交流異步電動機變頻調速設計畢業(yè)設計論文.doc

畢業(yè)設計說明書課題名稱: 交流異步電動機變頻調速設計 目 錄摘要3第一章 緒論41.1 變頻調速技術簡介41.2 本次設計方案簡介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介6第二章 交流異步電動機變頻調速原理及方法72.1 三相異步電機工作的基本原理72.1.1 異步電機的等效電路72.1.2 異步電機變頻調速原理82.2 變頻調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 變頻器主電路設計143.1 主電路的工作原理143.1.1 變頻器主電路設計的基本工作原理143.2 IGBT及驅動模塊介紹163.2.1 IGBT簡介及驅動要求16第四章 控制回路設計184.1 驅動電路設計184.1.1 SPWM調制技術簡介184.1.2 SPWM波生成芯片特點和引腳功能194.1.3 SA4828內部結構及工作原理214.2 保護電路224.2.1 過、欠壓保護電路設計224.2.2 過流保護設計244.3 控制系統(tǒng)的實現24第五章 變頻器軟件設計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31摘要近年來,交流電機變頻調速及其相關技術的研究己成為現代電氣傳動領域的一個重要課題,并且隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機控制理論的發(fā)展，交流變頻調速技術還將會取得巨大進步。本文對變頻調速理論，逆變技術，SPWM產生原理進行了研究，在此基礎上設計了一種新型數字化三相SPWM變頻調速系統(tǒng)，以8051控制專用集成芯片 SA4828為控制核心，采用IGBT作為主功率器件，同時采用EXB840構成IGBT的驅動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數接近1，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結構比較簡單。本文在控制上采用恒控制，同時，軟件程序使得參數的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。另外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進行了詳細介紹，完成了整個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設計。關鍵字:變頻調速，正弦脈寬調制，控制，SA4828波形發(fā)生器第1章 緒論1.1 變頻調速技術簡介變頻調速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調速目的的技術。大家都知道，目前，無論哪種機械調速，都是通過電機來實現的。從大的范圍來分，電機有直流電機和交流電機。由于直流機調速容易實現，性能好，因此過去生產機械的調速多用直流電動機。但直流機固有的缺點：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電機也像直流電動機那樣調速。這樣就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速等交流調速方式。當然也出現了滑差電機、繞線式電機、同步式交流電機。隨著電力電子技術、微電子技術和信息技術的發(fā)展，出現了變頻調速技術，它一出現就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調速方式，乃至直流電機調速，而成為電氣傳動的中樞1。變頻調速被認為是一種理想的交流調速方法。但如何得到一個單獨向異步電動機供電的經濟可靠的變頻電源，一直是交流變頻調速的主要課題。20世紀60年代中期，隨著普通的晶閘管、小功率管的實用化，出現了靜止變頻裝置，它是將三相的工頻電源經變換后，得到頻率可調的交流電。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價高，大多是為特定的控制對象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，調速后電動機的靜、動態(tài)性能還有待提高，特別是低速的性能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。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(調制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。 本設計所設計的題目屬于間接變頻調速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。 1.2 本次設計方案簡介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發(fā)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。1.交-交型變頻器：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調電壓的交流電（轉換前后的相數相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉窯、軋鋼機等。但這種控制方式決定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的1/31/2,所以不能高速運行。2.交-直-交型變頻器：交-直-交變頻器是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器。它根據直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內阻較大，故稱電流源型變頻器。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風機、泵類節(jié)能調速中。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器，所以本次設計中選用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設計中，雖然電流型變頻器可以彌補電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設備即可以實現負載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設計中采用電壓型變頻器。1.2.2 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設計的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示。圖1.1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)各組成部分簡介：供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V，中大功率的采用三相380V電源。因為本設計中采用中等容量的電動機，所以采用三相380V電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。在本設計中采用三相不可控整流。它可以使電網的功率因數接近1。濾波電路：因在本設計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設計中采用三相橋逆變，開關器件選用全控型開關管IGBT。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護信號?？刂齐娐罚翰捎?051單片機和SPWM波生成芯片SA4828，控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令，根據這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經過光電隔離后去驅動開關管的關斷。第2章 交流異步電動機變頻調速原理及方法2.1 三相異步電機工作的基本原理 2.1.1 異步電機的等效電路異步電動機的轉子能量是通過電磁感應而得來的。定子和轉子之間在電路上沒有任何聯系，其電路可用圖2.1來表示3。圖2.1異步電動機的定、轉子圖圖2.1中：定子的相電壓；定子的相電流； 定子每相繞組的電阻和漏抗；、分別是轉子電路產生的電動勢、電流、漏電抗；每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉磁場而產生的。其有效值可計算如下： （2-1）式中: 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值；定子頻率；定子每相繞組中串聯匝數；基波繞組系數；極氣隙磁通。由電動機的基礎知識可知：轉子回路的頻率 ，與轉差率成正比，所以轉子回路中的各電量也都與轉差率成正比。為了方便定量分析定、轉子之間的各種數量關系，應將定子、轉子放在一個電路中。由于定子、轉子回路的頻率、繞組、匝數不同，故必須進行折算。根據電機學原理，在下列假定條件下：a.忽略空間和時間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；b.忽略磁飽和；c.忽略鐵損。可以得到電動機的T形等效電路圖，由于交流異步電動機三相對稱，所以現只取A相進行計算分析。A相的T形等效電路如圖2.2所示。圖2.2 電動機的T形等效電路圖圖2.2中：勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻；勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數；勵磁電流；機械負載的等效電阻，在=,在上消耗的功率就相當于異步電動機輸出的機械功率；等參數經過折算后的轉子參數。2.1.2 異步電機變頻調速原理交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總容量的八成以上，因此了解異步電動機的調速原理十分重要。交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總容量的八成以上，因此了解異步電動機的調速原理十分重要。交流調速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉子之間的空氣隙內產生一個旋轉的磁場，它與轉子繞組產生感應電動勢，出現感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩。使電動機轉起來。電機磁場轉速稱為同步轉速，用表示： （2-7）式中：為三相交流電源頻率，一般是50Hz；為磁極對數。當=1是，=3000rmin；=2時，=1500rmin。由上式可知磁極對數越多，轉速就越慢，轉子的實際轉速比磁場的同步轉速要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉差率表示： （2-8）在加上電源轉子尚未轉動瞬間，=0，這時=1；啟動后的極端情況=，則=0，即在01之間變化，一般異步電動機在額定負載下的 =1%6%。綜合（2-7）和（2-8）式可以得出： （2-9）由式（2-9）可以看出，對于成品電機，其極對數已經確定，轉差率的變化不大，則電機的轉速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調速的目的。2.2 變頻調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機變頻調速中最基本的控制方式。它是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維護電機磁通基本恒定，從而在較寬的調速范圍內，使電動機的效率、功率因數不下降。V/F控制是目前通用變頻器中廣泛采用的控制方式。三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調速的過程中，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功率損耗，降低電動機的效率和功率因數。因此在改變頻率進行調速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。1.基頻以下調速由式(2-10)可知，要保持不變，當頻率從額定值向下調節(jié)時，必須同時降低,使=常值只要保持為常數，就可以達到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調速，屬于恒轉矩調速方式。根據電機端電壓和感應電勢的關系式： (2-12) 式中: -定子相電壓； -定子電阻； -定子阻抗； -定子電流。當電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似相等，所以保持=常數即可。由于比恒定調速是從基頻向下調速，所以當頻率較低時，與 都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機械特性如圖2.4所示。圖2.4 電動機低于額定轉速方向調速時的機械特性從圖2.4中可以看出，當電動機向低于額定轉速方向調速時,曲線近似平行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉矩卻隨著電動機轉速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負載能力的下降。變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻調速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的轉矩補償法。轉矩補償法的原理是：針對頻率降低時，電源電壓成比例地降低引起的的下降過低，采用適當的提高電壓的方法來保持磁通量恒定，使電動機轉矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉矩提升（Torque Boost）。帶定子壓降補償的壓頻比控制特性示于圖2.5中的b線，無補償的控制特性則為a線。定子降壓補償只能補償于額定轉速方向調速時的機械特性，而對向高于額定轉速方向調速時的機械特性不能補償。圖2.5 壓頻比控制特性曲線補償后的機械特性曲線如圖2.6所示。圖2.6 補償后的機械特性曲線2.在基頻以上調速 在基頻以上調速時，頻率可以從額定頻率向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓，由式（2-10）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調速方式下，轉子升高時轉矩降低，屬于恒功率調速方式。變頻后的機械特性如圖2.7所示。圖2.7 電動機高于額定轉速方向調速時的機械特性當電動機向高于額定轉速方向調速時，曲線不僅臨界轉矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。造成這種現象的原因是：當頻率升高時，電源電壓不可能相應升高。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉矩下降，造成電動機的機械特性變軟。以上調速方式相應的特性曲線如圖2.8所示。圖2.8整個頻率調速的特性曲線注：圖中曲線1在低頻時沒有定子降壓補償的壓頻曲線和主磁通曲線 圖中曲線2在低頻時有定子降壓補償的壓頻曲線和主磁通曲線比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按比恒定控制就不能保持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉矩減小。另一方面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關元件的導通時間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉矩脈動，在一定條件下這將會引起轉速、電流的振蕩，嚴重時會導致變頻器不能運行。2.2.2 其它控制方式 1.轉差頻率控制變頻調速轉差率控制方式是控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上的速度傳感器檢測出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調節(jié)器的輸出時轉差率，而變頻器的輸出頻率則有電動機實際轉速與所需轉差頻率之和決定。它是解決控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。雖然這種方法可以提高調速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉差角頻率，還要針對具體電機的機械特性調整控制參數，因而此方法的通用性較差。2.矢量控制變頻調速矢量控制變頻調速的做法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流、通過三相兩相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流、，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流、（相當于直流電動機的勵磁電流；相當于與轉矩成比例的電樞電流），然后仿效直流電動機的控制方法，求得直流電動機控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。在高性能的異步電機控制系統(tǒng)中多采用交叉閉環(huán)控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調速的動態(tài)性能。雖然這一理論的提出是交流傳動理論上的一個飛躍，但是由于它既要確定轉子的磁鏈，又要進行坐標變換，還要考慮轉子參數變動帶來的影響，所以系統(tǒng)非常復雜。矢量控制變頻器通常應用于軋鋼、造紙設備等對動態(tài)性能要求較高的場合。3.直接轉矩控制變頻調速日前市場銷售的通用變頻器的控制多半為比恒定控制，它的應用比較廣泛，特別是在風機，泵及土木機械等方面應用較多，比恒定控制的突出優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。從以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變動較小的場合。由于控制是轉速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標準異步電機，所以這種控制方法通用性強、經濟性好，是目前通用變頻器產品中使用較多的一種控制方式。由此，在本設計中采用控制。第3章 變頻器主電路設計3.1 主電路的工作原理變頻調速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉變?yōu)轭l率可調的交流電（逆變）。在本設計中采用圖3.1的主電路，這也是變頻器常用的格式4。圖3.1 電壓型交直交變頻調速主電路3.1.1 變頻器主電路設計的基本工作原理1.整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。本設計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設計中不再做詳細的介紹5。2.逆變的基本工作原理將直流電轉換為交流電的過程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下：（1）單相逆變電路在圖3.2的單相逆變電路的原理圖中：當、同時閉合時，電壓為正；、同時閉合時，電壓為負。由于開關的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂中的兩個開關如：、交替導通，每個開關導通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關通斷的速度來調節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。圖3.2 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。圖3-3中，組成了橋式逆變電路，這6個開關交替地接通、關斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。當、閉合時，為正；、閉合時，為負。用同樣的方法得：當、同時閉合和、同時閉合，得到,同時閉合和、同時閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關的接通、關斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標明。根據該規(guī)律可得、波形如圖3.3c 所示。a) 結構圖 b) 開關的通斷規(guī)律 c) 波形圖圖3.3 三相逆變器原理圖3.2 IGBT及驅動模塊介紹3.2.1 IGBT簡介及驅動要求絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導體器件技術與MOS工藝技術相結合研制出的一種復合型器件。眾所周知，構成IGBT的MOSFET和BJT各有其優(yōu)缺點。MOSFET屬于單極型器件，具有開關頻率高、沒有二次擊穿現象、元件并聯運行容易、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導通電阻大，耐壓水平不容易提高。BJT屬于雙極型器件，具有耐壓水平高、電流大、導通電壓低的優(yōu)點，缺點是開關時間長，有二次擊穿現象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET和BJT優(yōu)點的新型復合器件IGBT應運而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關頻率高、導通電阻小、控制功率小等優(yōu)點。并且，隨著IGBT技術的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開關電源設備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機、電機驅動、特種工業(yè)電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設備中所占成本比例較高，所以掌握好IGBT的特性和正確的使用方法，盡量減少IGBT模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機可靠性，就成為設計者和使用者所必須關心的一個問題.關于IGBT的基本結構、工作原理、主要參數、特性等在電力電子書本里已經有詳細介紹，在這里不在贅述7。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅動功率小，驅動較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅動條件密切相關，隨驅動條件的變化而變化。(1)隨著柵極正向電壓的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小.若固定不變時，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結溫升高而增大。(2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關斷損耗變化不大，IGBT的運行可靠性提高。(3)隨著柵極串聯電阻增加，將使IGBT的開通和關斷時間增加，從而使IGBT開關損耗增加；而減小，則又將使增大，從而使IGBT在開關過程中產生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運行的安全性和可靠性。通過以上分析可以看出，一個理想的IGBT驅動電路應具有以下基本性能:(1)通常IGBT的柵極電壓最大額定值為20V，若超過此值，柵極就會被擊穿，導致器件損壞。為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護。(2)IGBT存在2.56V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅動信號低于此開啟電壓時，器件是不導通的。要使器件導通，驅動信號必須大于其開啟電壓。當要求IGBT工作于開關狀態(tài)時，驅動信號必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會造成器件損壞。正向柵極驅動電壓幅值的選取應同時考慮在額定運行條件下和一定過載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。對無短路保護的驅動電路而言，驅動電壓高一些有好處，可使器件在各種過流場合仍工作于飽和狀態(tài)。通常，正向柵極電壓取15V。在有短路保護的場合，不希望器件工作于過飽和狀態(tài)，因為驅動電壓小一些，可減小短路電流，對短路保護有好處。此時，柵極電壓可取為13V。另外，為減小開通損耗，要求柵極驅動信號的前沿要陡。IGBT的柵極等效為一電容負載，所以驅動信號源的內阻要小。(3)當柵極信號低于其開啟電壓時，IGBT就關斷了。為了縮短器件的關斷時間，關斷過程中應盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。器件關斷時，驅動電路應提供低阻抗的放電通路。一般柵極反向電壓取為-(50)V。當IGBT關斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。(4)IGBT柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅動電路需要提供動態(tài)驅動電流。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當IGBT高頻運行時，柵極驅動電流和驅動功率也是不小的，因此，驅動電路必須能提供足夠的驅動電流和功率。(5)IGBT是高速開關器件，在大電流的運行場合，關斷時間不宜過短，否則會產生過高的集電極尖峰電壓。柵極電阻對IGBT的開關時間有直接的影響。柵極電阻過小，關斷時間過短，關斷時產生的集電極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過大，器件的開關速度降低，開關損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運行造成危險，所以柵極電阻的上限受到開關損耗的限制。對600VIGBT器件，柵極電阻可據下式確定：=(I10)625/式中，為IGBT的額定電流值. 柵極電阻的下限取系數為1，限取系數為10。對于1200V的IGBT器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的600V器件阻值的一半。(6)驅動電路和控制電路之間應隔離。在許多設備中，IGBT與工頻電網有直接電聯系，而控制電路一般不希望如此。驅動電路具有電隔離能力可以保證設備的正常工作，同時也有利于維修調試人員的人身安全.驅動電路和柵極之間的引線應盡可能短，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應噪聲的影響。采用光耦器件隔離時，應選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。(7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應滯后，另一方面能提高保護的快速性。(8)電路簡單，成本低第4章 控制回路設計控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制。控制方式有模擬控制和數字控制兩種，本設計中采用的是以微處理器為核心的全數字控制，優(yōu)點是它采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點來完成許多模擬量難以實現的功能。設計控制電路如下：4.1 驅動電路設計驅動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅動信號。主電路逆變電路設計中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅動電路。以下將介紹SPWM技術工作原理和設計中所選用能產生SPWM波芯片SA4828的基本結構和工作原理。4.1.1 SPWM調制技術簡介脈寬調制(PWM)技術是利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現變壓、變頻控制并消除諧波的技術。脈寬調制技術在逆變器中的應用，對現代電力電子技術、現代調速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進作用。近幾年來。由于場控自關斷器件的不斷涌現。相應高頻SPWM(正弦脈寬調制)技術在電機調速中得到了廣泛應用，不僅能及時、準確地實現變壓變頻控制技術，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧波分量，從而提高了電機的工作效率，擴大了調速系統(tǒng)的調速范圍。實際工程中目前主要采用的PWM技術是正弦PWM(SPWM)，這是因為變頻器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。根據電機學原理，交流異步電動機變頻調速時，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進行控制，則機械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，也要相應改變定子的端電壓。若采用等脈寬PWM調制技術實現變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴重的高次諧波，會危害電動機的正常運行。為減小輸出信號中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調制波，即SPWM調制波。脈寬調制指的是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最??；當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調制方式稱為正弦波脈寬調制。產生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為調制波)進行比較，如圖4.1所示，兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷時間。當調制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調制波的幅值小于載波的幅值時，開關器件關斷。雖然正弦脈寬調制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM調制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開關管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達30KHz，用IGBT作為逆變開關管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調制波更接近正弦波?？捎赡M電路分別產生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWM調制波。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)點是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時間很短，幾乎瞬間完成。缺點是電路所用硬件較多，改變參數和調試比較困難。若用單片機直接產生SPWM信號，由于需要通過計算確定正弦脈寬調制波的寬度，使SPWM信號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應都較慢。對于調速精度、調速方式要求較高的交流異步電動機，可以采用各項性能指標都非常完善，但價格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機的變頻調速，可以直接采用三相SPWM調制信號專用芯片構成調速系統(tǒng)。在本設計中選用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機接口，完成對交流電動機的變頻調速。4.1.2 SPWM波生成芯片特點和引腳功能1.SA4828的特點全數字控制，兼容Intel等多系列單片機，輸入調制波頻率范圍04kHz，16位調速分辯率，載波頻率最高可達24kHz，內部ROM 固化3種可選波形，最小脈寬和延時時間可調，可單獨調整各相輸出以適應不平衡負載，具備看門狗定時器功能等。2.SA4828引腳功能SA4828采用28腳封裝。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖11。圖4.2 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位地址與數據復用總線。SET TRIP：通過該引腳，可以快速關斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。：復位端，低電平有效。CLK：時鐘信號輸入端。MUX ：總線選擇端。當MUX為高電平時，使用地址和數據共用的總線，這時，地址/數據管腳RS不用；當MUX為低電平時，使用地址和數據分開的總線，這時，地址鎖存器ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數據（高電平），通常先地址后數據。：片選輸入，該控制線可使SA8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。、：Intel(Motorola)總線控制write、read信號。ALE：地址鎖存允許。VDD：供電電源正端(+5V)。Vss：供電電源負端(0V)。（2）輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅動電路控制逆變橋的R、Y、B相的下臂開關管。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關管。以上引腳都是標準TTL輸出，每一個輸出都有12mA的驅動能力，可以直接驅動光耦。：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。ZPPR：零相位脈沖輸出端。Wss：波形采樣同步端口。RS：寄存器選擇端。4.1.3 SA4828內部結構及工作原理SA4828為28引腳的DIP或SOIC封裝的控制芯片，內部具有總線控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。外部時鐘輸入經分頻器分成設定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內三種調制波形進行比較，自動生成SPWM輸出脈沖，然后通過脈沖刪除電路刪除窄脈沖（如圖4.3）圖4.3 脈沖序列中的窄脈寬因為這種脈沖不起任何作用，只會增加開關管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會在狀態(tài)轉換期間導通短路?？撮T狗定時器用來防止程序跑飛，當條件滿足時快速封鎖輸出。SA4828內部結構原理框圖如圖4.4所示。圖4.4 SA4828原理框圖SA4828的設置是通過單片機接口將數據送入SA4828芯片內的兩個寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)來實現的。初始化寄存器用于設定與交流電動機有關的基本參數，這些參數要在PWM輸出端允許輸出前設定，系統(tǒng)工作以后不允許改變?？刂萍拇嫫魇窃诠ぷ鬟^程中控制輸出脈寬調制波的狀態(tài)，從而進一步控制交流電動機的運行狀態(tài)，通常在工作時，該寄存器的內容常被改寫，以實現實時對交流電動機的速度進行控制。參數的設定是通過8個暫存器、來傳送的。其中和是兩個虛擬的寄存器，實際上并不存在。初始化參數要先寫入，然后通過對的寫操作將參數送入初始化寄存器，再將控制參數寫入，并通過對的寫操作將參數送入控制寄存器。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 保護電路4.2.1 過、欠壓保護電路設計過壓、欠壓保護是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數值時考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關系。當輸入電源電壓過高，將使直流側電壓過高。過高的直流電壓對IGBT的安全構成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當輸入電壓過低時，雖不會對主回路元件構成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導致SA4828輸出錯誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBT。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對系統(tǒng)的電壓進行保護。圖 4.5為本文介紹的變頻器過壓保護電路。圖4.5 過電壓保護電路它直接對直流側電壓進行檢測。其中電壓信號的取樣是通過電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動作。過壓設定值從電位器上取出。運放接成比較器的形式。當取樣電壓高于設定值時(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導通，輸出低電平保護信號。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號在給定點附近波動時比較器抖動，這里將過壓保護的動作值整定為額定輸入電壓的110%。 欠壓產生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長時間低于標準規(guī)定的數值。另一種是瞬時停電或瞬時電壓降低。欠電壓導致逆變器開關器件驅動功率不足而燒壞開關器件。一般欠壓信號從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過電壓時檢測出信號進行保護，又不會因為短時間因為在欠電壓，過電壓并未構成危險時而保護誤動作。欠壓保護電路的原理與過壓保護電路類似。其電壓取樣與過壓取樣相同，欠壓設定值由上取出。運放接成比較器的形式。當取樣電壓高于設定值時(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導通，輸出高電平。當取樣電壓低于設定值時(欠壓情況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導通，輸出低電平保護信號。其電路下圖所示。動作值整定為輸入電壓的85%。圖4.6欠壓保護電路本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運行前，變頻器本身可以對過載、過壓、欠壓保護電路進行診斷，檢測其保護電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機控制發(fā)出各種等效故障信號，檢測對應的保護電路是否動作，若動作則說明保護電路正常，反之說明保護電路本身有故障，應停機對保護電路進行檢查，直到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過程如下：單片機控制HSO.2口發(fā)出一高電平，經非門整形后輸出低電平，光耦器件導通，有電流流過三極管的基極，三極管導通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓保護電路。因SA4828的SET TRIP端為高電平有效,所以應加上一個反相器,使其反相后輸出高電平。以下的過流信號也是如此.故障自診斷電路如圖4.7所示13：圖4.7 故障自診斷電路4.2.2 過流保護設計變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等情況下，電流變化非常迅速，元件將承受極大的電壓和電流，而IGBT器件的內部結構決定了它在足夠大的電流下會出現鎖定現象，造成管子失控無法關斷，以至燒壞，所以過流之前必須使IGBT關斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅動模塊EXB840中已經有過流保護，但考慮到過大時IGBT還未來得及關斷已經發(fā)生鎖定現象的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士LEM 公司生產的霍爾效應磁場補償式電流傳感器來進行電流的檢測。在此傳感器的輸出端串電阻R，則R上的壓降反應了被測的電流。過流發(fā)生時，R上的壓降大于過流保護動作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅動電路的輸入信號，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止狀態(tài)實現過流保護的功能。過流保護的電路示意圖如4.8圖所示：圖4.8 過流保護電路4.3 控制系統(tǒng)的實現單片機在整個控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測到參數的計算、存儲和傳送，再到人機接口的實現，都是單片機在其中穿針引線，控制、協(xié)調各部分的工作。它的性能的好壞及工作的正常與否對整個控制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設計中選用單片機課程學習到的Intel公司的8051單片機。8051是高性能的單片機，因受到引腳數目的限制，它屬于地址與數據復用的單片機，可以與SA4828直接接口。其內部有4KB的ROM，以下是它的引腳圖14。圖4.9 8051引腳圖因8051已經比較常見和熟悉，這里不再詳細介紹。圖4.10是單片機的系統(tǒng)圖15。 模擬量的頻率給定通過ADC0809模數轉換器讀入8051，轉化為SA4828的控制字，以控制觸發(fā)信號的波形。ADC0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近型A/D轉換器件，電位器的輸出接其輸入IN0（當51單片機沒有當5l單片機沒有外擴RAM和I/O口時，ADC0809就可以在概念上作為一個特殊的唯一的外擴RAM單元。因為它是唯一的，就沒有地址編號，也就不需要任何地址線或者地址譯碼線。只要單片機往外部RAM寫入，就是寫到ADC0809的地址寄存器中。只要單片機從外部RAM讀取數據，就是讀取ADC0809的轉換結果。）EOC轉換結束信號經一非門接8031外部中斷1（P3.3）。8051通過地址線P2.0和讀寫信號來控制轉換器的模擬量輸入通道地址鎖存，啟動允許輸出。圖4.10 單片機系統(tǒng)圖因8051的復用總線結構，SA4828的MUX引腳應該接高電平或懸空不接。8051的P0口與SA4828的AD口連接，提供8位數據和低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口輸入的地址和數據分開，SA4828的地址鎖存器由8051的ALE引腳控制，同時連接的控制信號還有讀，寫信號,.SA4828的片選信號用8051的P2.7引腳來控制，這樣SA4828的8個寄存器的地址為：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，使單片機能在異常情況下封鎖SA4828的輸出，ZPPR引腳接8051的P3.2（ ）,測量調試波的頻率，用于顯示。因8051的復位端為高電平有效，而SA4828為低電平有效，所以在兩者中間需要加上反相器。SA4828的引腳接一個發(fā)光二極管，當SA4828的輸出被封鎖時，發(fā)光二極管亮，用于指示封鎖狀態(tài)。SA4828的六個輸出引腳分別通過各自的驅動電路來驅動逆變橋的六只開關管。第5章 變頻器軟件設計5.1 流程圖軟件設計的流程圖如圖5.1。圖5.1 程序設計流程圖5.2 SA4828的編程5.2.1 初始化寄存器編程初始化是用來設定與電動機有關的參數。包括載波頻率設定，調制波頻率范圍設定，脈沖延時時間設定，最小刪除脈寬設定，調制波形選擇，幅值控制，看門狗時間常數設定等。下表為初始化編程時，R0R5各寄存器的內容17。表5.1 初始化編程時R0R5各寄存器內容76543210R0FRS2FRS1FRS0CFS2CFS1CFS0R1PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3AC00WS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6WD5WD4WD3WD2WD1WD0 (1)載波頻率設定。載波頻率(三角波頻率)設定字由CFS0CFS2這3位組成。理論上，載波頻率越高越好，但頻率越高損耗會越大，另外，還受開關管最高頻率的限制，因此要合理設定。載波頻率的計算式為： （5-1）式中：為時鐘頻率，的二進制數即為載波頻率設定字。(2)調制波頻率范圍設定。調制波頻率范圍設定字是由FRS0FRS2這三位組成。調制波頻率決定了電動機的轉速，因此應先根據電動機的調速范圍，計算調制波頻率范圍。調制波頻率范圍為： （5-2）式中：m值的二進制數即為調制波頻率范圍設定字。(3)最小刪除脈寬設定。該設定字由PDT0PDT6這7位組成。最小刪除脈寬為： （5-3）式中：的二進制數即是最小刪除脈寬設定字。考慮到延遲（死區(qū)）的因素，在延遲時，通常的做法是在保持原頻率不變的基礎上，使開關管延遲導通，如圖5.2所示，圖5.2 延遲前后的脈寬關系實際輸出的脈寬=延遲前的脈寬-延遲時間。SA4828的工作順序是先刪除最窄脈沖，然后在延遲，應是延遲前的最小刪除脈寬。它等于實際輸出的最小脈寬加上延遲時間，即：=實際輸出的最小脈寬+18。 (4)脈沖延遲時間設定。該設定字由PDY0PDY5這6位組成。脈沖延時為: （5-4）式中：的二進制數即是脈沖延遲時間設定字。(5)調制波形選擇。調制波形選擇是通過波形選擇字WS0、WS1這2位來完成的。根據WS0、WS1可選擇純正弦波、增強型波、高效波三種調制波形。其波形的選擇如表5.2所示：表5.2 波形選擇對應波形WS1WS2波形00純正弦波01增強型10高效型(6)幅值控制。幅值控制通過對AC位的設定來選擇控制寄存器中的幅值，以適應平衡負載或不平衡負載。 控制寄存器的作用主要是對調制波頻率(調速)、調制波幅值選擇(調壓)、正反轉選擇、輸出禁止位控制等進行控制。其方法是通過對R0R5寄存器輸入并暫存，當向R15虛擬寄存器進行寫操作時，才將這些數據送人控制寄存器。R0R5各寄存器的內容見下表。表5.3 控制寄存器編程時R0R5各寄存器內容76543210R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2PFS1PFS0R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RSTWTE/RR3Ramp7Ramp6Ramp5Ramp4Ramp3Ramp2Ramp1Ramp0R4Bamp7Bamp6Bamp5Bamp4Bamp3Bamp2Bamp1Bamp0R5Yamp7Yamp6Yamp5Yamp4Yamp3Yamp2Yamp1Yamp0（1）調制波頻率選擇調制波頻率選擇由PFS0PFS15這16位組成，通過下式求得: （5-6）式中，值的二進制數即為調制波頻率選擇字。 （2）調制波幅值選擇改變調制波幅值是用來改變輸出電壓，以達到變頻同時變壓的目的。調制波幅值是借助于8位幅值選擇字(Ramp、Yamp、Bamp)來實現的，其每一相都可以通過下式來計算： （5-7）式中值的二進制數即為調制波幅值選擇字。（3）正反轉選擇正反轉選擇位 /R控制三相PWM輸出的相序。/R =0時正轉，相序是R-Y-B；/R =1時反轉，相序是B-Y-R。正反轉期間輸出波形連續(xù)。（4）輸出禁止位控制。輸出禁止位。當=0時，關斷所有的SPWM信號輸出。（5）計數器復位控制 計數器復位。當=0時，使內部的相計數器置為（R相）。（6）軟復位控制RST是軟復位位，它與硬復位有相同的功能，高電平有效。參考文獻1 何超.交流變頻調速技術.北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.2 梁昊.最新變頻器標準實施和設計.北京：電力出版社，2005.125-136.3 李發(fā)海，朱東起.電機學.第三版.北京：科學出版社，2001.326-395.4 王曉明.電動機的單片機控制.第二版.北京:北京航空航天出版社，2007.157-1825 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