【正文】 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。 SA4828 Wave GeneratorfVfV交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1第 1 章 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(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)。但直流機(jī)固有的缺點：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。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]。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、磨床等特定場合?，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。它又分為諧振變頻和方波變頻。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護(hù)部分等。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。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。變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領(lǐng)域的性能更強，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?，F(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。 研究的目的與意義在工業(yè)發(fā)展的初級階段，人們主要使用集中傳動。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。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(jìn)一步發(fā)展。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。：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。：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交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計5應(yīng)用的通用變頻器。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)傳動系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中。因為本設(shè)計中采用中等容量的電動機(jī)，所以采用三相 380V 電源。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。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。定子和轉(zhuǎn)子之間在電路上沒有任何聯(lián)系， [3]。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。 電動機(jī)的T形等效電路圖：——勵磁電阻，是表征異步電動機(jī)鐵心損耗的等效電阻；mr——勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù)；X——勵磁電流；0I——機(jī)械負(fù)載的等效電阻， 在 上消耗的功率就相當(dāng)于異步電動LR LR機(jī)輸出的機(jī)械功率；21sLr???交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計9等參數(shù)——經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。f 異步電動機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指電動機(jī)在運行時，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即 ，它()nfT?可由（23）所決定的 曲線變換而來?！?，在起動點上，電動機(jī)已接通電源，但尚未起動。電動機(jī)運行在Ｋ點時，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)KT矩，此時的轉(zhuǎn)差率叫臨界轉(zhuǎn)差率，用 表示。因此在調(diào)速過程中， 、 的變化規(guī)律常常是關(guān)注的重點。根據(jù)統(tǒng)計，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?，因此了解異步電動機(jī)的調(diào)速原理十分重要。使電動機(jī)轉(zhuǎn)起來。綜合（2s s7）和（28）式可以得出： （29）由式（29）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ps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)nf的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。06f?01%s???06(1)()fsns??Vf Vf交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計12三相交流異步電動機(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。由電機(jī)理論知道，電機(jī)定子的感應(yīng)電勢有效值是： ??則 即 （210）另外，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為: （211）其中 —與電動機(jī)有關(guān)的常數(shù)；TC—轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；2cos?—轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；—電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進(jìn)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。I當(dāng)電機(jī)在額定運行情況下，電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小， 和 可以看成1UE近似相等，所以保持 =常數(shù)即可。圖 電動機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機(jī)械特性從圖 中可以看出，當(dāng)電動機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速 方向調(diào)速時,曲線近似平行地下0n降，減速后的電動機(jī)仍然保持原來較硬的機(jī)械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機(jī)負(fù)載能力的下降。此時如果仍以 代替 ，將帶來很大的誤差。轉(zhuǎn)矩補償法的原理是：針對頻率 降低時，電源電壓 成比例地降低引起的fU的下降過低，采用適當(dāng)?shù)奶岣唠妷?的方法來保持磁通量 恒定，使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩回UUm?升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（Torque Boost） 。VfV1NU10ba1Nf1fn01n2 50nZfH?10nT交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計15 補償后的機(jī)械特性曲線 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從額定頻率 向上增高，但是電壓卻不能超出額定Nf電壓 ，由式（210）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。造成這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率 升高時，電源電壓不可能相應(yīng)升高。恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 速 恒 功 率 調(diào) 速()vU()nT?Nn10U21Nf1()ZfHn?2n10 1f2f 50nZfH?2T1nT12nf?交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計16 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曲線和主磁通曲線比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。它是解決 控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。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。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Vf VfVf Vf交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計17統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。日前市場銷售的通用變頻器的控制多半為 比恒定控制，它的應(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)點是可以進(jìn)行電機(jī)的開環(huán)速度控制。VfVfVf Vf交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計18第 3 章 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(jī)提供一個頻率可控的電源。 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路 主電路各部分的設(shè)計交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計19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。當(dāng) 充電到一定程度，使 閉合，將限流電阻短路。因此維修時，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。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61V?變管在這里選用 IGBT。061R?061C?061VD?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，cI ceV因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解?？墒钱?dāng)逆變管關(guān)斷時，該電阻又會阻止電061R?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061VD?交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計20避開電阻，通過二極管充電。 變頻器主電路設(shè)計的基本工作原理整流電路是把交流電變換為直流電的電路。1S4abU2S3abU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 。圖33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1S輸出端得到一個相位互相差 的三相交流電壓。根據(jù)該規(guī)律可得 、 、VUu?WUu? 所示。5S3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)。眾所周知，構(gòu)成 IGBT 的 MOSFET 和 BJT 各有其優(yōu)缺點。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。(1)隨著柵極正向電壓 的增加，通態(tài)壓降減小， 固定GEUGEU?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。為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。正向柵極驅(qū)動電壓幅值的選取應(yīng)同時考慮在額定運行條件下和一定過載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。此時，柵極電壓可取為 13V。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。(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。柵極電阻 對 IGBT 的開關(guān)時間有直接的影響。對eI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。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。(9)當(dāng) IGBT 處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時，能在 IGBT 允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵極電壓自動抑制故障電流，實現(xiàn) IGBT 軟關(guān)斷。當(dāng)出現(xiàn)過流時，無論此時有無輸入信號，都應(yīng)無條件地，二極管的反向恢復(fù)、分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會在ditdit交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計25IGBT 開通時造成尖峰電流，驅(qū)動電路應(yīng)具備抑制這一瞬時過流的能力，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。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。 EXB840的引腳圖R`低低低低低低低低低低低低A1415 1234569VST`(+)()低低低低低低低低低低低低低低低(低低低) 低低低低(低低低低低低低低低)低低低低低低低低低(+20V)低低低低低低低低低低低低低低低低低低(0V)交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計26 采用 EXB840 的 IGBT 驅(qū)動電路采用 EXB840 集成電路驅(qū)動的 IGBT 的典型應(yīng)用電路如圖 所示 [8]。控制方式有模擬控制和數(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。 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，實現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。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、準(zhǔn)確地實現(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。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(jìn)行比較，如圖 所示，兩波形的交點作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時間。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。缺點是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。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。 SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說明如下：（1）輸入