基于8051單片機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要近年來,溝通電機(jī)變頻調(diào)速及其相關(guān)技術(shù)的探討己成為現(xiàn)代電氣傳動領(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及溝通電機(jī)限制理論的發(fā)展，溝通變頻調(diào)速技術(shù)還將會取得巨大進(jìn)步。本文對變頻調(diào)速理論，逆變技術(shù)，SPWM產(chǎn)生原理進(jìn)行了探討，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限制專用集成芯片SA4828為限制核心，采納IGBT作為主功率器件，同時(shí)采納EXB840構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，整流電路采納二極管，可使功率因數(shù)接近1，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡潔。本文在限制上采納恒限制，同時(shí)，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運(yùn)行方式的變更極為便利，新型集成元件的采納也使得它的開發(fā)周期短。另外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的運(yùn)用和編程進(jìn)行了具體介紹，完成了整個(gè)系統(tǒng)限制部分的軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字:變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制，限制，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;SA4828WaveGenerator目錄摘要 iAbstract ii1緒論 11.1變頻調(diào)速技術(shù)簡介 11.2變頻器的發(fā)呈現(xiàn)狀和趨勢 21.2.1變頻器的發(fā)呈現(xiàn)狀 21.2.2變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢 21.3探討的目的與意義 31.4本次設(shè)計(jì)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(jī)原始參數(shù) 62溝通異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理及方法 82.1三相異步電機(jī)工作的基本原理 82.1.1異步電機(jī)的等效電路 82.1.2異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 92.1.3異步電動機(jī)的機(jī)械特性 102.1.4異步電機(jī)變頻調(diào)速原理 122.2變頻調(diào)速的限制方式及選定 132.2.1比恒定限制 132.2.2其它限制方式 183變頻器主電路設(shè)計(jì) 203.1主電路的工作原理 203.1.1主電路各部分的設(shè)計(jì) 203.1.2變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理 213.2主電路參數(shù)計(jì)算 243.3IGBT及驅(qū)動模塊介紹 253.3.1IGBT簡介及驅(qū)動要求 253.3.2EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 273.3.2采納EXB840的IGBT驅(qū)動電路 284限制回路設(shè)計(jì) 304.1驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 304.1.1SPWM調(diào)制技術(shù)簡介 304.1.2SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能 324.1.3SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 334.2愛護(hù)電路 364.2.1過、欠壓愛護(hù)電路設(shè)計(jì) 364.2.2過流愛護(hù)設(shè)計(jì) 384.3限制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 395變頻器軟件設(shè)計(jì) 425.1流程圖 425.2SA4828的編程 425.2.1初始化寄存器編程 425.2.2限制寄存器編程 455.3程序設(shè)計(jì) 46總結(jié) 56參考文獻(xiàn) 57致謝 581緒論1.1變頻調(diào)速技術(shù)簡介變頻調(diào)速技術(shù)是一種以變更溝通電動機(jī)的供電頻率來達(dá)到溝通電動機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)。大家都知道，目前，無論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。從大的范圍來分，電機(jī)有直流電機(jī)和溝通電機(jī)。由于直流機(jī)調(diào)速簡潔實(shí)現(xiàn)，性能好，因此過去生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速多用直流電動機(jī)。但直流機(jī)固有的缺點(diǎn)：由于采納直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要常常拆換，故費(fèi)時(shí)費(fèi)工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。因此人們希望，讓簡潔牢靠廉價(jià)的籠式溝通電機(jī)也像直流電動機(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)速等溝通調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電機(jī)、繞線式電機(jī)、同步式溝通電機(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溝通電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動的中樞[1]。變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種志向的溝通調(diào)速方法。但如何得到一個(gè)單獨(dú)向異步電動機(jī)供電的經(jīng)濟(jì)牢靠的變頻電源，始終是溝通變頻調(diào)速的主要課題。20世紀(jì)60年頭中期，隨著一般的晶閘管、小功率管的好用化，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)的溝通電。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，大多是為特定的限制對象而研制的，容量普遍偏小，限制方式也很不完善，調(diào)速后電動機(jī)的靜、動態(tài)性能還有待提高，特殊是低速的性能不志向，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。20世紀(jì)70年頭以后，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)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，起先出現(xiàn)了通用變頻器。它功能豐富，可以適用于不同的負(fù)載和場合，特殊是進(jìn)入20世紀(jì)90年頭，隨著半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT、矢量限制技術(shù)的成熟，微機(jī)限制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動機(jī)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(dǎo)體開關(guān)器件、傳感器的性能越來越高，進(jìn)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，操作也很便利，其壽命和牢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溝通電或其他電源。它分為干脆變頻(又稱交-交變頻)，即把市電干脆變成比它頻率低的溝通電，大量用在大功率的溝通調(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溝通。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(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、限制部分及愛護(hù)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)呈現(xiàn)狀和趨勢變頻器的發(fā)呈現(xiàn)狀進(jìn)入90年頭，通用變頻器以其優(yōu)異的限制性能，在調(diào)速領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，并在工業(yè)領(lǐng)域及家電產(chǎn)品中得到快速推廣。此外，變頻技術(shù)和變頻器制造己經(jīng)從一般意義的拖動技術(shù)中分別出來，成為世界各國在工業(yè)自動化和機(jī)電一體化領(lǐng)域中爭強(qiáng)占先的陣地，各發(fā)達(dá)國家更是在該技術(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、美國及法國、荷蘭、丹麥等國家可以說是齊頭并進(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)品所占據(jù)，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(dá)。由于這些國家、地區(qū)的工業(yè)基礎(chǔ)好、制造業(yè)發(fā)達(dá)、開發(fā)生產(chǎn)實(shí)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探討、開發(fā)、生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有雄厚的技術(shù)實(shí)力，信任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。變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢在進(jìn)入21世紀(jì)的今日，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）,使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動裝置；永久磁鐵電動機(jī)也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術(shù)的快速普及，以及人類思維理念的變更，變頻器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展快速，將來主要朝以下幾個(gè)方面發(fā)展[2]：1.網(wǎng)絡(luò)智能化智能化的變頻器買來就可以用，不必進(jìn)行那么多的設(shè)定，而且可以進(jìn)行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理限制系統(tǒng)。2.特地化和一體化變頻器的制造特地化，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、張力限制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機(jī)一體化的趨勢，使變頻器成為電動機(jī)的一部分，可以使體積更小，限制更便利。3.環(huán)保無公害愛護(hù)環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。21世紀(jì)的電力拖動裝置應(yīng)著重考慮：節(jié)能，變頻器能量轉(zhuǎn)換過程的低公害，使變頻器在運(yùn)用過程中的噪聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問題削減到最小程度。4.適應(yīng)新能源現(xiàn)在以太陽能和風(fēng)力為能源的燃料電池以其低廉的價(jià)格嶄露頭角，有青出于藍(lán)之勢。這些發(fā)電設(shè)備的最大特點(diǎn)是容量小而分散，將來的變頻器就要適應(yīng)這樣的新能源，既要高效，又要低耗。現(xiàn)在電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代限制技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步。這種進(jìn)步集中體現(xiàn)在溝通調(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。1.3探討的目的與意義在工業(yè)發(fā)展的初級階段，人們主要運(yùn)用集中傳動。作為動力的鼠籠電動機(jī)，是不須要調(diào)速的。它只須要滿意各種生產(chǎn)條件對它提出的起動和穩(wěn)速運(yùn)行的要求就可以，調(diào)速的任務(wù)是由皮帶和齒輪來完成。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)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(jī)的調(diào)速技術(shù)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(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、難于解決的問題。隨著溝通傳動電動機(jī)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，溝通電動機(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，溝通調(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)。由于溝通調(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(dǎo)體器件的出現(xiàn)，如既能限制導(dǎo)通又能限制關(guān)斷的門極可關(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狀況下工作的MOSFET；既有MOS管柵極驅(qū)動電壓功率小和驅(qū)動線路簡潔，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；以及內(nèi)部既有大功率開關(guān)器件，又有各種驅(qū)動電路和過壓、過流等愛護(hù)電路的智能型功率模塊IPM等器件的應(yīng)用，不僅使溝通調(diào)速系統(tǒng)限制裝置體積小，效率高，而且還更簡潔實(shí)現(xiàn)各種功能困難但在結(jié)構(gòu)上簡潔的限制方案，更加充溢和推動了變頻器理論的進(jìn)一步發(fā)展。能完成各種困難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(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世，為高質(zhì)量的限制創(chuàng)建了良好的條件。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)限制方案，通過快速檢測電流實(shí)現(xiàn)PWM限制的變頻技術(shù)，通過干脆限制轉(zhuǎn)矩來快速限制轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速自調(diào)整技術(shù)，以及具有很強(qiáng)抗干擾實(shí)力的變結(jié)構(gòu)限制系統(tǒng)等等，都極大地豐富了電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的內(nèi)容?？傊?，溝通電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特殊是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必將使之應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，以體現(xiàn)出不同的功能，達(dá)到不同的目的，收到相應(yīng)的效益。因此，本論文通過對變頻器的探討，對于溝通變頻調(diào)速系統(tǒng)理論的應(yīng)用，有著實(shí)際的意義和肯定的應(yīng)用價(jià)值。1.4本次設(shè)計(jì)方案簡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，供應(yīng)溝通電動機(jī)。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。1.交-交型變頻器：它的功能是把一種頻率的溝通電干脆變換成另一種頻率可調(diào)電壓的溝通電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），又稱干脆式變頻器。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。但這種限制方式確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溝通通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調(diào)的溝通，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。它依據(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)采納大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變更，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)的儲能元件采納大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向溝通電動機(jī)供應(yīng)溝通電功率，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、小容量的溝通傳動系統(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)傳動系統(tǒng)以及大容量風(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時(shí)必需加入附加電阻的缺點(diǎn)，并有著無須附加任何設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中采納電壓型變頻器。系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設(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，中大功率的采納三相380V電源。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采納中等容量的電動機(jī)，所以采納三相380V電源。整流電路：整流部分將溝通電變?yōu)槊}動的直流電，必需加以濾波。在本設(shè)計(jì)中采納三相不行控整流。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)中采納電壓型變頻器，所以采納電容濾波，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，消退干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們須要的溝通電。在設(shè)計(jì)中采納三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流愛護(hù)信號。限制電路：采納8051單片機(jī)和SPWM波生成芯片SA4828，限制電路的主要功能是接受各種設(shè)定信息和指令，依據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。1.4.3選用電動機(jī)原始參數(shù)在這次設(shè)計(jì)中，采納中等容量的電動機(jī)，具體數(shù)據(jù)如下：額定功率：；額定電壓：；額定電流：；額定轉(zhuǎn)速：；效率：；功率因數(shù)：cosφ=0.85；過載系數(shù)：λ=2.2；電壓波動：±10%；極對數(shù)：P=2。2溝通異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理及方法2.1三相異步電機(jī)工作的基本原理異步電機(jī)的等效電路異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子能量是通過電磁感應(yīng)而得來的。定子和轉(zhuǎn)子之間在電路上沒有任何聯(lián)系，其電路可用圖2.1來表示[3]。圖2.1異步電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的。其有效值可計(jì)算如下：（2-1）式中:—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動勢有效值；—定子頻率；—定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；—基波繞組系數(shù)；—極氣隙磁通。由電動機(jī)的基礎(chǔ)學(xué)問可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率，與轉(zhuǎn)差率成正比，所以轉(zhuǎn)子回路中的各電量也都與轉(zhuǎn)差率成正比。為了便利定量分析定、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，故必需進(jìn)行折算。依據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下列假定條件下：a.忽視空間和時(shí)間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；b.忽視磁飽和；c.忽視鐵損。可以得到電動機(jī)的T形等效電路圖，由于溝通異步電動機(jī)三相對稱，所以現(xiàn)只取A相進(jìn)行計(jì)算分析。A相的T形等效電路如圖2.2所示。圖2.2電動機(jī)的T形等效電路圖圖2.2中：——勵磁電阻，是表征異步電動機(jī)鐵心損耗的等效電阻；——勵磁電抗，是表征鐵心磁化實(shí)力的一個(gè)參數(shù)；——勵磁電流；——機(jī)械負(fù)載的等效電阻，在=,在上消耗的功率就相當(dāng)于異步電動機(jī)輸出的機(jī)械功率；等參數(shù)——經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩（1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式（2-2）式中的單位為KW；的單位是；Ｔ的單位是。（2）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式=（2-3）式中——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；——主磁通。（3）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式=（2-4）式中——磁極對數(shù)；——電源的相電壓；——電源頻率。2.1.3異步電動機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即=，它可由（2-3）所確定的曲線變換而來。異步電動機(jī)工作在額定電壓、額定頻率下，由電動機(jī)本身固有的參數(shù)所確定的曲線，叫做電動機(jī)的自然機(jī)械特性。圖2.3異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線只要確定曲線上的幾個(gè)特殊點(diǎn)，就能畫出電動機(jī)的機(jī)械特性。1.志向空載點(diǎn)圖2.3中的E點(diǎn)，在這點(diǎn)上，電動機(jī)以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行（=0），其電磁轉(zhuǎn)矩T=0。2.起動點(diǎn)圖2.3中的S點(diǎn)，在起動點(diǎn)上，電動機(jī)已接通電源，但尚未起動。對應(yīng)這一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速＝0（ｓ＝1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動轉(zhuǎn)矩，起動是帶負(fù)載的實(shí)力一般用起動倍數(shù)來表示，即。式中,為額定轉(zhuǎn)矩。3.臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)Ｋ是一個(gè)特別重要的點(diǎn)，它是機(jī)械特性穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點(diǎn)。電動機(jī)運(yùn)行在Ｋ點(diǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩，它表示了電動機(jī)全部能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率叫臨界轉(zhuǎn)差率，用表示。、依據(jù)式（2－3）用求極值的方法求出，即：由＝0，可得：（2－4）（2－5）電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，須要有肯定的過載實(shí)力，一般用表示，即＝（2-6）一般電動機(jī)的＝2.0～2.2之間，而對某些特殊用電動機(jī)，其過負(fù)載實(shí)力可以更高一些。上述分析說明：的大小影響著電動機(jī)的過載實(shí)力，越小，為了保證過載實(shí)力不變，電動機(jī)所帶的負(fù)載就越小。由知：越小，越大，機(jī)械特性就越硬。因此在調(diào)速過程中，、的變更規(guī)律常常是關(guān)注的重點(diǎn)。特殊是探討變頻后的電動機(jī)機(jī)械特性，、就顯得尤其重要。變頻后的機(jī)械特性將會在下一小節(jié)中介紹。異步電機(jī)變頻調(diào)速原理溝通異步電動機(jī)是電氣傳動中運(yùn)用最為廣泛的電動機(jī)類型。依據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國異步電動機(jī)的運(yùn)用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨希虼肆私猱惒诫妱訖C(jī)的調(diào)速原理特別重要。溝通異步電動機(jī)是電氣傳動中運(yùn)用最為廣泛的電動機(jī)類型。依據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國異步電動機(jī)的運(yùn)用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電動機(jī)的調(diào)速原理特別重要。溝通調(diào)速是通過變更電定子繞組的供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相溝通電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動機(jī)轉(zhuǎn)起來。電機(jī)磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用表示：（2-7）式中：為三相溝通電源頻率，一般是50Hz；為磁極對數(shù)。當(dāng)=1是，=3000r／min；=2時(shí)，=1500r／min。由上式可知磁極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速比磁場的同步轉(zhuǎn)速要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電動機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率表示：QUOTEs=n1-nn1×100%在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，=0，這時(shí)=1；啟動后的極端狀況=，則=0，即在0～1之間變更，一般異步電動機(jī)在額定負(fù)載下的=1%～6%。綜合（2-7）和（2-8）式可以得出：（2-9）由式（2-9）可以看出，對于成品電機(jī)，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率的變更不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此變更輸入電源的頻率就可以變更電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。2.2變頻調(diào)速的限制方式及選定比恒定限制比恒定限制是異步電動機(jī)變頻調(diào)速中最基本的限制方式。它是在變更變頻器輸出電壓頻率的同時(shí)變更輸出電壓的幅值，以維護(hù)電機(jī)磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。限制是目前通用變頻器中廣泛采納的限制方式。三相溝通異步電動機(jī)在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動機(jī)電源的頻率發(fā)生變更時(shí)，電動機(jī)的阻抗將隨之變更，從而引起勵磁電流的變更，使電動機(jī)出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強(qiáng)。在勵磁不足時(shí)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，而勵磁過強(qiáng)時(shí)又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機(jī)中流過很大的勵磁電流，增加電動機(jī)的功率損耗，降低電動機(jī)的效率和功率因數(shù)。因此在變更頻率進(jìn)行調(diào)速時(shí)，必需實(shí)行措施保持磁通恒定為額定值。由電機(jī)理論知道，電機(jī)定子的感應(yīng)電勢有效值是：則即（2-10）另外，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:（2-11）其中—與電動機(jī)有關(guān)的常數(shù)；Cos—轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；—轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；—電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。由式(2-10)推斷，若不變，當(dāng)定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減??；而由式(2-11)可知，減小又引起電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負(fù)載實(shí)力下降的狀況。在不變時(shí)，而定子電源頻率減小，又將引起增加,增加將導(dǎo)致磁路飽和，勵磁電流上升，從而導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)峻時(shí)會因繞組過熱而損壞電動機(jī)。由以上狀況可知:變頻調(diào)速時(shí)，必需使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)整頻率的同時(shí)，必需對定子電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)限制，但限制方式隨運(yùn)行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。1.基頻以下調(diào)速由式(2-10)可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)整時(shí)，必需同時(shí)降低,使=常值只要保持為常數(shù)，就可以達(dá)到維持磁通恒定的目的。因此這種限制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。依據(jù)電機(jī)端電壓和感應(yīng)電勢的關(guān)系式：(2-12)式中:-定子相電壓；-定子電阻；-定子阻抗；-定子電流。當(dāng)電機(jī)在額定運(yùn)行狀況下，電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似相等，所以保持=常數(shù)即可。由于比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時(shí)，與都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽視。這種狀況下，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機(jī)械特性如圖2.4所示。圖2.4電動機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性從圖2.4中可以看出，當(dāng)電動機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí),曲線近似平行地下降，減速后的電動機(jī)仍舊保持原來較硬的機(jī)械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而漸漸減小，這就是造成了電動機(jī)負(fù)載實(shí)力的下降。臨界轉(zhuǎn)矩下降的緣由可以如下說明：為了使電動機(jī)定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時(shí)就要求感應(yīng)電動勢與電源頻率的比值不變，為了使限制簡潔實(shí)現(xiàn)，采納電源電壓≈來近似代替，這是以忽視定子阻抗壓降作為代價(jià)，當(dāng)然存在肯定的誤差。明顯，被忽視的定子阻抗壓降在電壓中所占的比例大小確定了它的影響。當(dāng)?shù)臄?shù)值相對較高時(shí)，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對較小，≈所產(chǎn)生的誤差較少；當(dāng)?shù)臄?shù)值較低時(shí)，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓中的比例增大，已經(jīng)不能再滿意≈。此時(shí)假如仍以代替，將帶來很大的誤差。因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航邓嫉谋壤龃?，使得事?shí)上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導(dǎo)致電動機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。變頻后機(jī)械特性的降低將是電動機(jī)帶負(fù)載實(shí)力減弱，影響溝通電動機(jī)變頻調(diào)速的運(yùn)用。一種簡潔的解決方法就是所示的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法的原理是：針對頻率降低時(shí)，電源電壓成比例地降低引起的的下降過低，采納適當(dāng)?shù)奶岣唠妷旱姆椒▉肀３执磐亢愣ǎ闺妱訖C(jī)轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（TorqueBoost）。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)膲侯l比限制特性示于圖2.5中的b線，無補(bǔ)償?shù)南拗铺匦詣t為a線。定子降壓補(bǔ)償只能補(bǔ)償于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，而對向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性不能補(bǔ)償。圖2.5壓頻比限制特性曲線補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線如圖2.6所示。圖2.6補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線2.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(zhuǎn)子上升時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機(jī)械特性如圖2.7所示。圖2.7電動機(jī)高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性當(dāng)電動機(jī)向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，而且曲線工作段的斜率起先增大，使得機(jī)械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的緣由是：當(dāng)頻率上升時(shí)，電源電壓不行能相應(yīng)上升。這是因?yàn)殡妱訖C(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過電動機(jī)的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的上升反比例下降。磁通量的下將使電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降，造成電動機(jī)的機(jī)械特性變軟。以上調(diào)速方式相應(yīng)的特性曲線如圖2.8所示。圖2.8整個(gè)頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線1——在低頻時(shí)沒有定子降壓補(bǔ)償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線圖中曲線2——在低頻時(shí)有定子降壓補(bǔ)償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線比恒定限制存在的主要問題是低速性能差。其緣由一方面是低速時(shí)定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿意，所以仍按比恒定限制就不能保持電機(jī)磁通恒定，而電機(jī)磁通的減小勢必會造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小。另一方面緣由是低速時(shí)逆變器橋臂上、下開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時(shí)間也造成了電壓降低，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動，在肯定條件下這將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)峻時(shí)會導(dǎo)致變頻器不能運(yùn)行。其它限制方式1.轉(zhuǎn)差頻率限制變頻調(diào)速轉(zhuǎn)差率限制方式是限制的一種改進(jìn)，這種限制須要由安裝在電動機(jī)上的速度傳感器檢測出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)整器的輸出時(shí)轉(zhuǎn)差率，而變頻器的輸出頻率則有電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和確定。它是解決限制靜態(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，但是它須要運(yùn)用速度傳感器來求取轉(zhuǎn)差角頻率，還要針對具體電機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整限制參數(shù)，因而此方法的通用性較差。2.矢量限制變頻調(diào)速矢量限制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子溝通電流、、通過三相——兩相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的溝通電流、，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流、（相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成比例的電樞電流），然后仿效直流電動機(jī)的限制方法，求得直流電動機(jī)限制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的限制。在高性能的異步電機(jī)限制系統(tǒng)中多采納交叉閉環(huán)限制的矢量限制。采納矢量限制方式的目的，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溝通傳動理論上的一個(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)變動帶來的影響，所以系統(tǒng)特別困難。矢量限制變頻器通常應(yīng)用于軋鋼、造紙?jiān)O(shè)備等對動態(tài)性能要求較高的場合。3.干脆轉(zhuǎn)矩限制變頻調(diào)速1985年，德國魯爾高校的DePenbrock教授首次提出了干脆轉(zhuǎn)矩限制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量限制的不足，并以新奇的限制思想、簡潔明白的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了快速發(fā)展。目前，該技術(shù)已勝利應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率溝通傳動上。干脆轉(zhuǎn)矩限制干脆在定子坐標(biāo)系下分析溝通電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，限制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不須要將溝通電動機(jī)化成等效直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的很多困難計(jì)算；它不須要仿照直流電動機(jī)的限制，也不須要為解耦而簡化溝通電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。日前市場銷售的通用變頻器的限制多半為比恒定限制，它的應(yīng)用比較廣泛，特殊是在風(fēng)機(jī)，泵及土木機(jī)械等方面應(yīng)用較多，比恒定限制的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電機(jī)的開環(huán)速度限制。從以上的分析可看出，限制常用于速度精度要求不特別嚴(yán)格或負(fù)載變動較小的場合。由于限制是轉(zhuǎn)速開環(huán)限制，無需速度傳感器，限制電路簡潔，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)，所以這種限制方法通用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中運(yùn)用較多的一種限制方式。由此，在本設(shè)計(jì)中采納限制。3變頻器主電路設(shè)計(jì)3.1主電路的工作原理變頻調(diào)速事實(shí)上是向溝通異步電動機(jī)供應(yīng)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：主電路和限制電路，其中主電路通常采納交-直-交方式，先將溝通電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的溝通電（逆變）。在本設(shè)計(jì)中采納圖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)速主電路主電路各部分的設(shè)計(jì)1.交直電路設(shè)計(jì)選用整流管組成三相整流橋，對三相溝通電進(jìn)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水紋，并在負(fù)載變更時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了愛護(hù)二極管，在電路中串入限流電阻，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)充電到肯定程度，使閉合，將限流電阻短路。在很多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時(shí)間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威逼人員平安。因此修理時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。為制動電阻，在變頻器的溝通調(diào)速中，電動機(jī)的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實(shí)現(xiàn)的，在電動機(jī)減速過程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時(shí)，電動機(jī)將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本省過電壓愛護(hù)動作，切斷變頻器的輸出。為了避開出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必需將再生到直流電路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉這部分能量。如圖3.1所示，當(dāng)直流中間電路上電壓上升到肯定值，制動三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。2.直交電路設(shè)計(jì)選用逆變開關(guān)管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的溝通電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機(jī)線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能起先釋放，續(xù)流二極管供應(yīng)通道，維持電流在線圈中流淌。另外，當(dāng)電動機(jī)制動時(shí)，續(xù)流二極管為再生電流供應(yīng)通道，使其回流到直流電源。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來愛護(hù)逆變管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流和集電極與放射極間的電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，快速上升，快速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。當(dāng)逆變管開通時(shí)，快速下降，快速上升，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?dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會阻擋電容的充電，為了解決這個(gè)沖突，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時(shí)避開電阻，通過二極管充電。放電時(shí)，通過電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點(diǎn)是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。因本次設(shè)計(jì)所選用的電動機(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1.整流電路整流電路是把溝通電變換為直流電的電路。本設(shè)計(jì)中采納了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡潔，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡潔，設(shè)計(jì)中不再做具體的介紹[5]。2.逆變的基本工作原理將直流電轉(zhuǎn)換為溝通電的過程稱為逆變。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(dāng)、同時(shí)閉合時(shí)，電壓為正；、同時(shí)閉合時(shí)，電壓為負(fù)。由于開關(guān)～的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了溝通電壓?？梢钥吹皆跍贤娮兏囊粋€(gè)周期中，一個(gè)臂中的兩個(gè)開關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通電角度。因此溝通電的周期（頻率）可以通過變更開關(guān)通斷的速度來調(diào)整，溝通電壓的幅值為直流電壓幅值。圖3.2單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。圖3-3中，～組成了橋式逆變電路，這6個(gè)開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位相互差的三相溝通電壓。當(dāng)、閉合時(shí)，為正；、閉合時(shí)，為負(fù)。用同樣的方法得：當(dāng)、同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到,,同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到。為了使三相溝通電、、在相位上依次相差；各開關(guān)的接通、關(guān)斷需符合肯定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標(biāo)明。依據(jù)該規(guī)律可得、、波形如圖3.3c所示。結(jié)構(gòu)圖b)開關(guān)的通斷規(guī)律c)波形圖圖3.3三相逆變器原理圖視察6個(gè)開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)覺以下兩點(diǎn)：①各橋臂上的開關(guān)始終處于交替打開、關(guān)斷的狀態(tài)如、。②各相的開關(guān)依次以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差電角度。如比,滯后，比滯后。上述分析說明，通過6個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相溝通電，只要調(diào)整開關(guān)的通斷速度就可調(diào)整溝通電頻率，當(dāng)然溝通電的幅值可通過的大小來調(diào)整。3.2主電路參數(shù)計(jì)算依據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計(jì)算如下[6]：1.整流二極管的參數(shù)計(jì)算（峰值電流）==×15.6=22.06A（有效值）==15.6A二極管額定電流值=（1.5～2）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)采納三相不控整流，經(jīng)濾波后=1.1××380=591.05V。3.制動部分制動電阻粗略計(jì)算為～=18.94～37.89擊穿電壓：當(dāng)線電壓為380V時(shí)，依據(jù)閱歷值選1000V。集電極最大電流：依據(jù)正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來計(jì)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-放射極額定電壓≥1.2倍最高峰值電壓=1.2×1477.63V=1773.16V3.3IGBT及驅(qū)動模塊介紹IGBT簡介及驅(qū)動要求絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年頭初功率半導(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，具有開關(guān)頻率高、沒有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)運(yùn)行簡潔、限制功率小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大，耐壓水平不簡潔提高。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)是開關(guān)時(shí)間長，有二次擊穿現(xiàn)象以及限制功率大。因此，兼具M(jìn)OSFET和BJT優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合器件IGBT應(yīng)運(yùn)而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、限制功率小等優(yōu)點(diǎn)。并且，隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開關(guān)電源設(shè)備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機(jī)、電機(jī)驅(qū)動、特種工業(yè)電源等都運(yùn)用IGBT模塊。由于IGBT在設(shè)備中所占成本比例較高，所以駕馭好IGBT的特性和正確的運(yùn)用方法，盡量削減IGBT模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機(jī)牢靠性，就成為設(shè)計(jì)者和運(yùn)用者所必需關(guān)切的一個(gè)問題.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本里已經(jīng)有具體介紹，在這里不在贅述[7]。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所須要驅(qū)動功率小，驅(qū)動較為簡潔。但必需留意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動條件親密相關(guān)，隨驅(qū)動條件的變更而變更。(1)隨著柵極正向電壓的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小.若固定不變時(shí)，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結(jié)溫上升而增大。(2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變更不大，IGBT的運(yùn)行牢靠性提高。(3)隨著柵極串聯(lián)電阻增加，將使IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使IGBT開關(guān)損耗增加；而減小，則又將使增大，從而使IGBT在開關(guān)過程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運(yùn)行的平安性和牢靠性。通過以上分析可以看出，一個(gè)志向的IGBT驅(qū)動電路應(yīng)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(dǎo)致器件損壞。為防止柵極過壓，可采納穩(wěn)壓管作愛護(hù)。(2)IGBT存在2.5～6V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅(qū)動信號低于此開啟電壓時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通，驅(qū)動信號必需大于其開啟電壓。當(dāng)要求IGBT工作于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動信號必需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(qū)動電壓幅值的選取應(yīng)同時(shí)考慮在額定運(yùn)行條件下和肯定過載狀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。對無短路愛護(hù)的驅(qū)動電路而言，驅(qū)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。在有短路愛護(hù)的場合，不希望器件工作于過飽和狀態(tài)，因?yàn)轵?qū)動電壓小一些，可減小短路電流，對短路愛護(hù)有好處。此時(shí)，柵極電壓可取為13V。另外，為減小開通損耗，要求柵極驅(qū)動信號的前沿要陡。IGBT的柵極等效為一電容負(fù)載，所以驅(qū)動信號源的內(nèi)阻要小。(3)當(dāng)柵極信號低于其開啟電壓時(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)動電路應(yīng)供應(yīng)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)斷后在柵極加上肯定幅值的反向電壓可提高抗干擾實(shí)力。(4)IGBT柵極與放射極之間是絕緣的，不須要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅(qū)動電路須要供應(yīng)動態(tài)驅(qū)動電流。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)動電流和驅(qū)動功率也是不小的，因此，驅(qū)動電路必需能供應(yīng)足夠的驅(qū)動電流和功率。(5)IGBT是高速開關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場合，關(guān)斷時(shí)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(guān)時(shí)間有干脆的影響。柵極電阻過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)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(guān)斷平安區(qū)的限制。柵極電阻過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大，也會降低其工作效率和對其平安運(yùn)行造成危急，所以柵極電阻的上限受到開關(guān)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(qū)動電路和限制電路之間應(yīng)隔離。在很多設(shè)備中，IGBT與工頻電網(wǎng)有干脆電聯(lián)系，而限制電路一般不希望如此。驅(qū)動電路具有電隔離實(shí)力可以保證設(shè)備的正常工作，同時(shí)也有利于修理調(diào)試人員的人身平安.驅(qū)動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。采納光耦器件隔離時(shí)，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變更率。(7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時(shí)。這一方面能夠削減系統(tǒng)響應(yīng)滯后，另一方面能提高愛護(hù)的快速性。(8)電路簡潔，成本低。(9)當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過漸漸降低柵極電壓自動抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷。其目的是避開快速關(guān)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(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消逝而受到影響，即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓限制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，無論此時(shí)有無輸入信號，都應(yīng)無條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷.在各種設(shè)備中，二極管的反向復(fù)原、分布電容及關(guān)斷汲取電路等都會在IGBT開通時(shí)造成尖峰電流，驅(qū)動電路應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過流的實(shí)力，在尖峰電流過后，應(yīng)能復(fù)原正常柵壓，保證電路的正常工作。(10)在出現(xiàn)短路、過流的狀況下，能快速發(fā)出過流愛護(hù)信號，供限制電路處理。EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于以上的驅(qū)動要求，在設(shè)計(jì)中采納EXB840,它是一種高速驅(qū)動集成電路,最高運(yùn)用頻率為40KHz驅(qū)動150A/600V或者75A/1200V的IGBT,驅(qū)動電路信號延遲小于1.5,采納單電源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)動放大電路,過流檢測急愛護(hù)電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成,可隔離溝通2500V的信號。過流檢測及愛護(hù)電路依據(jù)IGBT柵極驅(qū)動電平和集電極電壓之間的關(guān)系,檢測是否有過電流現(xiàn)象存在,假如有過電流,愛護(hù)電路將快速關(guān)斷IGBT,防止過快的關(guān)斷時(shí)而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢上升,使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開柵電壓和-5V的關(guān)柵電壓。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)動輸出,引腳4用于連接外部電容器,防止過流愛護(hù)誤動作(一般場合不須要這個(gè)電容),引腳5為過流愛護(hù)輸出,引腳6為集電極電壓監(jiān)視端,引腳14和15為驅(qū)動信號輸入端,其余引腳不用。圖3.4EXB840的引腳圖采納EXB840的IGBT驅(qū)動電路采納EXB840集成電路驅(qū)動的IGBT的典型應(yīng)用電路如圖3.5所示[8]。其中ERA34-10是快速復(fù)原二極管。IGBT的柵極驅(qū)動連線應(yīng)當(dāng)用雙絞線,長度應(yīng)當(dāng)小于1m,以防止干擾,假如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(qū)動電路4限制回路設(shè)計(jì)限制回路是為變頻器的主電路供應(yīng)通斷信號的電路，其主要任務(wù)是完成對逆變器開關(guān)元件的開關(guān)限制。限制方式有模擬限制和數(shù)字限制兩種，本設(shè)計(jì)中采納的是以微處理器為核心的全數(shù)字限制，優(yōu)點(diǎn)是它采納簡潔的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種限制功能，以充分發(fā)揮微處理器計(jì)算實(shí)力和軟件限制敏捷性高的特點(diǎn)來完成很多模擬量難以實(shí)現(xiàn)的功能。設(shè)計(jì)限制電路如下：4.1驅(qū)動電路設(shè)計(jì)驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件供應(yīng)驅(qū)動信號。主電路逆變電路設(shè)計(jì)中采納的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅(qū)動電路。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)斷把直流電壓變成肯定形態(tài)的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻限制并消退諧波的技術(shù)。脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，對現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。近幾年來。由于場控自關(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，不僅能剛好、精確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻限制技術(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重量，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納的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。依據(jù)電機(jī)學(xué)原理，溝通異步電動機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，假如依據(jù)頻率與定子端電壓之比為定值的方式進(jìn)行限制，則機(jī)械特性的硬度變更較小，所以在變頻的同時(shí)，也要相應(yīng)變更定子的端電壓。若采納等脈寬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)峻的高次諧波，會危害電動機(jī)的正常運(yùn)行。為減小輸出信號中的諧波重量，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)律變更的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。脈寬調(diào)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所須要的波形(含形態(tài)和幅值)。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比依據(jù)正弦規(guī)律變更。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最小；當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負(fù)載電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(gè)正弦波(稱為調(diào)制波)進(jìn)行比較，如圖4.1所示，兩波形的交點(diǎn)作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時(shí)，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷。雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它終歸不是正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM調(diào)制波中諧波重量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開關(guān)管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達(dá)30KHz，用IGBT作為逆變開關(guān)管，載波頻率可以大幅度提高，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波生成方法采納模擬電路的優(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，變更參數(shù)和調(diào)試比較困難。若用單片機(jī)干脆產(chǎn)生SPWM信號，由于須要通過計(jì)算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM信號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)都較慢。對于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的溝通異步電動機(jī)，可以采納各項(xiàng)性能指標(biāo)都特別完善，但價(jià)格也比較昂貴的通用變頻器；對一般溝通電動機(jī)的變頻調(diào)速，可以干脆采納三相SPWM調(diào)制信號專用芯片構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中選用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號發(fā)生和限制的集成芯片，可以和單片機(jī)接口，完成對溝通電動機(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)字限制，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，最小脈寬和延時(shí)時(shí)間可調(diào)，可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門狗定時(shí)器功能等。2.SA4828引腳功能SA4828采納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(fù)用總線。SETTRIP：通過該引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。：復(fù)位端，低電平有效。CLK：時(shí)鐘信號輸入端。MUX：總線選擇端。當(dāng)MUX為高電平常，運(yùn)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為低電平常，運(yùn)用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時(shí)，地址鎖存器ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。：片選輸入，該限制線可使SA8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。、：Intel(Motorola)總線限制write、read信號。ALE：地址鎖存允許。VDD：供電電源正端(+5V)。Vss：供電電源負(fù)端(0V)。（2）輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅(qū)動電路限制逆變橋的R、Y、B相的下臂開關(guān)管。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅(qū)動電路限制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關(guān)管。以上引腳都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一個(gè)輸出都有12mA的驅(qū)動實(shí)力，可以干脆驅(qū)動光耦。：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。ZPPR：零相位脈沖輸出端。Wss：波形采樣同步端口。RS：寄存器選擇端。SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理SA4828為28引腳的DIP或SOIC封裝的限制芯片，內(nèi)部具有總線限制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。外部時(shí)鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi)三種調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動生成SPWM輸出脈沖，然后通過脈沖刪除電路刪除窄脈沖（如圖4.3）圖4.3脈沖序列中的窄脈寬因?yàn)檫@種脈沖不起任何作用，只會增加開關(guān)管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間導(dǎo)通短路。看門狗定時(shí)器用來防止程序跑飛，當(dāng)條件滿意時(shí)快速封鎖輸出。SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4.4所示。圖4.4SA4828原理框圖SA4828的設(shè)置是通過單片機(jī)接口將數(shù)據(jù)送入SA4828芯片內(nèi)的兩個(gè)寄存器(初始化寄存器和限制寄存器)來實(shí)現(xiàn)的。初始化寄存器用于設(shè)定與溝通電動機(jī)有關(guān)的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在PWM輸出端允許輸出前設(shè)定，系統(tǒng)工作以后不允許變更。限制寄存器是在工作過程中限制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步限制溝通電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通常在工作時(shí)，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對溝通電動機(jī)的速度進(jìn)行限制。參數(shù)的設(shè)定是通過8個(gè)暫存器、、、、、、、來傳送的。其中和是兩個(gè)虛擬的寄存器，事實(shí)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，再將限制參數(shù)寫入～，并通過對的寫操作將參數(shù)送入限制寄存器。SA4828各限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愛護(hù)電路愛護(hù)電路的主要功能是對檢測電路得到的各種信號進(jìn)行運(yùn)算處理，以推斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異樣。當(dāng)檢測到異樣時(shí)，進(jìn)行各種必要的處理[12]。過、欠壓愛護(hù)電路設(shè)計(jì)過壓、欠壓愛護(hù)是針對電源異樣、主回路電壓超過或低于肯定數(shù)值時(shí)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%。通常狀況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(guān)系。當(dāng)輸入電源電壓過高，將使直流側(cè)電壓過高。過高的直流電壓對IGBT的平安構(gòu)成威逼，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(dāng)輸入電壓過低時(shí)，雖不會對主回路元件構(gòu)成干脆威逼，但太低的輸入電壓很可能使限制回路工作不正常，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)的抗干擾實(shí)力下降。因此有必要對系統(tǒng)的電壓進(jìn)行愛護(hù)。圖4.5為本文介紹的變頻器過壓愛護(hù)電路。圖4.5過電壓愛護(hù)電路它干脆對直流側(cè)電壓進(jìn)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(shè)定值從電位器上取出。運(yùn)放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(異樣狀況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平愛護(hù)信號。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有肯定回差，防止取樣信號在給定點(diǎn)旁邊波動時(shí)比較器抖動，這里將過壓愛護(hù)的動作值整定為額定輸入電壓的110%。欠壓產(chǎn)生的緣由有兩種：一是輸入的溝通電壓長時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時(shí)停電或瞬時(shí)電壓降低。欠電壓導(dǎo)致逆變器開關(guān)器件驅(qū)動功率不足而燒壞開關(guān)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(shí)檢測出信號進(jìn)行愛護(hù)，又不會因?yàn)槎虝r(shí)間因?yàn)樵谇冯妷?，過電壓并未構(gòu)成危急時(shí)而愛護(hù)誤動作。欠壓愛護(hù)電路的原理與過壓愛護(hù)電路類似。其電壓取樣與過壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由上取出。運(yùn)放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(正常狀況下)，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)(欠壓狀況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平愛護(hù)信號。其電路下圖所示。動作值整定為輸入電壓的85%。圖4.6欠壓愛護(hù)電路本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運(yùn)行前，變頻器本身可以對過載、過壓、欠壓愛護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測其愛護(hù)電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機(jī)限制發(fā)出各種等效故障信號，檢測對應(yīng)的愛護(hù)電路是否動作，若動作則說明愛護(hù)電路正常，反之說明愛護(hù)電路本身有故障，應(yīng)停機(jī)對愛護(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程如下：單片機(jī)限制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(dǎo)通，有電流流過三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓愛護(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故障自診斷電路過流愛護(hù)設(shè)計(jì)變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等狀況下，電流變更特別快速，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)確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?zé)o法關(guān)斷，以至燒壞，所以過流之前必需使IGBT關(guān)斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動模塊EXB840中已經(jīng)有過流愛護(hù)，但考慮到過大時(shí)IGBT還將來得及關(guān)斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必需實(shí)行協(xié)助斷流措施。這里采納瑞士LEM公司生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)磁場補(bǔ)償式電流傳感器來進(jìn)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(yīng)了被測的電流。過流發(fā)生時(shí)，R上的壓降大于過流愛護(hù)動作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅(qū)動電路的輸入信號，即可使橋臂上的全部IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)實(shí)現(xiàn)過流愛護(hù)的功能。過流愛護(hù)的電路示意圖如4.8圖所示：圖4.8過流愛護(hù)電路4.3限制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在整個(gè)限制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測到參數(shù)的計(jì)算、存儲和傳送，再到人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)，都是單片機(jī)在其中穿針引線，限制、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(gè)限制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設(shè)計(jì)中選用單片機(jī)課程學(xué)習(xí)到的