交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)Lastrevisionon21December2020Lastrevisionon21December2020交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告單相異步電機(jī)變頻調(diào)速器的設(shè)計(jì)姓名:陳焰學(xué)院:工學(xué)院專業(yè):12級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí):電氣3班學(xué)號(hào):日期2015年1月17日—2015年1月23日導(dǎo)教師:劉權(quán)、孫磊安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院電氣工程系摘要近年來,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)取得巨大進(jìn)步?，F(xiàn)在流行的異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法可分為兩種：變頻調(diào)速和變壓調(diào)速，其中異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)用較多，它的調(diào)速方法可分為兩種：變頻變壓調(diào)速和矢量控制法，前者的控制方法相對(duì)簡單，有二十多年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。因此應(yīng)用的比較多，目前市場(chǎng)上出售的變頻器多數(shù)都是采用這種控制方法。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)比較簡單。一、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(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，特別是低速的性能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場(chǎng)合。20世紀(jì)70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，開始出現(xiàn)了通用變頻器。它功能豐富，可以適用于不同的負(fù)載和場(chǎng)合，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT、矢量控制技術(shù)的成熟，微機(jī)控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)可以和直流調(diào)速相媲美。隨著變頻器的專用大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體開關(guān)器件、傳感器的性能越來越高，進(jìn)一步提高變頻器的性能和功能已成為可能?，F(xiàn)在的變頻器功能很多，操作也很方便，其壽命和可靠性也較以前有了很大的進(jìn)步。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、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。變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀進(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(dòng)技術(shù)中分離出來，成為世界各國在工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)電一體化領(lǐng)域中爭(zhēng)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)，美國的公司、歐洲的ABB等。中小容量的變頻器85%為日本產(chǎn)品和臺(tái)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(tái)灣的臺(tái)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、開發(fā)、生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有雄厚的技術(shù)實(shí)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(shì)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、容量大的驅(qū)動(dòng)裝置；永久磁鐵電動(dòng)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(gè)方面發(fā)展[2]：1.網(wǎng)絡(luò)智能化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(dòng)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)多臺(tái)變頻器聯(lián)動(dòng)，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。2.專門化和一體化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(dòng)機(jī)一體化的趨勢(shì)，使變頻器成為電動(dòng)機(jī)的一部分，可以使體積更小，控制更方便。3.環(huán)保無公害保護(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(dòng)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(duì)電網(wǎng)的污染等問題減少到最小程度。4.適應(yīng)新能源現(xiàn)在以太陽能和風(fēng)力為能源的燃料電池以其低廉的價(jià)格嶄露頭角，有后來居上之勢(shì)。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(dòng)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。研究的目的與意義在工業(yè)發(fā)展的初級(jí)階段，人們主要使用集中傳動(dòng)。作為動(dòng)力的鼠籠電動(dòng)機(jī)，是不需要調(diào)速的。它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對(duì)它提出的起動(dòng)和穩(wěn)速運(yùn)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(kuò)大，對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)性和流程化的要求愈來愈高，發(fā)展電機(jī)的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)是勢(shì)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(shí)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(dòng)機(jī)本身有機(jī)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(dòng)電動(dòng)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(dòng)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(huì)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率情況下工作的MOSFET；既有MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電壓功率小和驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)了變頻器理論的進(jìn)一步發(fā)展。能完成各種復(fù)雜信號(hào)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(hào)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(cè)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?？傊涣麟姍C(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特別是變頻器傳動(dòng)本身固有的優(yōu)勢(shì)，必將使之應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)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(duì)變頻器的研究，對(duì)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(jià)值。系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設(shè)計(jì)的變頻器由以下幾部分組成，如圖所示。市電市電整流濾波三相橋參考波形設(shè)定濾波異步交流電機(jī)PWM控制系統(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。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采用市電，即220V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。三相逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設(shè)計(jì)中采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。PWM控制：調(diào)制脈沖寬度，控制我們所需要的頻率。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?？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。2交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理及方法三相異步電機(jī)工作的基本原理異步電機(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，其電路可用圖來表示[3]。圖異步電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子圖圖中：QUOTE——定子的相電壓；QUOTE——定子的相電流；QUOTE——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；QUOTE——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:—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?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；b.忽略磁飽和；c.忽略鐵損。可以得到電動(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形等效電路如圖所示。圖電動(dòng)機(jī)的T形等效電路圖圖中：——?jiǎng)?lì)磁電阻，是表征異步電動(dòng)機(jī)鐵心損耗的等效電阻；——?jiǎng)?lì)磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個(gè)參數(shù)；——?jiǎng)?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)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式（2-2）式中的單位為KW；的單位是；Ｔ的單位是。（2）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式=（2-3）式中——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；——主磁通。（3）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式=（2-4）式中——磁極對(duì)數(shù)；——電源的相電壓；——電源頻率。異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，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(dòng)機(jī)工作在額定電壓、額定頻率下，由電動(dòng)機(jī)本身固有的參數(shù)所決定的曲線，叫做電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性。圖異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線只要確定曲線上的幾個(gè)特殊點(diǎn)，就能畫出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。1.理想空載點(diǎn)圖中的E點(diǎn)，在這點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行（=0），其電磁轉(zhuǎn)矩T=0。2.起動(dòng)點(diǎn)圖中的S點(diǎn)，在起動(dòng)點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)已接通電源，但尚未起動(dòng)。對(duì)應(yīng)這一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速＝0（ｓ＝1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)是帶負(fù)載的能力一般用起動(dòng)倍數(shù)來表示，即。式中,為額定轉(zhuǎn)矩。3.臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)Ｋ是一個(gè)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(dòng)機(jī)運(yùn)行在Ｋ點(diǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩，它表示了電動(dòng)機(jī)所有能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率叫臨界轉(zhuǎn)差率，用表示。、根據(jù)式（2－3）用求極值的辦法求出，即：由＝0，可得：（2－4）（2－5）電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，需要有一定的過載能力，一般用表示，即＝（2－6）普通電動(dòng)機(jī)的＝～之間，而對(duì)某些特殊用電動(dòng)機(jī)，其過負(fù)載能力可以更高一些。上述分析說明：的大小影響著電動(dòng)機(jī)的過載能力，越小，為了保證過載能力不變，電動(dòng)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(dòng)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(huì)在下一小節(jié)中介紹。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)中使用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)類型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國異步電動(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，=3000r／min；=2時(shí)，=1500r／min。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)，所以稱為異步電動(dòng)機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率表示：QUOTE（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0～1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。變頻調(diào)速的控制方式及選定比恒定控制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，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。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。由電機(jī)理論知道，電機(jī)定子的感應(yīng)電勢(shì)有效值是：則即（2-10）另外，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:（2-11）其中—與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的常數(shù)；Cos—轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；—轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；—電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。由式(2-10)推斷，若不變，當(dāng)定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減?。欢墒?2-11)可知，減小又引起電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負(fù)載能力下降的情況。在不變時(shí)，而定子電源頻率減小，又將引起增加,增加將導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電流升高，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。由以上情況可知:變頻調(diào)速時(shí)，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，必須對(duì)定子電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運(yùn)行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。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)械特性如圖所示。圖電動(dòng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性從圖中可以看出，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。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動(dòng)機(jī)定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時(shí)就要求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實(shí)現(xiàn)，采用電源電壓≈來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價(jià)，當(dāng)然存在一定的誤差。顯然，被忽略的定子阻抗壓降在電壓中所占的比例大小決定了它的影響。當(dāng)?shù)臄?shù)值相對(duì)較高時(shí)，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對(duì)較小，≈所產(chǎn)生的誤差較少；當(dāng)?shù)臄?shù)值較低時(shí)，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例下降，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中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足≈。此時(shí)如果仍以代替，將帶來很大的誤差。因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航邓嫉谋壤龃?，使得?shí)際上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。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ǎ闺妱?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（TorqueBoost）。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)膲侯l比控制特性示于圖中的b線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t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。圖壓頻比控制特性曲線補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線如圖所示。圖補(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)械特性如圖所示。圖電動(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)的特性曲線如圖所示。圖整個(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。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1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)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(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。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。3變頻器主電路設(shè)計(jì)主電路的工作原理變頻調(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)中采用圖的主電路，這也是變頻器常用的格式[4]。圖電壓型交直交變頻調(diào)速主電路主電路各部分的設(shè)計(jì)1.交直電路設(shè)計(jì)選用整流管組成三相整流橋，對(duì)三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的電壓為==×380V=513V。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會(huì)損壞三相整流橋中的二極管，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。在許多下新型的變頻器中，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。由于濾波電容的容量較大，放電時(shí)間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會(huì)威脅人員安全。因此維修時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。為制動(dòng)電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動(dòng)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(dòng)機(jī)減速過程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)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。如圖所示，當(dāng)直流中間電路上電壓上升到一定值，制動(dòng)三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動(dòng)電阻上。2.直交電路設(shè)計(jì)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。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(shí)，雖然電壓突然變?yōu)榱悖怯捎陔妱?dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)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(dòng)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，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(hù)逆變管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)，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(shí)，迅速上升，迅速降低，過高增長的電壓對(duì)逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。當(dāng)逆變管開通時(shí)，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(shí)，該電阻又會(huì)阻止電容的充電，為了解決這個(gè)矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時(shí)避開電阻，通過二極管充電。放電時(shí)，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(dòng)機(jī)為中容量型，在此選用此種緩沖電路。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]。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。可以看到在交流電變化的一個(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)律在圖中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得、、波形如圖所示。結(jié)構(gòu)圖b)開關(guān)的通斷規(guī)律c)波形圖圖三相逆變器原理圖觀察6個(gè)開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：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、。②各相的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差電角度。如比,滯后，比滯后。上述分析說明，通過6個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)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)。主電路參數(shù)計(jì)算根據(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]：1.整流二極管的參數(shù)計(jì)算（峰值電流）==×=（有效值）==二極管額定電流值=（～2）Id/=～額定電壓值=（2～3）=（2～3）××380=～2.濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=××380=。3.制動(dòng)部分制動(dòng)電阻粗略計(jì)算為～=～擊穿電壓：當(dāng)線電壓為380V時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選1000V。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×=的選用峰值電壓=（2～）×××380=～集電極電流=（～2）=（～2）××λ×=～集電極-發(fā)射極額定電壓≥倍最高峰值電壓=×=IGBT及驅(qū)動(dòng)模塊介紹IGBT簡介及驅(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，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IGBT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～6V(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-(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。(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：=(I～10)×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)電路簡單，成本低。(9)當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵極電壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過離的。在雜散電感的作用下，過高的會(huì)產(chǎn)生過高的電壓尖峰，使IGBT承受不住而損壞。同樣的，驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響，即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，無論此時(shí)有無輸入信號(hào)，都應(yīng)無條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷.在各種設(shè)備中，二極管的反向恢復(fù)、分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會(huì)在IGBT開通時(shí)造成尖峰電流，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過流的能力，在尖峰電流過后，應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓，保證電路的正常工作。(10)在出現(xiàn)短路、過流的情況下，能迅速發(fā)出過流保護(hù)信號(hào)，供控制電路處理。EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于以上的驅(qū)動(dòng)要求，在設(shè)計(jì)中采用EXB840,它是一種高速驅(qū)動(dòng)集成電路,最高使用頻率為40KHz驅(qū)動(dòng)150A/600V或者75A/1200V的IGBT,驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲小于,采用單電源20V供電。EXB840的功能框圖如圖所示。它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動(dòng)放大電路,過流檢測(cè)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(hào)。過流檢測(cè)及保護(hù)電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電平和集電極電壓之間的關(guān)系,檢測(cè)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(shí)而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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)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(dòng)輸出,引腳4用于連接外部電容器,防止過流保護(hù)誤動(dòng)作(一般場(chǎng)合不需要這個(gè)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(dòng)信號(hào)輸入端,其余引腳不用。圖EXB840的引腳圖采用EXB840的IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用EXB840集成電路驅(qū)動(dòng)的IGBT的典型應(yīng)用電路如圖所示[8]。其中ERA34-10是快速恢復(fù)二極管。IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)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。圖EXB840組成的驅(qū)動(dòng)電路4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?？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：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。SPWM調(diào)制技術(shù)簡介脈寬調(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SPWM(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??；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[9]。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。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。圖為SPWM波生成方法[10]：圖SPWM波生成方法采用模擬電路的優(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(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。SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能的特點(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(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。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(hào)輸出，高電平有效。：復(fù)位端，低電平有效。CLK：時(shí)鐘信號(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。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，然后通過脈沖刪除電路刪除窄脈沖（如圖）圖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。看門狗定時(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)原理框圖如圖所示。圖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。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(jìn)一步控制交流電動(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所