交流異步電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)PAGE\*romanPAGE\*romanii交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要近年來,交流電機變頻調(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)還將會取得巨大進步。產(chǎn)生原理進行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型數(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IGBTEXB840構(gòu)成IGBT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。本文在控制上采用恒V

f控制，同時，軟件程序使得參數(shù)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(shè)計。Vf關(guān)鍵字:變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制， 控制，SA4828VfACINDUCTIONMOTORSPEED-ADJUSTEDSYSTEMDESIGNABSTRACTRecently,theresearchofvariablefrequencyspeedvariationofACmotorandrelevanttechnologyhasbecomeanimportantissueinelectricaldrivefield,withtheappearancenewpowerelectronapparatusandmicroprocessorandthedevelopmentofthecontroltheory,thetechnologyofvariablefrequencyspeedvariationwillimprovemorerapidly.Thisthesishasaresearchonthesetechnologies:VariableVoltageVariableFrequencymotordrive,inverter,andthecreationprincipleofSPWM,Basedontheresultsofthestudy,designedasystemofanewdigitalthreephasesVVVFmotordrivesystem.ItusesASIC-SA4828controlledby8051asmaincontrollingcore,itusesIGBTaspowerdevice,andusesEXB840asdrive.Itusesdiodesasconvertingcircuitunit,whichmakesfactorcloseto1.BecauseIonlyneedtocontrolinverter,thewholecircuitisverysimple.Iadoptthemeansoflinear Vf operation.Atthesametime,itisveryconvenienttoinputparametersorchangethedrive’soperatingmodeduetothesoftwareprocedure.Moreover,owingtotheadvantagesofthenewintegratedparts,itcostslesstimetodevelopthismotordrive.ThisthesishasalsodetailintroducedthemethodoftheusageandtheprogramsofthethreephasesSPWMwavegeneratorSA4828.Thesoftwareandthehardwareofthepartinsystemhavebeencompleted.Keywords:variablefrequencyspeedcontrol，SinePulseWidthModulation(SPWM)，Vf operation;SA4828WaveGenerator華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)PAGEPAGE2目錄摘 要 iAbstract ii緒 論 1變頻調(diào)速技術(shù)簡介 1變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 2變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 2變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢 2研究的目的與意義 3本次設(shè)計方案簡介 4變頻器主電路方案的選定 4系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介 5選用電動機原始參數(shù) 6交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法 8三相異步電機工作的基本原理 8異步電機的等效電路 8異步電動機的轉(zhuǎn)矩 9異步電動機的機械特性 10異步電機變頻調(diào)速原理 12變頻調(diào)速的控制方式及選定 13VfVf其它控制方式 18變頻器主電路設(shè)計 20主電路的工作原理 20主電路各部分的設(shè)計 20變頻器主電路設(shè)計的基本工作原理 21主電路參數(shù)計算 24IGBT及驅(qū)動模塊介紹 25IGBT簡介及驅(qū)動要求 25EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 273.3.2 采用EXB840的IGBT驅(qū)動電路 28控制回路設(shè)計 30驅(qū)動電路設(shè)計 30SPWM調(diào)制技術(shù)簡介 30SPWM波生成芯片特點和引腳功能 32SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 33保護電路 36過、欠壓保護電路設(shè)計 36過流保護設(shè)計 38控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 39變頻器軟件設(shè)計 42流程圖 425.2 SA4828的編程 42初始化寄存器編程 42控制寄存器編程 45程序設(shè)計 46總結(jié) 56參考文獻 57致謝 58安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)PAGEPAGE58緒論變頻調(diào)速技術(shù)簡介變頻調(diào)速技術(shù)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(diào)速]20世紀(jì)60低速的性能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。20世紀(jì)7020世紀(jì)90GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT50Hz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SPWMSPWMSPWMSPWMSPWM變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀90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)DANFOSS)，AB.OEABB85%為日本產(chǎn)品和臺灣產(chǎn)品所占領(lǐng)，如富士(FUJI),SAMCO(PANASONIC)MITSUBISHI)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、開發(fā)、生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有雄厚的技術(shù)實力，相信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IT技術(shù)的迅速普[]網(wǎng)絡(luò)智能化以實現(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控制系統(tǒng)。專門化和一體化環(huán)保無公害保護環(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。適應(yīng)新能源研究的目的與意義是不需要調(diào)速的。它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對它提出的起動和穩(wěn)速運行的要求就可以，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本身有機械換向器，給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有的、難于解決的問題。隨著交流傳動電動機調(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，交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能差的缺點已經(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；具有良好功率轉(zhuǎn)換效率和適于在高頻大功MOSFET；既有MOSIGBT；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、過流等保護電路的智能IPM而且還更容易實現(xiàn)各種功能復(fù)雜但在結(jié)構(gòu)上簡單的控制方案，更加充實和推動了變頻器理論的進一步發(fā)展。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和計算機系統(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。建立在電機統(tǒng)一理論和機電一體PWM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調(diào)速領(lǐng)域的內(nèi)容?？傊?，交流電機調(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，有著實際的意義和一定的應(yīng)用價值。本次設(shè)計方案簡介變頻器主電路方案的選定隨著電力半導(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?？烧{(diào)電壓的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同過直流環(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)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：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。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(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(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風(fēng)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(yīng)用的通用變頻器，所以本次設(shè)計中選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(shè)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(shè)計中采用電壓型變頻器。系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設(shè)計的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示。主電路電壓檢測8051波圖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220V，380V380V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)計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設(shè)計中采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護信號。8051SPWMSA4828，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)過光電隔離后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。選用電動機原始參數(shù)在這次設(shè)計中，采用中等容量的電動機，具體數(shù)據(jù)如下：PN額定電壓：UNINnN

7.5KW；；15.6A；1450r/min；效 率：86%；功率因數(shù)：cosφ過載系數(shù)：λ=2.2；電壓波動：±10%；極對數(shù)：P=2。交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法三相異步電機工作的基本原理異步電機的等效電路異步電動機的轉(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異步電動機的定、轉(zhuǎn)子圖圖2.1中：1１..——定子的相電流；1１r 、 x１

——定子每相繞組的電阻和漏抗；E2s、I. E

、X2S分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗；1——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。其有效值可計算如下：E4.44fNK

（2-1）1 11N1m式中:1E—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值；1f1—定子頻率；1N—定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；1NNm—極氣隙磁通。m由電動機的基礎(chǔ)知識可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率f2以轉(zhuǎn)子回路中的各電量也都與轉(zhuǎn)差率成正比。

sf1

，與轉(zhuǎn)差率成正比，所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，故必須進行折算。根據(jù)電機學(xué)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?？梢缘玫诫妱訖C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形等效電路圖圖2.2中：rm——勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻；xm——勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù)；0Ｉ.——勵磁電流；0R——機械負載的等效電阻在R=,1sr 在R上消耗的功率就相當(dāng)L于異步電動機輸出的機械功率；

L s 2 LI2

、2

、Ｘ等參數(shù)——經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。2異步電動機的轉(zhuǎn)矩2電磁轉(zhuǎn)矩的表達式 9550m nmm

（2-2）m式中m

rKW；n的單位是minNm。電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式=C,cos

（2-3）e T M2 2T式中 T

——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；m——主磁通。m電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式2psU2r 12 = f[(srr)2s2(xx)2

（2-4）e 1 1 2 1 2式中 p——磁極對數(shù)；U1——電源的相電壓f1——電源頻率。異步電動機的機械特性機械特性是指電動機在運行時，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即nf，它可由（2-3）所決定的Tf(s曲線變換而來。異步電動機工作在nf做電動機的自然機械特性。圖2.3異步電動機機械特性曲線只要確定曲線上的幾個特殊點，就能畫出電動機的機械特性。理想空載點圖2.3中的E點，在這點上，電動機以同步轉(zhuǎn)速n0T=0。起動點

運行（s=0），其電磁轉(zhuǎn)矩圖2.3中的S點，在起動點上，電動機已接通電源，但尚未起動。對應(yīng)這一點的轉(zhuǎn)速n＝0（ｓ＝1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動轉(zhuǎn)矩TstTstT

，起動是帶負載的能力一般用起動倍數(shù)來表示，即K 臨界點

TNN

為額定轉(zhuǎn)矩。TK，它表示了電動機所有能產(chǎn)sK用求極值的辦法求出，即：由dTds＝0，可得：r r

表示。T、sK

根據(jù)式（2－3）r2(r2(xx)22K1 1

xx2 1 2

（2－4）3pU2[r r2(xx)2]

3pU2 1 K11 1 1

4f(x1 1

x)2

（2－5）電動機正常運行時，需要有一定的過載能力，一般用mK＝TKm TN

表示，即

（2－6）普通電動機的m可以更高一些。

＝2.0～2.2之間，而對某些特殊用電動機，其過負載能力K

K

越小，為了保證過載能力不變，電動機所帶的負載就越小。由nK

n(1s0

)知：sK

越小，nK

越大，機械特性就越硬。因此在調(diào)速過程中，、sK 特別是研究變頻后的電動機機械特性，、sK

的變化規(guī)律常常是關(guān)注的重點。就顯得尤其重要。變頻后的機械特性將會在下一小節(jié)中介紹。異步電機變頻調(diào)速原理調(diào)速原理十分重要。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)速的目的的，但定它與轉(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。使電動機轉(zhuǎn)起來。電機磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用n表示：0n60f0 p （2-7）f50Hz；pp=1n=3000r／min；p=2n=1500r／min。0 0pn0

就越慢，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速n要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉(zhuǎn)差率s表示：0nns0 100%n0 （2-8）在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，n=0，這時s=1；啟動后的極端情況nn，0s=0，s0～1s=1%～6%。綜合（2-7）和（2-8）式可以得出：60f(1s)nn(1s) 0 p （2-9）由式（2-9）p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率snf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(zhuǎn)速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。變頻調(diào)速的控制方式及選定Vf比恒定控制VfVf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，從通用變頻器中廣泛采用的控制方式。

f控制是目前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(diào)速的過程中，當(dāng)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(xiàn)勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉(zhuǎn)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(shù)。因此在改變頻率進行調(diào)速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。由電機理論知道，電機定子的感應(yīng)電勢有效值是：E4.44fNK1 11N1mEE則 1 即 1 （2-10）EEm 4.44f1

N m fN11 1另外，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為:Ce T

cosm2

（2-11）T其中 C—與電動機有關(guān)的常數(shù)；TCos2

—轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；—轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；2—電機的電磁轉(zhuǎn)矩。e由式(2-10)推斷，若Ef1

增加，將引起氣隙磁通m減??；而由式(2-11)可知，m

減小又引起電動機電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出現(xiàn)了eEf1

減小，又將引起m

增加,m

增加將導(dǎo)致磁路飽和，勵磁電流升高，從而導(dǎo)致電動機發(fā)熱，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知:變頻調(diào)速時，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同?；l以下調(diào)速由式(2-10)可知，要保持m同時降低E,使1

不變，當(dāng)頻率f1

從額定值fN

向下調(diào)節(jié)時，必須E =常值1f11只要保持E 為常數(shù)，就可以達到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又1f稱為恒磁通變頻調(diào)1速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。根據(jù)電機端電壓和感應(yīng)電勢的關(guān)系式：UE(rjx)I

(2-12)1 1 1 111式中:U-定子相電壓；11r-定子電阻；11x-定子阻抗；111

1和E可1以看成近似相等，所以保持V =常數(shù)即可。Vff Vf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， 1與 1都人為地適當(dāng)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(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性從圖2.4中可以看出，當(dāng)電動機向低于額定轉(zhuǎn)速n0

方向調(diào)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(zhuǎn)矩卻隨著電動機轉(zhuǎn)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。

保持恒m定，調(diào)速時就要求感應(yīng)電動勢E與電源頻率f1 1

的比值不變，為了使控制容易實現(xiàn)，采用電源電壓UE來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當(dāng)1然存在一定的誤差。顯然，被忽略的定子阻抗壓降在電壓U中所占的比例大小決定了它的影響。當(dāng)f1

的數(shù)值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓U中所占的比例相對較小，UEf1

的數(shù)值較低時，定子阻抗壓降在電壓U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UUEU代替1E，將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生E1E1fE1機的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。

的比值減小，造成磁通量m1

減小，因而導(dǎo)致電動變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的V 轉(zhuǎn)矩補償法。fVff降低時，電源電壓U成比例地降低引起的UU的方法來保持磁通量恒定，m使電動機轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（ TorqueBoos。2.5ba定子降壓補償只能補償于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性，而對向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)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在基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從額定頻率fN

向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓U

，由式（2-10）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種N調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)子升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)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(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性當(dāng)電動機向高于額定轉(zhuǎn)速n0

方向調(diào)速時，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，使得機械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率f1升高時，電源電壓不可能相應(yīng)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f的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉(zhuǎn)m 1矩下降，造成電動機的機械特性變軟。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速圖2.8整個頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線1——在低頻時沒有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線圖中曲線2——在低頻時有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線V 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VfVf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(zhuǎn)矩減小。另一方面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關(guān)元件的導(dǎo)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(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下這將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴重時會導(dǎo)致變頻器不能運行。其它控制方式轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速VfVf解決V

f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，還要針對具體電機的機械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而此方法的通用性較差。矢量控制變頻調(diào)速矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子交流電IIIa b

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1、1，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)于與轉(zhuǎn)矩成比例的電樞電流標(biāo)反變換，實現(xiàn)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(diào)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(zhuǎn)子的磁鏈，又要進行坐標(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)非常復(fù)雜。矢量控制變頻器通常應(yīng)用于軋鋼、造紙設(shè)備等對動態(tài)性能要求較高的場合。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速1985DePenbrock簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。Vf比恒定控制，它的應(yīng)用比較廣泛，特別是在風(fēng)機，泵及土木機械等方面應(yīng)用較多，V 比恒定控制的突出f優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。

f控制常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變VfVfVf控制。變頻器主電路設(shè)計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，其中主流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變。3.1]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)計選用整流管VD1

VD6后的電壓為U=1.35U=1.35×380V=513V。d L濾波電容CF

濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時，濾波電容CF

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，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻RL

，從而使電容CF

的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)CF

閉合，L將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，SL

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（數(shù)分鐘安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。R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B的輸出頻率而實現(xiàn)的，在電動機減速過程中，當(dāng)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(dǎo)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，RB和V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B升到一定值，制動三極管VB直交電路設(shè)計

導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。選用逆變開關(guān)管V1

V組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流6電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管VD7

VD12

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(dāng)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R01

R，電容C06

C ，二極管VD06

VD06

組成緩沖電路，來保護逆變管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時，要受集電極電流Ic

和集電極與發(fā)射極間的電壓Vce

的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當(dāng)逆變管關(guān)斷時，V迅速ce上升，Ic

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（C01

C ）來減小電壓增長率。當(dāng)逆變管開通時，V06

迅速下降，I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c將加速電流I的增長率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻R R，限制電容c 01 06的放電電流。可是當(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（VD01

VD06

，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(shè)計所選用的電動機為中容量型，在此選用此種緩沖電路。變頻器主電路設(shè)計的基本工作原理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簡單，設(shè)計中不再做詳細的介紹]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：（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)S、S1 4

同時閉合時，Uab

電壓為正；S2

、S同時閉合時，U

電壓為負。由于開關(guān)S～S1 4

的輪番通斷，從而將直流電壓UD

逆變成了交流電壓U 。abSS交1 2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U。D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3-3S～S1 6

組成了橋式逆變電路，這6個開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。3當(dāng)S、S1 4

閉合時，uUV

S、S3

閉合時，uUV

為負。用同樣的方法得：當(dāng)SS3 6

同時閉合和SS5 4

V

,S,S5

同時閉合和SS1 6同時閉合，得到u

。WU為了使三相交流電u u u 在相位上依次相差各開關(guān)的接通、UVW3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uUV

u 、VWuWU

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觀察6個開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點：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S、S。1 23②各相的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差電角度。如S比S,33 13 滯后，S比S滯后。3 5 3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U調(diào)節(jié)。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[]整流二極管的參數(shù)計算

的大小來DI（峰值電流）= 2Im

=2×15.6=22.06AI（有效值）=Id

/ 2=15.6A二極管額定電流值Ie

=（1.5～2）Id/1.57=14.91A～19.88A額定電壓值Ue濾波電容

=（2～3）Um

=（2～3）×2×380=1074.64V～1611.96V系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后Ud制動部分

=1.1×2×380=591.05V。制動電阻粗略計算為RB

2UdIN

～UIdN

=18.94～37.89V擊穿電壓：當(dāng)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) R電流的兩倍來計算：B cm BdRI 2UdRCMb

=2×591.05/18.94=62.41AIGBT2峰值電壓=（2～2.5）×1.1× ×380=1182.1V～1477.63V2集電極電流Ic

=（1.2～2）Im

=（1.2～2）×IN

×λ×

=58.23～97.06A2集電極-發(fā)射極額定電壓≥1.2倍最高峰值電壓=1.2×1477.63V=1773.16V2IGBTIGBT絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80MOSIGBTMOSFETBJTMOSFET元件并聯(lián)運行容易、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導(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，缺點是開關(guān)時間長，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET和BJTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBT的特性和正確的使用方法，盡量減少IGBTIGBT]IGBTUGE

的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小.若GE增大。隨著柵極反向電壓GE

的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變化不大，IGBT的運行可靠性提高。RG

增加，將使IGBT的開通和關(guān)斷時間增加，從而使IGBTRG

減小，則又將使didt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運行的安全性和可靠性。IGBTIGBT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。IGBT2.5～6V(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IGBT15V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(qū)動電壓小一些，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載，所以驅(qū)動信號源的內(nèi)阻要小。當(dāng)柵極信號低于其開啟電壓時，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-(5～0)VIGBT柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。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IGBT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。IGBT是高速開關(guān)器件，在大電流的運行場合，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RG

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)速度降低，開關(guān)損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全600VIGBT柵極電阻可據(jù)下式確定：R=(I～10)×625/Ie eIIGBT1，限取系數(shù)為e101200VIGBT600V阻值的一半。IGBT直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。驅(qū)動電路具有電隔離能力可以保證的引線應(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，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。方面能提高保護的快速性。電路簡單，成本低。IGBTIGBTIGBTdidt。在雜散電感的作用下，過高的didt會產(chǎn)生過高的電壓尖峰，使IGBT的消失而受到影響，即應(yīng)具有定時邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過流時，無論IGBT理。EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)EXB840,40KHz150A/600V75A/1200VIGBT,1.5s20VEXB840的功能框圖如圖3.4所示。2500VIGBT有過電流現(xiàn)象存在,如果有過電流,保護電路將迅速關(guān)斷IGBT,防止過快的關(guān)斷IGBTIGBT20V15V-5V過流保護號外電防止輸?shù)? 過信號誤過流保護號外電防止輸?shù)? 過信號誤5 4集電極6過電流2(+20V)(+)信號R`3A輸入(-)141VST`9電源(0V)圖3.4 EXB840的引腳圖3.3.2采用EXB840的IGBT驅(qū)動電路EXB840IGBT3.5]ERA34-10IGBT度應(yīng)該小于1m,以防止干擾,如果IGBTRG。驅(qū)動信號雙絞線驅(qū)動信號雙絞線隔離電源故障輸出4.7Ω圖3.5EXB840組成的驅(qū)動電路控制回路設(shè)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(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)計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)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(xiàn)的功能。設(shè)計控制電路如下：驅(qū)動電路設(shè)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IGBT，SPWMSPWMSA4828SPWM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，實現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。頻SPWM(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。脈寬調(diào)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)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(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]。SPWM4.1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。PWMSPWM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IGBT30KHzIGBT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SPWMu0utu0ut0t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(shù)和調(diào)試比較困SPWM寬度，使SPWM要求較高的交流異步電動機，可以采用各項性能指標(biāo)都非常完善，但價格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SA4828SA4828MITEL司推出的一種專用于三相SPWMSPWMSA4828全數(shù)字控制，兼容Intel1624kHz，內(nèi)部ROM3SA4828SA482828]圖4.2 SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說明如下：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。RESET：復(fù)位端，低電平有效。CLK：時鐘信號輸入端。MUXMUX/RSMUX這時，地址鎖存器ALE，還是數(shù)據(jù)（高電平，通常先地址后數(shù)據(jù)。CSSA8282線，低電平有效。WR、RD：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)。輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB：R、Y、B臂開關(guān)管。RPHT、YPHT、BPHT：R、Y、B臂開關(guān)管。TTL12mA驅(qū)動光耦。TRIPZPPR：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SA482828DIPSOIC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(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)制波形進行比較，自SPWM（4.3）窄脈寬窄脈寬圖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(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?？撮T狗定時器SA48284.4圖4.4SA4828原理框圖SA4828SA4828(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(shè)定與交流電動機PWM允許改變。控制寄存器是在工作過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。8

、R、

、R、

、R、

、R來傳0 1 2 3 4 5 14 15RR14 15

是兩個虛擬的寄存器，實際上并不存在。初始化參數(shù)要先

～R

的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參0

5 ～RR

的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。SA4828各控制0 5 15寄存器的地址見表4.1所列。寄存器AD3寄存器AD3AD2AD1AD0地址R0000000HR1000101HR2001002HR3001103HR4010004HR5010105HR1411100EHR1511110FH保護電路頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測到異常時，進行各種必要的處理]過、欠壓保護電路設(shè)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(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IGBTIGBT雖不會對主回路元件構(gòu)成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作SA4828IGBT。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圖4.5過電壓保護電路它直接對直流側(cè)電壓進行檢測。其中電壓信號的取樣是通過電阻R和R分1 2壓得到的，電容C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1W上取出。運放U1

:A接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護信號。其中電阻R是5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(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長時間低于標(biāo)準(zhǔn)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(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(gòu)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(shè)定值由W上取出。運放UB接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定2 1值時(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(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SA4828的TRIP流信號也是如此.故障自診斷電路如圖4.7所示[1]圖4.7故障自診斷電路圖4.7故障自診斷電路過流保護設(shè)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IGBT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IGBTIGBTEXB840經(jīng)有過流保護，但考慮到didtIGBT的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士LEM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，則上的壓降反應(yīng)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LEM324IGBTIGBT4.8圖所示：圖4.8過流保護電路4.3控制系統(tǒng)的實現(xiàn)12 P103 P114 P125 P136 P147 P158 P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07312 P103 P114 P125 P136 P147 P158 P16P17P00P01P02P03P04P05P06P0739383736353433321312 INT1INT0805115 T114 T031EA/VP1918P20P21P22P23P24P25P26P272122232425262728X1X29RESET1716 RDWRRXD 10TXD 11ALE/P 30PSEN 29圖4.9 8051引腳圖80514.10統(tǒng)圖[15]。ADC08098051，SA4828控制字，以控制觸發(fā)信號的波形。ADC080988A/DIN0（515lRAMI/O，ADC0809RAMRAMADC0809中。只要單片機從外部RAMADC080980311（P3.3。RPHBP1.0P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4AD0AD1AD2AD3AD4YPHBBPHBXTAL1RPHTXTAL28051P3.3RESTRESETTRIP+5V2IN0R2D3D4D5D6VDDVREF-SC+5V CLKOEEOC8051P2.0存，啟動允許輸出。P0.5P0.6AD5SA4828AD6 YPHTP0.7AD7WRWRBPHBRDRDP2.7CSP3.2ZPPRALEP2.0ALE圖4.10 單片機系統(tǒng)圖8051SA4828MUX8051P0SA4828AD88，SA48288051AD和數(shù)據(jù)分開，SA48288051ALE信號還有讀，寫信號RD,WR.SA4828CS8051P2.7SA48288寄存器R0～R5的地址：0000H～0005H。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，ZPPR8051P3.2（INT0）,8051SA4828者中間需要加上反相器。SA4828TRIP引腳接一個發(fā)光二極管，當(dāng)SA4828SA4828路來驅(qū)動逆變橋的六只開關(guān)管。變頻器軟件設(shè)計流程圖圖5.1程序設(shè)計流程圖軟件設(shè)計的流程圖如圖5.1。圖5.1程序設(shè)計流程圖SA4828初始化寄存器編程初始化是用來設(shè)定與電動機有關(guān)的參數(shù)。包括載波頻率設(shè)定，調(diào)制波頻率看門狗時間常數(shù)設(shè)定等。下表為初始化編程時，R0～R5]表5.1 初始化編程時R0—R5各寄存器內(nèi)容76543210R0FRS2FRS1FRS0××CFS2CFS1CFS0R1×PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2××PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3××AC00×WS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6WD5WD4WD3WD2WD1WD0CFS0～CFS2這3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(guān)管最高頻f

CARR

的計算式為：fCARR

CLK5122n1

（5-1）

CLK

為時鐘頻率，n的二進制數(shù)即為載波頻率設(shè)定字。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FRS0～FRS2這三位組成。調(diào)制波頻率決定了電動機的轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)先根據(jù)電動機的調(diào)速范圍，計算調(diào)制波頻率范圍。調(diào)制波頻率范圍為：f f

2mCARRRANGE

384（5-2）式中：m值的二進制數(shù)即為調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字。PDT0～PDT6這7127nt

PDTPDT

fCARR

（5-3）

PDT

的二進制數(shù)即是最小刪除脈寬設(shè)定字?？紤]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(chǔ)上，使開關(guān)管延遲導(dǎo)通，如圖5.2所示，實際輸出脈寬延遲延遲（死區(qū)）延遲前的脈寬圖5.2延遲前后的脈寬關(guān)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

應(yīng)是延遲前的最小刪除脈寬。它等于實際輸出的最小脈PDT

PDT

PDY

]脈沖延遲時間設(shè)定。該設(shè)定字由PDY0～PDY5這6位組成。脈沖延時為:63nt PDY

（5-4）PDY f 512CARR

的二進制數(shù)即是脈沖延遲時間設(shè)定字。PDYWS0WS1這2位來完成的。根據(jù)WS0、WS1可選擇純正弦波、增強型波、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波形選擇對應(yīng)波形WS1WS2波形00純正弦波01增強型10高效型幅值控制。幅值控制通過對AC適應(yīng)平衡負載或不平衡負載?？撮T狗時間常數(shù)設(shè)定。時間常數(shù)由WD0～WD15這16位組成，根據(jù)下式：ntTIMnf

1024CLK

（5-5）計算出n

值，它的二進制數(shù)即為時間常數(shù)。當(dāng)每次向控制寄存器寫入數(shù)據(jù)TIM時，自動用這個常數(shù)重置看門狗，即叫醒一次。如果單片機失去了控制，在指定時間內(nèi)沒有叫醒看門狗，則看門狗會立即封鎖輸出?？刂萍拇嫫骶幊炭刂萍拇嫫鞯淖饔弥饕菍φ{(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行控制。其方法是通過對R0～R5寄存器輸入并暫存，當(dāng)向R15虛擬寄存器進行寫操作時，才將這些數(shù)據(jù)送人控制寄存器。R0～R5各寄存器的內(nèi)容見下表。表5.3 控制寄存器編程時R0—R5各寄存器內(nèi)容76543210R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2PFS1PFS0R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RST×××WTECRINT0F/RR3Ramp7Ramp6Ramp5Ramp4Ramp3Ramp2Ramp1Ramp0R4Bamp7Bamp6Bamp5Bamp4Bamp3Bamp2Bamp1Bamp0R5Yamp7Yamp6Yamp5Yamp4Yamp3Yamp2Yamp1Yamp0（1）調(diào)制波頻率選擇調(diào)制波頻率選擇由PFS0～PFS15這16位組成，通過下式求得:f f

RANGEn

（5-6）POWER

65536

PFS

值的二進制數(shù)即為調(diào)制波頻率選擇字。PFS（2）調(diào)制波幅值選擇幅值是借助于8位幅值選擇字(Ramp、Yamp、Bamp)來實現(xiàn)的，其每一相都可以通過下式來計算：nA An

100

（5-7）POWER

255式中n值的二進制數(shù)即為調(diào)制波幅值選擇字。A正反轉(zhuǎn)選擇正反轉(zhuǎn)選擇位F/R控制三相PWMF/R=0R-Y-B；F/R=1時反轉(zhuǎn)，相序是B-Y-R。正反轉(zhuǎn)期間輸出波形連續(xù)。輸出禁止位控制。輸出禁止位INH。當(dāng)INH=0時，關(guān)斷所有的SPWM信號輸出。計數(shù)器復(fù)位控制計數(shù)器復(fù)位CR。當(dāng)CR=0時，使內(nèi)部的相計數(shù)器置為00（R相）?？撮T狗選擇看門狗選擇位WTE。當(dāng)WTE=1時，使用看門狗功能。軟復(fù)位控制RST是軟復(fù)位位，它與硬復(fù)位RESET有相同的功能，高電平有效。程序設(shè)計由60f(1s)可算出調(diào)制波頻率范圍為0～50Hz，時鐘頻率為12MHz，設(shè)計載12μs，6μs，Intel8051SA4828進行設(shè)置，進而實現(xiàn)對三相交流電動機進行調(diào)速控制]將程序分成三部分，分別介紹如下（1）初始化程序設(shè)計：根據(jù)上面介紹的公式，計算出SA4828各個初始化參數(shù)字。ZPPRZPPRZPPRINT0ZPPRT0（00H16T0T0T01，1RAMORG0000HLJMPSTARTORG0003HLJMPWZDORG000BHLJMPJA1START：?SETBIT0 ；脈沖下降沿觸發(fā)外中斷MOVTMOD,#10H ；T01SETBEX0 ；開外中斷SETBET0 ；開定時中斷SETBEA ；開總控制中斷?下面計算SA4828初始化參數(shù)字。 f2n1f

12106HzfCARR

512 5103Hz512取2n1=4，所以n=3。載波頻率設(shè)定字為001。反算載波頻率為：ff CLKf

12106Hz 12106HzCARR

5122n1 51222 384f2mfCARR

38450Hz5860Hz取2m4，所以m=2。調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字為010。反算調(diào)制波頻率范圍為：f 2m 5860Hz22f =CARR 61HzRANGE

384 384所以寄存器R0的值應(yīng)為010XXO11B，即43H。③最小刪除脈寬設(shè)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t 12us6us18us。PDT由式（5-3）得：t =127-512PDT

fCARR

12751218106s5860Hz7349H所以最小刪除脈沖設(shè)定字為49H，R1寄存器的值為49H。④脈沖延遲時間的設(shè)定字由式（5-4）得：nPDY

63512

fCARR

635126106s5860Hz452DH所以，脈沖延遲時間設(shè)定字為2DH，即寄存器R2中的值是2DH。⑤波形選擇字和AC設(shè)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。⑥看門狗設(shè)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=43HMOVDPTR，#0000H；指向R0的地址MOVX@DPTR，A；43H裝入R0INCDPTR；指向R1的地址MOVA，#49HMOVX@DPTR，A；49H裝入R1INCDPTR；指向R2的地址MOVA，#2DHMOVX@DPTR，A；2DH裝入R2INCDPTR；指向R2的地址MOVA，#02HMOVX@DPTR，A；02H裝入R3INCDPTR；指向R4的地址MOVA，#00HMOVX@DPTR，A；00H裝入R4INCDPTR；指向R5的地址MOVX@DPTR，A；00H裝入R5MOVDPTR，#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

，并將它存入內(nèi)部RAM30H；通過查U/F曲線表，可以得到與調(diào)POWER

，并將它存入31H中；其他控制參數(shù)如：正POWER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：65536f

65536fn = POWER= POWE=1074fPES

f 61RANGE

POWER

POWER

和fRANGE

PPS

1074

可以POWER看成一個雙字節(jié)的無符號數(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：255An = A 100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(jié)果是一個單字節(jié)數(shù)。調(diào)速子程序就是要計算出nA

和nPFS

字，并將它送入SA4828的控制寄存器。SPEED： MOV R2，#04H ；做乘法準(zhǔn)備，求

字PFSMOV R3，#32H 1074（0432H）作為被乘數(shù)MOV R6，#00HMOV R7，#30H fR0R1R2

POWERLCALL QMUL ；調(diào)用乘法子程序MOV A，R7 8SA4828MOV DPTR，#0000H MOVX@DPTR,AMOV A,R6 8SA4828INC DPTR R1MOVX@DPTR,AINC DPTR R2MOV A,20H 20HMOVX@DPTR,AMOV A,#0FFH ；求調(diào)制波幅值控制字nAMOV B,31H A BPOWERMUL AB ；255APOWERMOV R2,#00H ；準(zhǔn)備做除法MOVR3,#00HMOV R4,B ；將積作為被除數(shù)MOVR5,A寄存器

MOVR6,#64HMOV R7,#64H 100LCALL NDIV ；調(diào)除法子程序MOV A,R5 SA4628R3INC DPTR R3MOVX@DPTR,AMOV DPTR,#000FH R15MOVX@DOTR,A SA4828SETBTR0 ；開始定時RET中斷子程序設(shè)計2INT0中斷。INT0ZPPRT0ZPPRT010HINT0中斷間隔里，所