特性等在電力電子書(shū)本里已經(jīng)有詳細(xì)介紹，在這里不在贅述 [7]oIGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化。隨著柵極正向電壓Uge的增加，通態(tài)壓降減小，幵通損耗也減小?若Uge固定不變時(shí)，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，幵通損耗隨結(jié)溫升高而增大。隨著柵極反向電壓 Uge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。隨著柵極串聯(lián)電阻Rg增加，將使IGBT的幵通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使IGBT幵關(guān)損耗增加；而Rg減小，d則又將使 增大，從而使IGBT在幵關(guān)過(guò)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。通過(guò)以上分析可以看出，一個(gè)理想的 IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能:通常IGBT的柵極電壓最大額定值為 20V，若超過(guò)此值，柵極就會(huì)被擊穿，導(dǎo)致器件損壞。為防止柵極過(guò)壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。IGBT存在2.5?6V(T=25C)的柵極幵啟電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于此幵啟電壓時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須大于其幵啟電壓。當(dāng)要求IGBT工作于幵關(guān)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會(huì)造成器件損壞。正向柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅值的選取應(yīng)同時(shí)考慮在額定運(yùn)行條件下和一定過(guò)載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，貝V通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。對(duì)無(wú)短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路而言，驅(qū)動(dòng)電壓高一些有好處，可使器件在各種過(guò)流場(chǎng)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(hù)的場(chǎng)合，不希望器件工作于過(guò)飽和狀態(tài)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓小一些，可減小短路電流，對(duì)短路保護(hù)有好處。此時(shí)，柵極電壓可取為 13V。另外，為減小幵通損耗，要求柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿要陡。 IGBT的柵極等效為一電容負(fù)載，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的內(nèi)阻要小。當(dāng)柵極信號(hào)低于其幵啟電壓時(shí)，IGBT就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷時(shí)間，關(guān)斷過(guò)程中應(yīng)盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。器件關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供低阻抗的放電通路。一般柵極反向電壓取為 -(5?0)V。當(dāng)IGBT關(guān)斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。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(qū)動(dòng)電路需要提供動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電流。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當(dāng) IGBT高頻運(yùn)行時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)功率也是不小的，因此，驅(qū)動(dòng)電路必須能提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流和功率。IGBT是高速幵關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場(chǎng)合，關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短，否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的集電極尖峰電壓。柵極電阻 Rg對(duì)IGBT的幵關(guān)時(shí)間有直接的影響。柵極電阻過(guò)小，關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高，會(huì)對(duì)器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過(guò)大，器件的幵關(guān)速度降低，幵關(guān)損耗增大，也會(huì)降低其工作效率和對(duì)其安全運(yùn)行造成危險(xiǎn)，所以柵極電阻的上限受到幵關(guān)損耗的限制。對(duì) 600VIGBT器件，柵極電阻可據(jù)下式確定：尺=(1?10)X625/Ie式中，Ie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10o對(duì)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。驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間應(yīng)隔離。在許多設(shè)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(qū)動(dòng)電路具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作，同時(shí)也有利于維修調(diào)試人員的人身安全.驅(qū)動(dòng)電路和柵極之間的引線應(yīng)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(yīng)噪聲的影響。采用光耦器件隔離時(shí)，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。輸入輸出信號(hào)傳輸盡量無(wú)延時(shí)。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后， 另一方面能提高保護(hù)的快速性。電路簡(jiǎn)單，成本低。當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí)，能在 IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵極電壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn) IGBT軟關(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過(guò)離的 °在雜散電感的i作用下，過(guò)高 會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電壓尖峰，使IGBT承受不住而損壞。同樣的，驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響，即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，無(wú)論此時(shí)有無(wú)輸入信號(hào)，都應(yīng)無(wú)條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷.在各種設(shè)備中，二極管的反向恢復(fù)、分布電容與關(guān)斷吸收電路等都會(huì)在IGBT幵通時(shí)造成尖峰電流，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過(guò)流的能力，在尖峰電流過(guò)后，應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓，保證電路的正常工作。在出現(xiàn)短路、過(guò)流的情況下，能迅速發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào)，供控制電路處理。EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于以上的驅(qū)動(dòng)要求，在設(shè)計(jì)中采用 EXB840,它是一種高速驅(qū)動(dòng)集成電路最高使用頻率為40KHZ驅(qū)動(dòng)150A/600V或者75A/1200V的IGBT,驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲小于1.5s,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(qū)動(dòng)放大電路，過(guò)流檢測(cè)急保護(hù)電路以與電源電路組

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(hào)。過(guò)流檢測(cè)與保護(hù)電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電平和集電極電壓之間的關(guān)系 ，檢測(cè)是否有過(guò)電流現(xiàn)象存在，如果有過(guò)電流，保護(hù)電路將迅速關(guān)斷IGBT，防止過(guò)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(dòng)勢(shì)升高，使IGBT集電極電壓過(guò)高而損壞IGBT，電源電路將20V外部供電電源變成15V的幵柵電壓和-5V的關(guān)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(qū)動(dòng)輸出，引腳4用于連接外部電容器，防止過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)作(一般場(chǎng)合不需要這個(gè)電容)，引腳5為過(guò)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(dòng)信號(hào)輸入端，其余引腳不用。(+)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入(-)過(guò)電流保護(hù)信號(hào)外接電容(防止輸出(低電平)過(guò)流信號(hào)誤驅(qū)動(dòng))..集電極(+)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入(-)過(guò)電流保護(hù)信號(hào)外接電容(防止輸出(低電平)過(guò)流信號(hào)誤驅(qū)動(dòng))..集電極6電壓采集呵引腳托加反向」⑥電源(0V)2電源(+20V)過(guò)電流

保護(hù)環(huán)節(jié)VJ13.4A光電耦合器3驅(qū)動(dòng)輸出<1接反向偏采用EXB840的IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用EXB840集成電路驅(qū)動(dòng)的IGBT的典型應(yīng)用電路如圖3.5所示［8］。其中ERA34-10是快速恢復(fù)二極管。IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)連線應(yīng)該用雙絞線，長(zhǎng)交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)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RGonEP心圖3.5EXB840nEP心圖3.5EXB840組成的驅(qū)動(dòng)電路交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4章控制回路設(shè)計(jì)控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號(hào)的電路，其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)控制。控制方式有模擬控制和數(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(jiǎn)單的硬件電路，主要依靠軟件來(lái)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(lái)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：驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。以下將介紹SPWM技術(shù)工作原理和設(shè)計(jì)中所選用能產(chǎn)生SPWM波芯片SA4828的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。SPWM調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介脈寬調(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)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，對(duì)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。近幾年來(lái)。由于場(chǎng)控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)。相應(yīng)高頻SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)在電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用，不僅能與時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制技術(shù)，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(jī)的工作效率，擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。實(shí)際工程中目前主要采用的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。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進(jìn)行控制，則機(jī)械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時(shí)，也要相應(yīng)改變定子的端電壓。若采用等脈寬PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴(yán)重的高次諧波，會(huì)危害電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。為減小輸出信號(hào)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(hào)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(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)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)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最?。划?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(hào)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)作為逆變幵關(guān)管的幵通與關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時(shí)，幵關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時(shí)，幵關(guān)器件關(guān)斷。雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬PWM信號(hào)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，受到逆變幵關(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作為逆變幵關(guān)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。可由模擬電路分別圖圖4.1圖4.1SPWM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(hào)，由于需要通過(guò)計(jì)算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM信號(hào)的頻率與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)都較慢。對(duì)于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動(dòng)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(duì)一般交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，可以直接采用三相 SPWM調(diào)制信號(hào)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(hào)發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機(jī)接口，完成對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能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 0?4kHz，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，AD3AD2ADIAD5ADDAD6TDD霧出了其引腳排RDZPPEiLERESETI?PHTSETTRIPCSVPHTTRIPEPHTRFHBVssYPHBBPHB21201?1821201?18171?28―列示⑴］。2.SA4828引腳功能 __⑴］。SA4828采用28腳封裝。下9121410

1214圖4.2 SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說(shuō)明如下：(1)輸入類管腳說(shuō)明AD0?AD7:8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。SETTRIP:通過(guò)該引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號(hào)輸出，高電平有效。RESET:復(fù)位端，低電平有效。CLK:時(shí)鐘信號(hào)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)分幵的總線，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(lái)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)。CS: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。WR、RD：Intel（Motorola）總線控制write、read信號(hào)。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(shuō)明RPHB、YPHB、BPHB:這些弓I腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的 R、Y、B相的下臂幵關(guān)管。RPHT、YPHT、BPHT:這些引腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的 R、Y、B相的上臂幵關(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(dòng)能力，可以直接驅(qū)動(dòng)光耦。TRIP: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。SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理SA4828為28弓I腳的DIP或SOIC封裝的控制芯片，內(nèi)部具有總線控制與譯碼電路，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(dòng)生成SPWM輸出脈沖，然后通過(guò)脈沖刪除電路刪除窄脈沖（如圖4.3）

I—RESET ADO-顧因?yàn)檫@種成死區(qū)，從而保證橋上H勺管子不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期CO翱TH0L［巧AND防止程序跑飛，當(dāng)條件滿足時(shí)快速封活7輸出。所示。I—RESET ADO-顧因?yàn)檫@種成死區(qū)，從而保證橋上H勺管子不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期CO翱TH0L［巧AND防止程序跑飛，當(dāng)條件滿足時(shí)快速封活7輸出。所示。FLUEEFKT!管扌間導(dǎo)通短路二看門(mén)狗定時(shí)器用來(lái)—H.fCOrp叩⑶卄曲5TUPKJ■SACLOCKHJLSliWLAYcfkcurrPULSEEDOU￡0MUXt>BSOcowntotY"WTLaTT^IIROMS亠十BFKT&BFH5oTftlP、SETTEIF圖4.4 SA4828原理框圖SA4828的設(shè)置是通過(guò)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（初始化寄存器和控制寄存器）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。初始化寄存器用于設(shè)定與交流電動(dòng)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^(guò)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(dòng)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(xiě)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制。參數(shù)的設(shè)定是通過(guò)8個(gè)暫存器Ro、R、F2、F3、R4、R5、R4、R5來(lái)傳送的。其中R14和Ris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(xiě)入Ro?Rs，然后通過(guò)對(duì)R4的寫(xiě)操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫(xiě)入Ro?Rs，并通過(guò)對(duì)Ris的寫(xiě)操作將參數(shù)送入控制寄存器。 SA4828各控制寄存器的地址見(jiàn)表4.1所列。表4.1各寄存器地址寄存器AD3AD2AD1AD0地址

R0000000HR1000101HR2001002HR3001103HR4010004HR5010105HR1411100EHR1511110FH4.2保護(hù)電路保護(hù)電路的主要功能是對(duì)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，進(jìn)行各種必要的處理 [12]0過(guò)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)過(guò)壓、欠壓保護(hù)是針對(duì)電源異常、主韓電壓超過(guò)或低于一定數(shù)值時(shí)考慮的' 10%0通常情當(dāng)輸入電源電壓過(guò)高，過(guò)壓、欠壓保護(hù)是針對(duì)電源異常、主韓電壓超過(guò)或低于一定數(shù)值時(shí)考慮的' 10%0通常情當(dāng)輸入電源電壓過(guò)高，通用變頻器輸入電源況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入;電壓保持固定關(guān)將使直流側(cè)電壓過(guò)高0過(guò)高的直流電壓對(duì)自I?!的安全構(gòu)成威脅,很可能超過(guò)的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞&占輸叢路元件構(gòu)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(dǎo)致SA4828輸出錯(cuò)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(duì)系統(tǒng)的電壓進(jìn)行電源電壓允許波動(dòng)的范圍一般是額定輸入電壓的TJ電宅_託ui： 入竝:電壓壓過(guò)低時(shí)，雖不會(huì)對(duì)主回IGBT保護(hù)。圖4.5為本文介紹的變頻器過(guò)壓保護(hù)電路圖4.5 過(guò)電壓保護(hù)電路

它直接對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)。其中電壓信號(hào)的取樣是通過(guò)電阻R和R2分壓得到的，電容G起濾波抗干擾作用，防止電路誤動(dòng)作。過(guò)壓設(shè)定值從電位器W上取出。運(yùn)放Ui：A接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)（異常情況下），比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其中電阻R5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(hào)在給定點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)比較器抖動(dòng)，這里將過(guò)壓保護(hù)的動(dòng)作值整定為額定輸入電壓的欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長(zhǎng)時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定欠電肅致逆變器開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)功率不足而般欠壓信號(hào)從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，譎阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號(hào)在給定點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)比較器抖動(dòng)，這里將過(guò)壓保護(hù)的動(dòng)作值整定為額定輸入電壓的欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長(zhǎng)時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定欠電肅致逆變器開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)功率不足而般欠壓信號(hào)從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，譎電岳時(shí)檢測(cè)出信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，又不會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)間因?yàn)樵谇稩電壓，過(guò)電壓并未構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)而保護(hù)誤動(dòng)作 西廠另一種是瞬時(shí)停電或瞬時(shí)電壓降低燒壞幵關(guān)器件。110%。二的數(shù)值。欠壓保護(hù)電路的原理與過(guò)壓保護(hù)電路類似。其電壓取樣與過(guò)壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由W2上取出。運(yùn)放Ui:B接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)（正常情況下），比較器輸出高電平，光耦器件不導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)取樣電壓低于設(shè)定值時(shí)（欠壓情況下），比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其電路下圖所示。動(dòng)作值整定為輸入電壓的 85%。圖4.6 欠壓保護(hù)電路本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運(yùn)行前，變頻器本身可以對(duì)過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測(cè)其保護(hù)電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機(jī)控制發(fā)出各種等效故障信號(hào)，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的保護(hù)電路是否動(dòng)作，若動(dòng)作則說(shuō)明保護(hù)電路正常，反之說(shuō)明保護(hù)電路本身有故障，應(yīng)停機(jī)對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行檢查，直

到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制 HS0.2口發(fā)出一高電平，經(jīng)非門(mén)整形后輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，有電流流過(guò)三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號(hào)分別送至過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路。因 SA4828的SETTRIP端為高電平有效，所以應(yīng)加上一個(gè)反相器，使其反相后輸出高電平。以下的過(guò)流信號(hào)也是如此?故障自診斷電路如圖4.7所示[13]:+15V §+15V §過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)圖4.7 故障自診斷電路c+5V-157 | 0變頻器在諸如直流短路測(cè)橋臂短路、輸出短E訂對(duì)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(jié)構(gòu)決定了它在足夠大的電流下會(huì)出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控?zé)o法關(guān)斷，以至燒壞，所以過(guò)流之前必須使IGBT關(guān)斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊EXB840中已經(jīng)有過(guò)流保護(hù)，但考慮到過(guò)大時(shí)IGBT還未來(lái)得與關(guān)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(yīng)磁場(chǎng)補(bǔ)償式電流傳感器來(lái)進(jìn)行電流的檢測(cè)。在此傳感器的輸出端串電阻 R,則R上的壓降反應(yīng)了被測(cè)的電流。過(guò)流發(fā)生時(shí)，R上的壓降大于過(guò)流保護(hù)動(dòng)作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，即可使橋臂上的所示:R28HSO.2口巒斷信WR32自診斷信號(hào)有IGBT示:R28HSO.2口巒斷信WR32自診斷信號(hào)有IGBT處于截止