基于spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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)代電氣傳動領(lǐng)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(jī)控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)還將會取得巨大進(jìn)步。</p><p>　　本文對變頻調(diào)速理論，逆變技術(shù)，SPWM產(chǎn)生原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)字化三相SPW

2、M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，同時采用EXB840構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數(shù)接近1，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。</p><p>　　本文在控制上采用恒控制，同時，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。</p><p>　

3、　另外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，完成了整個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵字:變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制，控制，SA4828波形發(fā)生器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Recently, the research of variable freq

4、uency speed variation of AC motor and relevant technology has become an important issue in electrical drive field, with the appearance of new power electron apparatus and microprocessor and the development of the control

5、 theory, the technology of variable frequency speed variation will improve more rapidly.</p><p>　　This thesis has a research on these technologies: Variable Voltage Variable Frequency motor drive, inverter,

6、and the creation principle of SPWM, Based on the results of the study, I designed a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 controlled by 8051 as main controlling core, it uses I

7、GBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting circuit unit, which makes power factor close to 1. Because I only need to control inverter, the</p><p>　　I adopt the means of linea

8、r operation. At the same time, it is very convenient to input parameters or change the drive’s operating mode due to the software procedure. Moreover, owing to the advantages of the new integrated parts, it costs less t

9、ime to develop this motor drive.</p><p>　　This thesis has also detail introduced the method of the usage and the programs of the three phases SPWM wave generator SA4828. The software and the hardware of the

10、control part in system have been completed.</p><p>　　Keywords: variable frequency speed control， Sine Pulse Width Modulation (SPWM)， operation; SA4828 Wave Generator</p><p><b>　　目 錄</b&

11、gt;</p><p><b>　　摘 要i</b></p><p>　　Abstractii</p><p><b>　　1緒　論1</b></p><p>　　1.1　變頻調(diào)速技術(shù)簡介 1</p><p>　　1.2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢2</p&

12、gt;<p>　　1.2.1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.3 研究的目的與意義3</p><p>　　1.4 本次設(shè)計(jì)方案簡介4</p><p>　　1.4.1 變頻器主電路方案的選定4</p><p>　　1.4.2

13、系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介5</p><p>　　1.4.3 選用電動機(jī)原始參數(shù)6</p><p>　　2交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理7</p><p>　　2.1 三相異步電機(jī)工作的基本原理7</p><p>　　2.1.1 異步電機(jī)的等效電路7</p><p>　　2.1.2 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩8&l

14、t;/p><p>　　2.1.3 異步電動機(jī)的機(jī)械特性9</p><p>　　2.1.4 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理11</p><p>　　3變頻器主電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 主電路的工作原理12</p><p>　　3.1.1 主電路各部分的設(shè)計(jì)12</p><p>

15、　　3.1.2 變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理13</p><p>　　3.2 主電路參數(shù)計(jì)算16</p><p>　　3.3 IGBT及驅(qū)動模塊介紹17</p><p>　　3.3.1 IGBT簡介及驅(qū)動要求17</p><p>　　3.3.2 EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)19</p><p>　　3.

16、3.2 采用EXB840的IGBT驅(qū)動電路20</p><p>　　4控制回路設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù)簡介21</p><p>　　4.1.2 SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能23</p><p>　　4.2 保護(hù)電路24

17、</p><p>　　4.2.1 過、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.2.2 過流保護(hù)設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)27</p><p>　　5變頻器軟件設(shè)計(jì)29</p><p>　　5.1 流程圖29</p><p>　　5.2 SA48

18、28的編程29</p><p>　　5.2.1 初始化寄存器編程29</p><p>　　5.2.2 控制寄存器編程32</p><p>　　5.3 程序設(shè)計(jì)33</p><p>　　6變頻器用MATLAB/SIMULINK仿真42</p><p>　　6.1 MATLAB/SIMULINK簡介42<

19、/p><p>　　6.2 基于SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真43</p><p><b>　　總結(jié)48</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)49</p><p><b>　　致謝50</b></p><p><b>　　1緒論</b></p&

20、gt;<p>　　1.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡介</p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動機(jī)的供電頻率來達(dá)到交流電動機(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)時費(fèi)工，成本高，給人們帶

21、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(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，而成為電氣傳動的中樞[1]。</p><p>　　變頻調(diào)速被認(rèn)為是

22、一種理想的交流調(diào)速方法。但如何得到一個單獨(dú)向異步電動機(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(diào)速后電動機(jī)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

23、等特定場合。</p><p>　　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S

24、PWM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。 </p><p>　　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、控制部分及保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。 </p><p>　　1.2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢</p><p>　　1.2.1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀

25、</p><p>　　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)樹一幟，并在工業(yè)領(lǐng)域及家電產(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)從一般意義的拖動技術(shù)中分離出來，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

26、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)品所占領(lǐng)，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)能力強(qiáng)，所以他們

27、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研究、</p><p>　　1.2.2 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　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

28、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)的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個方面發(fā)展[2]：</p><p><b>　　1.網(wǎng)絡(luò)智能化</b></p><p>　　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)

29、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控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.專門化和一體化</b></p><p>　　變頻器的制造專門化，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，控制更方便。&

30、lt;/p><p><b>　　3.環(huán)保無公害</b></p><p>　　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，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問題減少到最小程度。</p><p><b>　　4.適應(yīng)新能源</b></p>

31、<p>　　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格嶄露頭角，有后來居上之勢。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?，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。</p><p>　　1

32、.3 研究的目的與意義</p><p>　　隨著交流傳動電動機(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，交流電動機(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，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)，如既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的門極可關(guān)斷晶閘管GTO；

33、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)動電壓功率小和驅(qū)動線路簡單，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)上簡單的控制方案，更加充實(shí)和推動了變頻器理論的進(jìn)一步發(fā)展。</p>

34、<p>　　能完成各種復(fù)雜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，通過快速檢測電流實(shí)現(xiàn)PWM控制的變頻技術(shù)，通過直接控制轉(zhuǎn)矩來快速控制轉(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。</p&g

35、t;<p>　　總之，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特別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研究，對于交流變頻調(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)用價值。</p><p>　　1.4 本次設(shè)計(jì)方案簡介</p><p>　　1.4.1 變頻器主電路方案的選定</p&g

36、t;<p>　　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。</p><p>　　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

37、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。</p><p>　　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：</p>

38、<p><b>　?。?）電流型變頻器</b></p><p>　　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。</p><p><b>　?。?）電壓型變頻器</b></p><p>　　電壓型變頻

39、器的特點(diǎn)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(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器。</p><p>　　由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機(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

40、系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中。</p><p>　　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。</p><p>　　1

41、.4.2 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介</p><p>　　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。</p><p>　　圖1.1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　系統(tǒng)各組成部分簡介：</p><p>　　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

42、用中等容量的電動機(jī)，所以采用三相380V電源。</p><p>　　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(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。</p><p>　　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。</p><p>　　逆變

43、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，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。</p><p>　　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(hù)信號。</p><p>　　控制電路：采用8051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)動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離

44、后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。</p><p>　　1.4.3 選用電動機(jī)原始參數(shù)</p><p>　　在這次設(shè)計(jì)中，采用中等容量的電動機(jī)，具體數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　額定功率：；</b></p><p><b>　　額定電壓：；</b></p><p><b&

45、gt;　　額定電流：；</b></p><p><b>　　額定轉(zhuǎn)速：；</b></p><p><b>　　效 率：；</b></p><p>　　功率因數(shù)：cosφ=0.85；</p><p>　　過載系數(shù)：λ=2.2；</p><p>　　電壓波動：&

46、#177;10%；</p><p>　　極 對 數(shù)：P=2。</p><p>　　2交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理</p><p>　　2.1 三相異步電機(jī)工作的基本原理 </p><p>　　2.1.1 異步電機(jī)的等效電路</p><p>　　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

47、聯(lián)系，其電路可用圖2.1來表示[3]。</p><p>　　圖2.1異步電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子圖</p><p><b>　　圖2.1中：</b></p><p><b>　　——定子的相電壓；</b></p><p><b>　　——定子的相電流；</b></p>&

48、lt;p>　　——定子每相繞組的電阻和漏抗；</p><p>　　、、分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗；</p><p>　　——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：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中: 　　　　　　　</

49、p><p>　　—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動勢有效值；</p><p><b>　　—定子頻率；</b></p><p>　　—定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；</p><p><b>　　—基波繞組系數(shù)；</b></p><p><b>　　—極氣隙磁通。</b>

50、;</p><p>　　由電動機(jī)的基礎(chǔ)知識可知：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。</p><p>　　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：</p><p>　　a.忽略空間和時間諧波，各繞組的自

51、感和互感都是線性的；</p><p><b>　　b.忽略磁飽和；</b></p><p><b>　　c.忽略鐵損。</b></p><p>　　可以得到電動機(jī)的T形等效電路圖，由于交流異步電動機(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。</p><p>　　圖2.2

52、 電動機(jī)的T形等效電路圖</p><p><b>　　圖2.2中：</b></p><p>　　——勵磁電阻，是表征異步電動機(jī)鐵心損耗的等效電阻；</p><p>　　——勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù)；</p><p><b>　　——勵磁電流；</b></p><p

53、>　　——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；</p><p>　　等參數(shù)——經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。</p><p>　　2.1.2 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩</p><p>　　（1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p

54、>　　式中 的單位為KW；的單位是；Ｔ的單位是。</p><p>　?。?）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式</p><p>　　= （2-3）</p><p>　　式中 ——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；</p><p><b>　　——主磁通。</b></p><p&

55、gt;　?。?）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式</p><p>　　= （2-4）</p><p>　　式中 ——磁極對數(shù)；</p><p><b>　　——電源的相電壓；</b></p><p><b>　　——電源頻率。</b></p><p>　

56、　2.1.3 異步電動機(jī)的機(jī)械特性</p><p>　　機(jī)械特性是指電動機(jī)在運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即=，它可由（2-3）所決定的曲線變換而來。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)所決定的曲線，叫做電動機(jī)的自然機(jī)械特性。</p><p>　　圖2.3 異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線</p><p>　　只要確定曲線上的幾個特殊點(diǎn)，就能畫

57、出電動機(jī)的機(jī)械特性。</p><p><b>　　1.理想空載點(diǎn)</b></p><p>　　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?！?lt;/p><p><b>　　2.起動點(diǎn)</b></p><p>　　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

58、。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)載的能力一般用起動倍數(shù)來表示，即。式中,為額定轉(zhuǎn)矩。</p><p><b>　　3.臨界點(diǎn)</b></p><p>　　臨界點(diǎn)Ｋ是一個非常重要的點(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)。電動機(jī)運(yùn)行在Ｋ點(diǎn)時，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩，它表示了電動機(jī)所有能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，此時的轉(zhuǎn)差率叫臨界轉(zhuǎn)差率，用表示。、根

59、據(jù)式（2－3）用求極值的辦法求出，即：由＝0，可得：</p><p><b>　?。?－4）</b></p><p><b>　　（2－5）</b></p><p>　　電動機(jī)正常運(yùn)行時，需要有一定的過載能力，一般用表示，即</p><p>　　＝

60、 （2-6）</p><p>　　普通電動機(jī)的＝2.0～2.2之間，而對某些特殊用電動機(jī)，其過負(fù)載能力可以更高一些。</p><p>　　上述分析說明：的大小影響著電動機(jī)的過載能力，越小，為了保證過載能力不變，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

61、下一小節(jié)中介紹。</p><p>　　2.1.4 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理</p><p>　　交流異步電動機(jī)是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機(jī)類型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國異步電動機(jī)的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨希虼肆私猱惒诫妱訖C(jī)的調(diào)速原理十分重要。</p><p>　　交流異步電動機(jī)是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機(jī)類型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國異步電動機(jī)的使用容量約占拖動總?cè)萘康?/p>

62、八成以上，因此了解異步電動機(jī)的調(diào)速原理十分重要。</p><p>　　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，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(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：</p><p><b>　?。?-7）<

63、;/b></p><p>　　式中：為三相交流電源頻率，一般是50Hz；為磁極對數(shù)。當(dāng)=1是，=3000r／min；=2時，=1500r／min。</p><p>　　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)，這個差別用轉(zhuǎn)差率表示：</p><p><b>　?。?-8）</b><

64、;/p><p>　　在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，=0，這時=1；啟動后的極端情況=，則=0，即在0～1之間變化，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：</p><p><b>　　（2-9）</b></p><p>　　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)差率的變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速

65、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。</p><p><b>　　3變頻器主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 主電路的工作原理</p><p>　　變頻調(diào)速實(shí)際上是向交流異步電動機(jī)提供一個頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)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

66、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）。</p><p>　　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]。</p><p>　　圖3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路</p><p>　　3.1.1 主電路各部分的設(shè)計(jì)</p><p><b>

67、　　1.交直電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的電壓為=1.35=1.35×380V=513V。</p><p>　　濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時保持電壓平穩(wěn)。</p><p>　　當(dāng)變頻器通電時，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，

68、為了保護(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)充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。</p><p>　　在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。</p><p>　　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，放電時間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。</p

69、><p>　　為制動電阻，在變頻器的交流調(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，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保護(hù)動作，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，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

70、一定值，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。</p><p><b>　　2.直交電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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)的交流電，逆變管在這里選用IGBT。</p><p>　　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，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機(jī)線圈的電感作

71、用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另外，當(dāng)電動機(jī)制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。</p><p>　　電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來保護(hù)逆變管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時，要受集電極電流和集電極與發(fā)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，迅速上升，迅速降低，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

72、減小電壓增長率。當(dāng)逆變管開通時，迅速下降，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，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電時，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，

73、在此選用此種緩沖電路。</p><p>　　3.1.2 變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理</p><p><b>　　1.整流電路</b></p><p>　　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)是電路簡單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設(shè)計(jì)中不再做詳細(xì)的介紹[5]。</p>

74、<p>　　2.逆變的基本工作原理</p><p>　　將直流電轉(zhuǎn)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：</p><p><b>　?。?）單相逆變電路</b></p><p>　　在圖3.2的單相逆變電路的原理圖中：</p><p>

75、　　當(dāng)、同時閉合時，電壓為正；、同時閉合時，電壓為負(fù)。</p><p>　　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。</p><p>　　可以看到在交流電變化的一個周期中，一個臂中的兩個開關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個開關(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。</p><p>　　圖3.2 單相逆變

76、器原理圖</p><p><b>　　（2）三相逆變電路</b></p><p>　　三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。</p><p>　　圖3-3中，～組成了橋式逆變電路，這6個開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在</p><p>　　輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。</p><p>　　當(dāng)

77、、閉合時，為正；、閉合時，為負(fù)。</p><p><b>　　用同樣的方法得：</b></p><p>　　當(dāng)、同時閉合和、同時閉合，得到,,同時閉合和、同時閉合，得到。</p><p>　　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、、</p><p

78、>　　波形如圖3.3c 所示。</p><p>　　結(jié)構(gòu)圖 b) 開關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖</p><p>　　圖3.3 三相逆變器原理圖</p><p>　　觀察6個開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：</p><p>　?、俑鳂虮凵系拈_關(guān)始終處于交替打開、關(guān)斷的狀態(tài)如、。</p><p>　　②各相的

79、開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差電角度。如比,滯后，比滯后。</p><p>　　上述分析說明，通過6個開關(guān)的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(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的大小來調(diào)節(jié)。</p><p>　　3.2 主電路參數(shù)計(jì)算</p><p>　　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[6]：</p>

80、<p>　　1.整流二極管的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　（峰值電流）= =×15.6=22.06A</p><p>　?。ㄓ行е担? =15.6A</p><p>　　二極管額定電流值=（1.5～2）Id/1.57=14.91A～19.88A</p><p>　　額定電壓值=（2～3）=（2～3）××

81、380=1074.64V～1611.96V</p><p><b>　　2.濾波電容</b></p><p>　　系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=1.1××380=591.05V。</p><p><b>　　3.制動部分</b></p><p>　　制動電阻粗略計(jì)算為～=18.

82、94～37.89</p><p>　　擊穿電壓：當(dāng)線電壓為380V時，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選1000V。</p><p>　　集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來計(jì)算：=2×591.05/18.94=62.41A</p><p><b>　　4.IGBT的選用</b></p><p>　　峰值電壓=（2～2.5）

83、×1.1××380=1182.1V～1477.63V</p><p>　　集電極電流=（1.2～2）=（1.2～2）××λ×=58.23～97.06A</p><p>　　集電極-發(fā)射極額定電壓≥1.2倍最高峰值電壓=1.2×1477.63V=1773.16V</p><p>　　3.3 IGBT

84、及驅(qū)動模塊介紹</p><p>　　3.3.1 IGBT簡介及驅(qū)動要求</p><p>　　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

85、。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)時間長，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、特種工業(yè)電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設(shè)備中

86、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(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</p><p>　　IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動功率小，驅(qū)動較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動條件的變化

87、而變化。</p><p>　　(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(jié)溫升高而增大。</p><p>　　(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。</p><p>　　(3)隨著柵極串聯(lián)電阻增加，將使IGBT的開通和關(guān)斷時間增加，從而

88、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。</p><p>　　通過以上分析可以看出，一個理想的IGBT驅(qū)動電路應(yīng)具有以下基本性能:</p><p>　　(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，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。</p>

89、<p>　　(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，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通，驅(qū)動信號必須大于其開啟電壓。當(dāng)要求IGBT工作于開關(guān)狀態(tài)時，驅(qū)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(qū)動電壓幅值的選取應(yīng)同時考慮在額定運(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。對無短路保護(hù)的驅(qū)動電路而言，驅(qū)動電壓高

90、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(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，對短路保護(hù)有好處。此時，柵極電壓可取為13V。</p><p>　　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。</p><p>　　(3)當(dāng)柵極信號低于其開啟電壓

91、時，IGBT就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷時間，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，驅(qū)動電路應(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。</p><p>　　(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)動電路需要提供動態(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。

92、當(dāng)IGBT高頻運(yùn)行時，柵極驅(qū)動電流和驅(qū)動功率也是不小的，因此，驅(qū)動電路必須能提供足夠的驅(qū)動電流和功率。</p><p>　　(5)IGBT是高速開關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場合，關(guān)斷時間不宜過短，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)時間有直接的影響。柵極電阻過小，關(guān)斷時間過短，關(guān)斷時產(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)斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過大，器件的開關(guān)速

93、度降低，開關(guān)損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運(yùn)行造成危險，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：</p><p>　　=(I～10)×625/</p><p>　　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。<

94、;/p><p>　　3.3.2 EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于以上的驅(qū)動要求，在設(shè)計(jì)中采用EXB840,它是一種高速驅(qū)動集成電路,最高使用頻率為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,采用單電源20V供電。</p><p>　　EXB840的功能框圖如圖3.4所示。</p><p

95、>　　它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動放大電路,過流檢測急保護(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,可隔離交流2500V的信號。過流檢測及保護(hù)電路根據(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,如果有過電流,保護(hù)電路將迅速關(guān)斷IGBT,防止過快的關(guān)斷時而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢升高,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)

96、柵電壓。</p><p>　　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,防止過流保護(hù)誤動作(一般場合不需要這個電容),引腳5為過流保護(hù)輸出,引腳6為集電極電壓監(jiān)視端,引腳14和15為驅(qū)動信號輸入端,其余引腳不用。</p><p>　　圖3.4 EXB840的引腳圖</p><p&

97、gt;　　3.3.2 采用EXB840的IGBT驅(qū)動電路</p><p>　　采用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]。</p><p>　　其中ERA34-10是快速恢復(fù)二極管。IGBT的柵極驅(qū)動連線應(yīng)該用雙絞線,長度應(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。</p><p>　　圖3

98、.5 EXB840組成的驅(qū)動電路</p><p><b>　　4 控制回路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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(wù)是完成對逆變器開關(guān)元件的開關(guān)控制?？刂品绞接心M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

99、控制靈活性高的特點(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：</p><p>　　4.1 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。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。</p><p&

100、gt;　　4.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù)簡介</p><p>　　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)。</p><p>　　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)

101、速中得到了廣泛應(yīng)用，不僅能及時、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。</p><p>　　根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速時，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

102、小，所以在變頻的同時，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，會危害電動機(jī)的正常運(yùn)行。</p><p>　　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(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。</p><p>　　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，來等效地獲得所需要的波形(含

103、形狀和幅值)。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時，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，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最??；當(dāng)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(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]。</p><p>　　產(chǎn)生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為調(diào)制波)進(jìn)行比較，如圖4.1所示，兩波形的

104、交點(diǎn)作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時間。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，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，開關(guān)器件關(guān)斷。</p><p>　　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IGB

105、T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。可由模擬電路分別產(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。</p><p>　　圖4.1 SPWM波生成方法</p><p>　　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SPW

106、M信號，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)速方式要求較高的交流異步電動機(jī)，可以采用各項(xiàng)性能指標(biāo)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(jī)的變頻調(diào)速，可以直接采用三相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)生和控制的集成芯片，可以和單片機(jī)接口，完成對交流電動機(jī)的變頻調(diào)速

107、。</p><p>　　4.1.2 SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能</p><p>　　1.SA4828的特點(diǎn)</p><p>　　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，最小脈寬和延時時間可調(diào)，可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門狗定時器功能等。

108、</p><p>　　2.SA4828引腳功能</p><p>　　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]。</p><p>　　圖4.2 SA4828引腳排列示意圖</p><p>　　各引腳的功能說明如下：</p><p>　?。?）輸入類管腳說明</p><

109、p>　　AD0～AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。</p><p>　　SET TRIP：通過該引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。</p><p>　?。簭?fù)位端，低電平有效。</p><p>　　CLK：時鐘信號輸入端。</p><p>　　MUX ：總線選擇端。當(dāng)MUX為高電平時，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址/

110、數(shù)據(jù)管腳RS不用；當(dāng)MUX為低電平時，使用地址和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。</p><p>　?。浩x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。</p><p>　　、：Intel(Motorola)總線控制write、read信號。&

111、lt;/p><p>　　ALE：地址鎖存允許。</p><p>　　VDD：供電電源正端(+5V)。</p><p>　　Vss：供電電源負(fù)端(0V)。</p><p>　　（2）輸出類管腳說明</p><p>　　RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的下臂開關(guān)管。</p>

112、<p>　　RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關(guān)管。</p><p>　　以上引腳都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一個輸出都有12mA的驅(qū)動能力，可以直接驅(qū)動光耦。</p><p>　?。狠敵龇怄i狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。</p><p>　　ZPPR：零相位脈沖輸出端。</p><p>

113、;　　Wss：波形采樣同步端口。</p><p>　　RS：寄存器選擇端。</p><p><b>　　4.2 保護(hù)電路</b></p><p>　　保護(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，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測到異常時，進(jìn)行各種必要的處理[12]。</p><p>　　4.2.1

114、過、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　過壓、欠壓保護(hù)是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)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(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，雖不會對主回路元件構(gòu)成直接威