異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、自動控制元件及線路自動控制元件及線路課程實習報告課程實習報告異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)1.4.1 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。主主 主主 主主 主主 主主主主主8051SPWM主主主 主主主主主主主主主主主主主 主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主圖 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

2、加以濾波。在本設計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?8051 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(jù)這些指令和設定信息形成驅(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)動開關管的關斷。1.4.

3、2 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(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、軋鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q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

4、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。（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(nèi)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

5、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(diào)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(xiàn)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。2 交流異步電動機變頻調(diào)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

6、等效電路異步電動機的轉(zhuǎn)子能量是通過電磁感應而得來的。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異步電動機的定、轉(zhuǎn)子圖圖 2.1 中：其有效值可計算如下： （2-1）11114.44NmEf N K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(xiàn)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2.1.4 異步電機變頻調(diào)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。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(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到調(diào)速的目的

7、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)生感應電動勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動機轉(zhuǎn)起來。電機磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用表示：0n （2-7）pfn600式中：為三相交流電源頻率，一般是 50Hz；為磁極對數(shù)。當=1 是，fpp=3000rmin；=2 時，=1500rmin。0np0n由上式可知磁極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速比磁場的同步轉(zhuǎn)速p0nn要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉(zhuǎn)差率 表示：0ns （2-8）%10000nnns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

8、=，則nsn0n=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-sss7）和（2-8）式可以得出： （2-060 (1)(1)fsnnsp9）由式（2-9）可以看出，對于成品電機，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 的變化不ps大，則電機的轉(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nf的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。3 變頻器主電路設計3.1 主電路的工作原理變頻調(diào)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(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，

9、濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變） 。在本設計中采用圖 3.1 的主電路，這也是變頻器常用的格式。圖3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路3.1.1 主電路各部分的設計1.1.交直電路設計交直電路設計選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電61VDVD 壓為=1.35=1.35380V=513V。dULU濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。FC當變頻器通電時，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FC整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻，從而使電容的LRFC充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當充電到一定程度，使閉合

10、，將限流電阻短路。FCLS在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。LS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行。為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機的減速是通過降低變頻器的BR輸出頻率而實現(xiàn)的，在電動機減速過程中，當變頻器的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(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，導致變頻器本省過電壓保護動作，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

11、BRBV是消耗掉這部分能量。如圖 3.1 所示，當直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。BV2.2.直交電路設計直交電路設計選用逆變開關管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆61VV 變管在這里選用 IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當逆變開關管由導通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突127VDVD 然變?yōu)榱悖怯捎陔妱訖C線圈的電感作用，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，當電動機制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來保護逆變管。0601RR0601C

12、C0601VDVD由于開關管在開通和關斷時，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，cIceV因此要通過緩沖電路進行緩解。當逆變管關斷時，迅速上升，迅速降低，過高增ceVcI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0601CC壓增長率。當逆變管開通時，迅速下降，迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由ceVcI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cI增加電阻，限制電容的放電電流?？墒钱斈孀児荜P斷時，該電阻又會阻止電0601RR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0601VDVD避開電阻，通過二

13、極管充電。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。因本次設計所選用的電動機為中容量型，在此選用此種緩沖電路。3.1.2 變頻器主電路設計的基本工作原理1.1.整流電路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(shù)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。2.2.逆變的基本工作原理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：（2）三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖3

14、.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1S6S輸出端得到一個相位互相差2/3的三相交流電壓。當、閉合時，為正；、閉合時，為負。1S4SVUu3S2SVUu用同樣的方法得：當、同時閉合和、同時閉合，得到,同時3S6S5S4SWVu5S2S閉合和、同時閉合，得到。1S6SUWu為了使三相交流電、在相位上依次相差2/3；各開關的接通、關VUuWVuUWu斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標明。根據(jù)該規(guī)律可得、VUuWVu波形如圖下圖所示。UWu 結構圖 開關的通斷規(guī)律波形圖觀察6個開關的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點：各橋臂上的開關始終處于交替打開、關斷的

15、狀態(tài)如、。1S2S各相的開關順序以各相的“首端”為準，互差2/3電角度。如比滯后3S1S2/3，比滯后2/3。5S3S上述分析說明，通過6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過的大小來調(diào)節(jié)。DU3.2 主電路參數(shù)計算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計算如下6：1.整流二極管的參數(shù)計算（峰值電流）= =15.6=22.06AmI2NI2（有效值）= =15.6AdI/2mI二極管額定電流值=（1.52）Id/1.57=14.91A19.88AeI額定電壓值=（23）=（23）380=1074.64V1611.96VeUmU

16、22.濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=1.1380=591.05V。dU23.制動部分制動電阻粗略計算為=18.9437.89NdBIUR2NdIU擊穿電壓：當線電壓為 380V 時，根據(jù)經(jīng)驗值選 1000V。bV集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來計算：BVcmBR=2591.05/18.94=62.41AbdCMRUI24.IGBT 的選用峰值電壓=（22.5）1.1380=1182.1V1477.63V2集電極電流=（1.22）=（1.22）=58.2397.06AcImINI2集電極-發(fā)射極額定電壓1.2 倍最高峰值電壓=1.21477.63V=1773.16V3.3

17、IGBT 及驅(qū)動模塊介紹在設計中采用 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s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,過流檢測急保護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。過流檢測及保護電路根據(jù) IGBT 柵極驅(qū)動電平和集電極電壓之間的關系,檢測是否有過電流現(xiàn)象存在,如果有過電流,保護電路將迅速關斷 IGBT,防止過快的關斷時而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應電

18、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,防止過流保護誤動作(一般場合不需要這個電容),引腳 5 為過流保護輸出,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。R主主主主主主主主主主主主ST(+)(-)主主主主主主主主主主主主主主主(主主主)主主主主(主主主主主主主主主)主主主主主主主主主(

19、+20V)主主主主主主主主主主主主主主主主主主(0V)圖3.4 EXB840的引腳圖3.3.2 采用 EXB840 的 IGBT 驅(qū)動電路其中 ERA34-10 是快速恢復二極管。IGBT 的柵極驅(qū)動連線應該用雙絞線,長度應該小于 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。GR驅(qū)動信號故障輸出4.7 雙絞線隔離電源EXB840 組成的 IGBT 典型集成電路驅(qū)動電路4 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?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制

20、，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(xiàn)的功能。設計控制電路如下：4.1 驅(qū)動電路設計驅(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。主電路逆變電路設計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 技術工作原理和設計中所選用能產(chǎn)生 SPWM 波芯片 SA4828 的基本結構和工作原理。4.1.1 SPWM 調(diào)制技術簡介脈寬調(diào)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(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術。脈寬調(diào)制技術在

21、逆變器中的應用，對現(xiàn)代電力電子技術、現(xiàn)代調(diào)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(xiàn)。相應高頻SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術在電機調(diào)速中得到了廣泛應用，不僅能及時、準確地實現(xiàn)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(diào)速系統(tǒng)的調(diào)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(jù)電機學原理，交流異步電動機變頻調(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

22、。若采用等脈寬PWM調(diào)制技術實現(xiàn)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(diào)制波，即 SPWM 調(diào)制波。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(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調(diào)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(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 S

23、PWM 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(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。utt0u主主主主主主主主主主主主主0圖4.1 SPWM波生成方法在本設計中選用 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(diào)速。4.1.3 SA4828 內(nèi)部結構及工作原

24、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。外部時鐘輸入經(jīng)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(nèi)三種調(diào)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）窄脈寬圖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(zhuǎn)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(nèi)部結構原理框圖如圖 4.4 所示。圖4.4 SA4828原理框圖SA48

25、28 的設置是通過單片機接口將數(shù)據(jù)送入 SA4828 芯片內(nèi)的兩個寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)來實現(xiàn)的。初始化寄存器用于設定與交流電動機有關的基本參數(shù)，這些參數(shù)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(diào)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(nèi)容常被改寫，以實現(xiàn)實時對交流電動機的速度進行控制。4.2 保護電路保護電路的主要功能是對檢測電路得到的各種信號進行運算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當檢測到異常時，進行各種必要的處理。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

26、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

27、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1R2R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1C1W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AU :1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5R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(chǎn)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(shù)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(qū)動功率不足而燒壞開關

28、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2WBU :1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

29、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。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(jīng)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：圖4.7 故障自診斷電路4.2.2 過流保護設計變頻器在諸

30、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(nèi)部結構決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(qū)動模塊 EXB840 中已經(jīng)有過流保護，但考慮到過大時 IGBT 還未來得及關斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必須采取輔助斷流措dtdi施。這里采用瑞士 LEM 公司生產(chǎn)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 LE

31、M324 輸出低電平去封鎖 IGBT 的驅(qū)動電路的輸入信號，即可使橋臂上的所有 IGBT 處于截止狀態(tài)實現(xiàn)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(xiàn)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 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

32、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(shù)據(jù)，就是讀取 ADC0809 的轉(zhuǎn)換結果。 ）EOC 轉(zhuǎn)換結束信號經(jīng)一非門接 8031 外部中斷 1（P3.3） 。8051 通過地址線 P2.0 和讀寫信號來控制轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道地址鎖存，啟動允許輸出。XTAL1P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7WRRDP2.7P3.2RESTALEP1.0XTAL2AD0AD1ZPPRAD2CSAD3AD4RDAD5WRAD6ALEAD7STTRIPTRIPCLK19RESETR

33、PHBBPHBYPHBBPHBRPHTYPHTR?RES2+5V+5VVDDP3.3D0D1D2D3D4D5D6D7IN0VREF+VREF-SCALECLKOEEOC主2P2.08051SA4828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(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，同時連接的控制信號還有讀，寫信號

34、,RD.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WRCS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(diào)試波的頻率，用于顯示。因 80510INT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)

35、光二極管TRIP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(qū)動電路來驅(qū)動逆變橋的六只開關管。第 4 章 實驗與仿真(1) 運行仿真打開仿真/參數(shù)窗口，選擇 ode23tb 算法，將相對誤差設置為 1e-3，停止時間設置為 0.1s，單擊工具欄中的“開始”按鈕開始仿真。仿真結束后雙擊示波器模塊可觀測被測量的波形，改變模塊參數(shù)可得到隨之變化的仿真波形。02004006008001000Vdc-1500-1000-500050010001500Vab inverter-5000500Vab Load00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1

36、0.40.60.81modulation index圖 4.1 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形-4-3-2-101234x 10400.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-1000-800-600-400-20002004006008001000Vab Load圖 4.2 變頻前后電壓波形（取一相）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 程序設計由可算出調(diào)制波頻率范圍為 050Hz，時鐘頻率為 12MHz，設計載波頻率psf)1 (60為 5kHz，實際脈沖刪除時間為 12s，死區(qū)延遲時間為 6s，系統(tǒng)采用高效波形，不

37、使用看門狗功能。我們采用 Intel 公司的 8051 單片機，對 SA4828 進行設置，進而實現(xiàn)對三相交流電動機進行調(diào)速控制19。將程序分成三部分，分別介紹如下（1）初始化程序設計：根據(jù)上面介紹的公式，計算出 SA4828 各個初始化參數(shù)字。為了顯示調(diào)試波頻率，必須測量 ZPPR 引腳的輸出脈沖周期，其周期的倒數(shù)就是調(diào)制波頻率。測量 ZPPR 輸出脈沖周期的方法是：利用 ZPPR 輸出脈沖的下降沿觸發(fā)中斷，這時計算兩個 ZPPR 輸出脈沖下降沿的時間間隔。時間間隔可用定時器 T00INT求得（初始值為 00H） 。但是因為調(diào)制波的頻率較低，周期比較長?？赡軙霈F(xiàn)周期大于 16 位的 T0

38、所能定時的最長時間。因此，還要利用定時器 T0 的溢出中斷。在 T0 每次中斷時，給一個指示器加 1，加 1 的結果存入 RAM 某個單元中，所以，本程序要用兩個中斷，程序如下：ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP WZDORG 000BHLJMP JA1START ： SETB IT0 ；脈沖下降沿觸發(fā)外中斷MOV TMOD,#10H ；T0 工作在定時。方式 1SETB EX0 ；開外中斷SETB ET0 ；開定時中斷SETB EA ；開總控制中斷 下面計算SA4828初始化參數(shù)字。載波頻率設定字由式（5-1）可得： 69. 451210510125122361

39、HzHzffCARRCLKn取=4，所以=3。載波頻率設定字為001。12nn反算載波頻率為： KHzHzffnCLKCARR86. 5251210122512261調(diào)制波頻率范圍設定字由式（5-2）可得：28. 35860503843842HzHzffCARRRANGEm取，所以m=2。調(diào)制波頻率范圍設定字為010。42m反算調(diào)制波頻率范圍為：=RANGEfHzHzfmCARR613842586038422所以寄存器R0的值應為010XXO11B，即43H。最小刪除脈寬設定字最小刪除脈寬等于實際最小刪除脈寬加上延遲時間，所。ususustPDT18612由式（5-3）得：=127-512PD

40、TtHHzsftCARRPDT4973586010185121276所以最小刪除脈沖設定字為49H，R1寄存器的值為49H。脈沖延遲時間的設定字由式（5-4）得：DHHzsftnCARRPDYPDY245586010651263512636所以，脈沖延遲時間設定字為2DH，即寄存器R2中的值是2DH。波形選擇字和AC設定選用高效波形，選擇字是10；紅相控制幅值，AC=0。所以，寄存器R3中的值為02H?？撮T狗設定不用看門狗，所以寄存器R4,R5的值均為00H。SA4828初始化子程序：MOV A，#43H ；R0=43H MOV DPTR ，#0000H ；指向R0的地址MOVX DPTR，A

41、 ；43H裝入R0INC DPTR ；指向R1的地址MOV A，#49HMOVX DPTR，A ；49H裝入R1INC DPTR ；指向R2的地址MOV A，#2DH MOVX DPTR，A ；2DH裝入R2INC DPTR ；指向R2的地址MOV A，#02HMOVX DPTR，A ；02H裝入R3INC DPTR ；指向R4的地址MOV A，#00HMOVX DPTR，A ；00H裝入R4INC DPTR ；指向R5的地址MOVX DPTR，A ；00H裝入R5MOV DPTR，#000EH ；指向R14的地址MOVX DPTR，A ；將六個寄存器的值寫入 ；SA4828 初始化寄存器（2

42、）調(diào)速子程序計算：假定用戶由鍵盤輸入的電動機轉(zhuǎn)速，通過鍵處理程序進行轉(zhuǎn)換，變成調(diào)制波頻率值，并將它存入內(nèi)部 RAM30H；通過查 U/F 曲線表，可以得到與調(diào)制波頻率比fPOWER相對應的調(diào)壓比，并將它存入 31H 中；其他控制參數(shù)如：正反轉(zhuǎn)，輸出鎖存，APOWER看門狗，相計數(shù)器復位，軟復位，這些變量存入位操作區(qū) 20H，以便通過位操作來改變它們的值。調(diào)制波頻率字計算可由（5-6）式得：=1074PESnffRANGEPOWER655366165536POWERfPOWERf 式中和的點位相同，因此，是無因次量。1074 可以看成POWERfRANGEfPPSnPOWERf一個雙字節(jié)的無符號

43、數(shù)于一個單字節(jié)無符號數(shù)的相乘，其積是一個雙字節(jié)的無符號數(shù)。調(diào)制波幅值控制字計算可由（5-7）式得： =An100255APOWER這是 2 個單字節(jié)數(shù)相乘，再除以一個單字節(jié)的數(shù)，其結果是一個單字節(jié)數(shù)。調(diào)速子程序就是要計算出和字，并將它送入 SA4828 的控制寄存器。AnPFSnSPEED： MOV R2，#04H ；做乘法準備，求字PFSn MOV R3，#32H ；將 1074（0432H）作為被乘數(shù)MOV R6，#00H MOV R7，#30H ；乘數(shù)為POWERf LCALL QMUL ；調(diào)用乘法子程序MOV A，R7 ；積的低 8 位送入 SA4828 寄存器 R0MOV DPTR，

44、#0000H ；指向 R0MOVX DPTR, A MOV A,R6 ；積的次低 8 位送入 SA4828 寄存器 R1INC DPTR ；指向 R1MOVX DPTR, A INC DPTR ；指向 R2 MOV A,20H ；將 20H 中存放的位控制參數(shù)送寄存器 R2MOVX DPTR, AMOV A,#0FFH ；求調(diào)制波幅值控制字AnMOV B,31H ；送 BPOWERAMUL AB ；255POWERAMOV R2, #00H ；準備做除法MOV R3, #00HMOV R4,B ；將積作為被除數(shù)MOV R5, AMOV R6, #64HMOV R7,#64H ；除以 100LC

45、ALL NDIV ；調(diào)除法子程序MOV A,R5 ；商送入 SA4628 的寄存器 R3INC DPTR ；指向 R3MOVX DPTR, AMOV DPTR,#000FH ；指向 R15MOVX DOTR,A ；將寄存器中的值寫入 SA4828 控制寄存器SETB TR0 ；開始定時RET（3）中斷子程序設計本例中選用的中斷源有 2 個：T0 中斷和中斷。中斷的功能是計算 ZPPR0INT0INT輸出的調(diào)制波頻率。由于調(diào)制波頻率可能比較低，因此用 T0 溢出中斷來記錄一個ZPPR 周期中 T0 溢出的次數(shù)，這個溢出次數(shù)保存到 10H 中。這樣，在一個中斷間0INT隔里，所有的時間（即 ZPP

46、R 周期）是 3 個字節(jié)的數(shù)（1 個字節(jié)的 T0 溢出，2 個字節(jié)的T0 值） 。因為 8051 使用 12MHz 的時鐘頻率，一個機器周期是 1us，所以調(diào)制波頻率的計算公式為：ZPPRPOWERTf610=0F4240H，也是一個 3 字節(jié)的數(shù)，因此，上式是一個 3 字節(jié)的除法運算。如610果對精度要求較高，上式的分子和分母可以舍掉最低字節(jié)來簡化計算，這樣就成為雙字節(jié)除法運算。所以，當中斷時，只取 TH0，將七寸放到 11H 中，除法運算的整0INT數(shù)商存在 12H，小數(shù)商存放到 13H 中。各中斷程序如下：T0 中斷子程序JA1: INC 10H ；T0 溢出次數(shù)加一 RET1 中斷子程

47、序0INTWDZ: MOV TL0 ,#00H ；TL0 清 0 MOV 11H ,TH0 ；取 TH0 MOV TH0 ,#00H ；TH0 清 0 PUSH ACC ；保持現(xiàn)場 PUSH B PUSH PSW SETB PSW.3 ；使用第一工作寄存器區(qū)MOV A ,11H ；檢查除數(shù)是否為 0ORL A, 10HJZ ABC ；除數(shù)為 0 則退出MOV R2, #00HMOV R3, #00HMOV R4, #0FHMOV R5, #42HMOV R6 ,#10H ；輸入除數(shù)MOV R7, #11HLCALL NDIV ；調(diào)用雙字節(jié)除法子程序MOV 12H ,R5 ； 調(diào)制波頻率整數(shù)部分存入 12HMOV R6 ,#00H ；對余數(shù)（R2R3）乘 100MOV R7, #64HLCALL QMUL ；雙字節(jié)乘法，乘 100MOV R2 ,0CH ；將積作為被除數(shù)， （R4）R2MOV R3 ,0DH ；（R5）R3MOV R4 ,0EH ；（R6）R4MOV R5 ,0FH ；（R7）R5MOV R6 ,10H ；除數(shù)MOV R7, 11H LCALL NDIV ；調(diào)用雙字節(jié)除法子程序MOV 13H ,R5 ；將調(diào)制波頻率小數(shù)部分（小于 100）存入 13HMOV 10H ,#00H ；10H 清 0 ABC: POP PSW ；恢復現(xiàn)場 POP B POP AC