交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.doc

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書課題名稱: 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速設(shè)計(jì) 目 錄摘要3第一章 緒論41.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介41.2 本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介51.2.1 變頻器主電路方案的選定51.2.2 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡(jiǎn)介6第二章 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理及方法72.1 三相異步電機(jī)工作的基本原理72.1.1 異步電機(jī)的等效電路72.1.2 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理82.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定92.2.1 V/F比恒定控制92.2.2 其它控制方式12第三章 變頻器主電路設(shè)計(jì)143.1 主電路的工作原理143.1.1 變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理143.2 IGBT及驅(qū)動(dòng)模塊介紹163.2.1 IGBT簡(jiǎn)

2、介及驅(qū)動(dòng)要求16第四章 控制回路設(shè)計(jì)184.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)184.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介184.1.2 SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能194.1.3 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理214.2 保護(hù)電路224.2.1 過、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)224.2.2 過流保護(hù)設(shè)計(jì)244.3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)24第五章 變頻器軟件設(shè)計(jì)275.1 流程圖275.2 SA4828的編程275.2.1 初始化寄存器編程27參考文獻(xiàn)31摘要近年來,交流電機(jī)變頻調(diào)速及其相關(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及交流電機(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

3、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。本文在控制上采用恒控制，同時(shí)，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運(yùn)行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。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，控

4、制，SA4828波形發(fā)生器第1章 緒論1.1 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

5、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

6、能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場(chǎng)合。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

7、、逆變部分、控制部分及保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。 1.2 本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.2.1 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)。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

8、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)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點(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

9、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(dòng)時(shí)必須加入附加電阻的缺點(diǎn)，并有著無須附加任何設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器

10、。1.2.2 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡(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

11、流電。在設(shè)計(jì)中采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。電流電壓檢測(cè)：一般在中間直流端采集信號(hào)，作為過壓，欠壓，過流保護(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)過光電隔離后去驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的關(guān)斷。第2章 交流異步電動(dòng)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 2.1.1 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(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子圖圖2.1中：定子的相電壓；

12、定子的相電流； 定子每相繞組的電阻和漏抗；、分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)、電流、漏電抗；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）式中: 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率 ，與轉(zhuǎn)差率成正比，所以轉(zhuǎn)子回路中的各電量也都與轉(zhuǎn)差率成正比。為了方便定量分析定、轉(zhuǎn)子之間的各種數(shù)量關(guān)系，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：a.忽略空間和時(shí)間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；

13、b.忽略磁飽和；c.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。圖2.2 電動(dòng)機(jī)的T形等效電路圖圖2.2中：勵(lì)磁電阻，是表征異步電動(dòng)機(jī)鐵心損耗的等效電阻；勵(lì)磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個(gè)參數(shù)；勵(lì)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(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率；等參數(shù)經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。2.1.2 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)

14、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)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(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。電機(jī)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用表示： （2-7）式中：為三相交流電源頻率，一般是50Hz；為磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)=1是，=3000rmin；=2時(shí)，=1500rmin。由上式可知磁極對(duì)數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速比磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速要慢一點(diǎn)，所以稱為

15、異步電動(dòng)機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率表示： （2-8）在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，=0，這時(shí)=1；啟動(dòng)后的極端情況=，則=0，即在01之間變化，一般異步電動(dòng)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(duì)于成品電機(jī)，其極對(duì)數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率的變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。2.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定2.2.1 V/F比恒定控制V/F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

16、，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。V/F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(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。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

17、值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低,使=常值只要保持為常數(shù)，就可以達(dá)到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。根據(jù)電機(jī)端電壓和感應(yīng)電勢(shì)的關(guān)系式： (2-12) 式中: -定子相電壓； -定子電阻； -定子阻抗； -定子電流。當(dāng)電機(jī)在額定運(yùn)行情況下，電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似相等，所以保持=常數(shù)即可。由于比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時(shí)，與 都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機(jī)械特性如圖2.4所示。圖2.4 電動(dòng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速

18、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。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。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法的原理是：針對(duì)頻率降低時(shí)，電源電壓成比例地降低引起的的下降過低，采用適當(dāng)?shù)奶岣唠妷旱姆椒▉肀３执磐亢愣?，使電?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（Torque Boost）。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)膲侯l比控制特性示于圖2.5中的b線，無補(bǔ)償?shù)目刂?/p>

19、特性則為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。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)子升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機(jī)械特性如圖2.7所示。圖2.7 電動(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)速方向調(diào)速時(shí)，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機(jī)械特性變軟。造成

20、這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率升高時(shí)，電源電壓不可能相應(yīng)升高。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過電動(dòng)機(jī)的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。磁通量的下將使電動(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。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控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時(shí)定子的電壓和電勢(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

21、方面原因是低速時(shí)逆變器橋臂上、下開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間相對(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。2.2.2 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，而變頻器的輸出頻率則有電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。它是解決控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉(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

22、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、通過三相兩相變換，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、（相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)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(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)控制量，經(jīng)過相應(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

23、數(shù)變動(dòng)帶來的影響，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。3.直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速日前市場(chǎng)銷售的通用變頻器的控制多半為比恒定控制，它的應(yīng)用比較廣泛，特別是在風(fēng)機(jī)，泵及土木機(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)的開環(huán)速度控制。從以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。由于控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，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，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。由此，在本設(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

24、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?整流，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。圖3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路3.1.1 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1，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。2.逆變的基本工作原理將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程稱為

25、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交流電壓?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€(gè)周期中，一個(gè)臂中的兩個(gè)開關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關(guān)通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。圖3.2 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。圖3-3中，組成了橋式逆變電路，這6個(gè)開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位互相差的三相交

26、流電壓。當(dāng)、閉合時(shí)，為正；、閉合時(shí)，為負(fù)。用同樣的方法得：當(dāng)、同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到,同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得、波形如圖3.3c 所示。a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 開關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖圖3.3 三相逆變器原理圖3.2 IGBT及驅(qū)動(dòng)模塊介紹3.2.1 IGBT簡(jiǎn)介及驅(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，具有開關(guān)頻

27、率高、沒有二次擊穿現(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)是開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制功率大。因此，兼具M(jìn)OSFET和BJT優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合器件IGBT應(yīng)運(yùn)而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等優(yōu)點(diǎn)。并且，隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開關(guān)電源設(shè)備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(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

28、減少IGBT模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機(jī)可靠性，就成為設(shè)計(jì)者和使用者所必須關(guān)心的一個(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)有詳細(xì)介紹，在這里不在贅述7。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(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。(1)隨著柵極正向電壓的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小.若固定不變時(shí)，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結(jié)溫升高而增大。(2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變化不大，IGBT的運(yùn)行可靠性提高。(3)隨著柵極串聯(lián)電阻增加，將使I

29、GBT的開通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使IGBT開關(guān)損耗增加；而減小，則又將使增大，從而使IGBT在開關(guān)過程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運(yùn)行的安全性和可靠性。通過以上分析可以看出，一個(gè)理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能:(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(huì)被擊穿，導(dǎo)致器件損壞。為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。(2)IGBT存在2.56V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)必須大于其開啟電壓。當(dāng)要求IGBT工作于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(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

30、驅(qū)動(dòng)電壓幅值的選取應(yīng)同時(shí)考慮在額定運(yùn)行條件下和一定過載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。對(duì)無短路保護(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，為減小開通損耗，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。(3)當(dāng)柵極信號(hào)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

31、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-(50)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。(4)IGBT柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅(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。(5)IGBT是高速開關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場(chǎng)合，關(guān)斷時(shí)間不宜過短，否則會(huì)產(chǎn)生過高的集電極尖峰電壓。柵極電阻對(duì)IGBT的開關(guān)時(shí)間有直接的影響。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

32、極尖峰電壓過高，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。柵極電阻過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(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開關(guān)損耗的限制。對(duì)600VIGBT器件，柵極電阻可據(jù)下式確定：=(I10)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(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。(6)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

33、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。(7)輸入輸出信號(hào)傳輸盡量無延時(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。(8)電路簡(jiǎn)單，成本低第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)逆變器開關(guān)元件的開關(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

34、點(diǎn)來完成許多模擬量難以實(shí)現(xiàn)的功能。設(shè)計(jì)控制電路如下：4.1 驅(qū)動(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。4.1.1 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。由于場(chǎng)控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)。相應(yīng)高頻S

35、PWM(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，不僅能及時(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

36、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)制指的是通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，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。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)作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時(shí)間。

37、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(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4.1 SPWM波生成方法采用模擬電路的優(yōu)點(diǎn)是完

38、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)，由于需要通過計(jì)算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM信號(hào)的頻率及系統(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。4.1.2 SPWM

39、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04kHz，16位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達(dá)24kHz，內(nèi)部ROM 固化3種可選波形，最小脈寬和延時(shí)時(shí)間可調(diào)，可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門狗定時(shí)器功能等。2.SA4828引腳功能SA4828采用28腳封裝。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖11。圖4.2 SA4828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AD0AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。SET TRIP：通過該引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號(hào)輸出，高電平有效。：復(fù)位端，低電平有效。CLK：時(shí)鐘信

40、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)分開的總線，這時(shí)，地址鎖存器ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。：片選輸入，該控制線可使SA8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。、：Intel(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）輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋

41、的R、Y、B相的下臂開關(guān)管。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關(guān)管。以上引腳都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一個(gè)輸出都有12mA的驅(qū)動(dòng)能力，可以直接驅(qū)動(dòng)光耦。：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。ZPPR：零相位脈沖輸出端。Wss：波形采樣同步端口。RS：寄存器選擇端。4.1.3 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理SA4828為28引腳的DIP或SOIC封裝的控制芯片，內(nèi)部具有總線控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。外部時(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，然后通過脈沖

42、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(huì)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(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間導(dǎo)通短路?？撮T狗定時(shí)器用來防止程序跑飛，當(dāng)條件滿足時(shí)快速封鎖輸出。SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4.4所示。圖4.4 SA4828原理框圖SA4828的設(shè)置是通過單片機(jī)接口將數(shù)據(jù)送入SA4828芯片內(nèi)的兩個(gè)寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)來實(shí)現(xiàn)的。初始化寄存器用于設(shè)定與交流電動(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^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

43、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，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8個(gè)暫存器、來傳送的。其中和是兩個(gè)虛擬的寄存器，實(shí)際上并不存在。初始化參數(shù)要先寫入，然后通過對(duì)的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫入，并通過對(duì)的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。SA4828各控制寄存器的地址見表4.1所列。表4.1 各寄存器地址寄存器AD3AD2AD1AD0地址 R0000000 H R1000101 H R2001002 H R3001103 H R4010004 H R5010105 H R1411100E H R1511110F H4.2 保護(hù)電路4.2.

44、1 過、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)過壓、欠壓保護(hù)是針對(duì)電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)值時(shí)考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動(dòng)的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(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(duì)IGBT的安全構(gòu)成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當(dāng)輸入電壓過低時(shí)，雖不會(huì)對(duì)主回路元件構(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

45、保護(hù)。圖 4.5為本文介紹的變頻器過壓保護(hù)電路。圖4.5 過電壓保護(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)的取樣是通過電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動(dòng)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)，這里將過壓保護(hù)的動(dòng)作值整定為額定輸入電壓的110%。 欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長(zhǎng)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(dòng)功率不足而

46、燒壞開關(guān)器件。一般欠壓信號(hào)從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過電壓時(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)樵谇冯妷?，過電壓并未構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)而保護(hù)誤動(dòng)作。欠壓保護(hù)電路的原理與過壓保護(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)過載、過壓、欠壓保護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測(cè)其保護(hù)電路是否

47、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)作則說明保護(hù)電路正常，反之說明保護(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程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制HSO.2口發(fā)出一高電平，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導(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(hào)分別送至過壓、欠壓保護(hù)電路。因SA4828的SET TRIP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(hào)也是如此.故障自診斷電路如圖4.7所示13：圖4.7 故障自診斷電路4.2.2 過流保護(hù)設(shè)計(jì)變頻器在諸

48、如直流短路、橋臂短路、輸出短路、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)有過流保護(hù)，但考慮到過大時(shí)IGBT還未來得及關(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。過流發(fā)生時(shí)，R上的壓降大于過流保護(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)

49、電路的輸入信號(hào)，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的功能。過流保護(hù)的電路示意圖如4.8圖所示：圖4.8 過流保護(hù)電路4.3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測(cè)到參數(shù)的計(jì)算、存儲(chǔ)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，控制、協(xié)調(diào)各部分的工作。它的性能的好壞及工作的正常與否對(duì)整個(gè)控制系統(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Intel公司的8051單片機(jī)。8051是高性能的單片機(jī)，因受到引腳數(shù)目的限制，它屬于地址與數(shù)據(jù)復(fù)用的單片機(jī)，可以與SA4828直接接口。其內(nèi)部有4KB的ROM，以下是它的引腳圖14。圖4.9 8051引腳

50、圖因8051已經(jīng)比較常見和熟悉，這里不再詳細(xì)介紹。圖4.10是單片機(jī)的系統(tǒng)圖15。 模擬量的頻率給定通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀入8051，轉(zhuǎn)化為SA4828的控制字，以控制觸發(fā)信號(hào)的波形。ADC0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器件，電位器的輸出接其輸入IN0（當(dāng)51單片機(jī)沒有當(dāng)5l單片機(jī)沒有外擴(kuò)RAM和I/O口時(shí)，ADC0809就可以在概念上作為一個(gè)特殊的唯一的外擴(kuò)RAM單元。因?yàn)樗俏ㄒ坏?，就沒有地址編號(hào)，也就不需要任何地址線或者地址譯碼線。只要單片機(jī)往外部RAM寫入，就是寫到ADC0809的地址寄存器中。只要單片機(jī)從外部RAM讀取數(shù)據(jù)，就是讀取ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)

51、果。）EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)經(jīng)一非門接8031外部中斷1（P3.3）。8051通過地址線P2.0和讀寫信號(hào)來控制轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道地址鎖存，啟動(dòng)允許輸出。圖4.10 單片機(jī)系統(tǒng)圖因8051的復(fù)用總線結(jié)構(gòu)，SA4828的MUX引腳應(yīng)該接高電平或懸空不接。8051的P0口與SA4828的AD口連接，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，SA4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自8051的低八位地址，從而將AD口輸入的地址和數(shù)據(jù)分開，SA4828的地址鎖存器由8051的ALE引腳控制，同時(shí)連接的控制信號(hào)還有讀，寫信號(hào),.SA4828的片選信號(hào)用8051的P2.7引腳來控制，這樣SA4828的8個(gè)寄存器的地址為：

52、寄存器R0R5的地址：0000H0005H。虛擬寄存器R14,R15的地址：000EH，000FHSA4828的STTRIP引腳接8051的P1.0，使單片機(jī)能在異常情況下封鎖SA4828的輸出，ZPPR引腳接8051的P3.2（ ）,測(cè)量調(diào)試波的頻率，用于顯示。因8051的復(fù)位端為高電平有效，而SA4828為低電平有效，所以在兩者中間需要加上反相器。SA4828的引腳接一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)SA4828的輸出被封鎖時(shí)，發(fā)光二極管亮，用于指示封鎖狀態(tài)。SA4828的六個(gè)輸出引腳分別通過各自的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)逆變橋的六只開關(guān)管。第5章 變頻器軟件設(shè)計(jì)5.1 流程圖軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖5.1。圖5.1

53、程序設(shè)計(jì)流程圖5.2 SA4828的編程5.2.1 初始化寄存器編程初始化是用來設(shè)定與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的參數(shù)。包括載波頻率設(shè)定，調(diào)制波頻率范圍設(shè)定，脈沖延時(shí)時(shí)間設(shè)定，最小刪除脈寬設(shè)定，調(diào)制波形選擇，幅值控制，看門狗時(shí)間常數(shù)設(shè)定等。下表為初始化編程時(shí)，R0R5各寄存器的內(nèi)容17。表5.1 初始化編程時(shí)R0R5各寄存器內(nèi)容76543210R0FRS2FRS1FRS0CFS2CFS1CFS0R1PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3AC00WS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6W

54、D5WD4WD3WD2WD1WD0 (1)載波頻率設(shè)定。載波頻率(三角波頻率)設(shè)定字由CFS0CFS2這3位組成。理論上，載波頻率越高越好，但頻率越高損耗會(huì)越大，另外，還受開關(guān)管最高頻率的限制，因此要合理設(shè)定。載波頻率的計(jì)算式為： （5-1）式中：為時(shí)鐘頻率，的二進(jìn)制數(shù)即為載波頻率設(shè)定字。(2)調(diào)制波頻率范圍設(shè)定。調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字是由FRS0FRS2這三位組成。調(diào)制波頻率決定了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)先根據(jù)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，計(jì)算調(diào)制波頻率范圍。調(diào)制波頻率范圍為： （5-2）式中：m值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字。(3)最小刪除脈寬設(shè)定。該設(shè)定字由PDT0PDT6這7位組成。最小刪除脈寬為

55、： （5-3）式中：的二進(jìn)制數(shù)即是最小刪除脈寬設(shè)定字。考慮到延遲（死區(qū)）的因素，在延遲時(shí)，通常的做法是在保持原頻率不變的基礎(chǔ)上，使開關(guān)管延遲導(dǎo)通，如圖5.2所示，圖5.2 延遲前后的脈寬關(guān)系實(shí)際輸出的脈寬=延遲前的脈寬-延遲時(shí)間。SA4828的工作順序是先刪除最窄脈沖，然后在延遲，應(yīng)是延遲前的最小刪除脈寬。它等于實(shí)際輸出的最小脈寬加上延遲時(shí)間，即：=實(shí)際輸出的最小脈寬+18。 (4)脈沖延遲時(shí)間設(shè)定。該設(shè)定字由PDY0PDY5這6位組成。脈沖延時(shí)為: （5-4）式中：的二進(jìn)制數(shù)即是脈沖延遲時(shí)間設(shè)定字。(5)調(diào)制波形選擇。調(diào)制波形選擇是通過波形選擇字WS0、WS1這2位來完成的。根據(jù)WS0、WS

56、1可選擇純正弦波、增強(qiáng)型波、高效波三種調(diào)制波形。其波形的選擇如表5.2所示：表5.2 波形選擇對(duì)應(yīng)波形WS1WS2波形00純正弦波01增強(qiáng)型10高效型(6)幅值控制。幅值控制通過對(duì)AC位的設(shè)定來選擇控制寄存器中的幅值，以適應(yīng)平衡負(fù)載或不平衡負(fù)載。 控制寄存器的作用主要是對(duì)調(diào)制波頻率(調(diào)速)、調(diào)制波幅值選擇(調(diào)壓)、正反轉(zhuǎn)選擇、輸出禁止位控制等進(jìn)行控制。其方法是通過對(duì)R0R5寄存器輸入并暫存，當(dāng)向R15虛擬寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，才將這些數(shù)據(jù)送人控制寄存器。R0R5各寄存器的內(nèi)容見下表。表5.3 控制寄存器編程時(shí)R0R5各寄存器內(nèi)容76543210R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2

57、PFS1PFS0R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RSTWTE/RR3Ramp7Ramp6Ramp5Ramp4Ramp3Ramp2Ramp1Ramp0R4Bamp7Bamp6Bamp5Bamp4Bamp3Bamp2Bamp1Bamp0R5Yamp7Yamp6Yamp5Yamp4Yamp3Yamp2Yamp1Yamp0（1）調(diào)制波頻率選擇調(diào)制波頻率選擇由PFS0PFS15這16位組成，通過下式求得: （5-6）式中，值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率選擇字。 （2）調(diào)制波幅值選擇改變調(diào)制波幅值是用來改變輸出電壓，以達(dá)到變頻同時(shí)變壓的目的。調(diào)制波幅值是借助

58、于8位幅值選擇字(Ramp、Yamp、Bamp)來實(shí)現(xiàn)的，其每一相都可以通過下式來計(jì)算： （5-7）式中值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波幅值選擇字。（3）正反轉(zhuǎn)選擇正反轉(zhuǎn)選擇位 /R控制三相PWM輸出的相序。/R =0時(shí)正轉(zhuǎn)，相序是R-Y-B；/R =1時(shí)反轉(zhuǎn)，相序是B-Y-R。正反轉(zhuǎn)期間輸出波形連續(xù)。（4）輸出禁止位控制。輸出禁止位。當(dāng)=0時(shí)，關(guān)斷所有的SPWM信號(hào)輸出。（5）計(jì)數(shù)器復(fù)位控制 計(jì)數(shù)器復(fù)位。當(dāng)=0時(shí)，使內(nèi)部的相計(jì)數(shù)器置為（R相）。（6）軟復(fù)位控制RST是軟復(fù)位位，它與硬復(fù)位有相同的功能，高電平有效。參考文獻(xiàn)1 何超.交流變頻調(diào)速技術(shù).北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.2 梁昊

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