【正文】 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。 SPWM 調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)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)?？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(jiǎn)單的硬件電路，主要依靠軟件來(lái)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(lái)完成許多模擬量難以實(shí)現(xiàn)的功能。 圖 34 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]。 它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動(dòng)放大電路 ,過(guò)流檢測(cè)急保護(hù)電路以及電源電路組 成。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，無(wú)論此時(shí)有無(wú)輸入信號(hào)，都應(yīng)無(wú)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(guò)流的能力，在尖峰電流過(guò)后，應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓，保證電路的正常工作。 9 當(dāng) IGBT 處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí)，能在 IGBT 允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)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。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。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。柵極電阻對(duì) IGBT 的開關(guān)時(shí)間有直接的影響。 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。為 了縮短器件的關(guān)斷時(shí)間，關(guān)斷過(guò)程中應(yīng)盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。此時(shí)，柵極電壓可取為 13V。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(guò)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。為防止柵極過(guò)壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。 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。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(lái)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。眾所周知，構(gòu)成 IGBT 的 MOSFET 和 BJT各有其優(yōu)缺點(diǎn)。如比 ,滯后，比滯后。 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。 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。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)。放電時(shí)，通過(guò)電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，迅速上升，迅速降低，過(guò)高增長(zhǎng)的電壓對(duì)逆變管造成危害，所以通過(guò)在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來(lái)減小電壓增 長(zhǎng)率。 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?，但是由于電?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)。因此維修時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。當(dāng)充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。 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) 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。由此，在本設(shè)計(jì)中采用控制。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(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速 1985 年，德國(guó)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)。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。 其它控制方式 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。 以上調(diào)速方式相應(yīng)的特性曲線如圖 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。 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。一種簡(jiǎn)單的解決方法就是所示的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法。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≈。 變頻后的機(jī)械特性如圖 所示。 根據(jù)電機(jī)端電壓和感應(yīng)電勢(shì)的關(guān)系式： 212 式中 : 定子相電壓； 定子電阻； 定子阻抗； 定子電流。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?？刂剖悄壳巴ㄓ米冾l器中廣泛采用的控制方式。 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： （ 28） 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%。 交流調(diào)速是通過(guò)改變電定子繞組的供電的頻率來(lái)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。 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。由知：越小，越大，機(jī)械特性就越硬。 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)。 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。 （ 3）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式 （ 24） 式中 ――磁極對(duì)數(shù)； ――電源的相電壓； ――電源頻率。 A 相的 T 形等效電路如圖 所示。 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。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(lái)表示 [3]。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后去驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的關(guān)斷。 逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。 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。 .交直交型變頻器交直交它根據(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由于電壓型變頻器是作為電壓源向 交流電動(dòng)機(jī)提供交流電功率，它主要適用于中、小容量的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。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。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 既有管柵極驅(qū)動(dòng)電壓功率小和驅(qū)動(dòng)線路簡(jiǎn)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 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(guò)壓、過(guò)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(jiǎn)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。直流調(diào)速系統(tǒng)，由于其良好的調(diào)速性能，很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)首位。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目錄 摘 要 i Abstract ii 1 緒 論 1 變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介 1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 2 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 2 研究的目的與意義 3 本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)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(jiǎn)介 5 選用電動(dòng)機(jī)原始參數(shù) 6 2 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理及方法 8 三相異步電機(jī)工作的基本原理 8 異步電機(jī)的等效電路 8 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 9 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 10 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理 12 變頻調(diào)速的控制方式及選定 13 比恒定控制 13 其它控制方式 18 3 變頻器主電路設(shè)計(jì) 20 主電路的工作原理 20 主電路各部分的設(shè)計(jì) 20 變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理 21 主電路參數(shù)計(jì)算 24 IGBT 及驅(qū)動(dòng)模塊介紹 25 IGBT 簡(jiǎn)介及驅(qū)動(dòng)要求 25 EXB840 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 27 采用 EXB840 的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 28 4 控制回路設(shè)計(jì) 30 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 30 SPWM 調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介 30 SPWM 波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能 32 SA4828 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 33 保護(hù)電路 36 過(guò)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) 36 過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì) 38 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 39 5 變頻器軟件設(shè)計(jì) 42 流程圖 42 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(jì) 46 總結(jié) 56 參 考 文 獻(xiàn) 57 致謝 58 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)。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(lái)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。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(lái)越旺盛的生命力。 本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 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(jī)組作為可變頻率電源，供給交流電動(dòng)機(jī)。由于中間不經(jīng)過(guò)直流環(huán)節(jié)不需換流， 1/3～ 1/2,所以不能高速運(yùn)行。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采用中等容量的電動(dòng)機(jī)，所以采用三相 380V 電源。 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。 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(dòng)逆變器 工作的信號(hào)。 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(guò)電磁感應(yīng)而得來(lái)的。 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。 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。 （ 2）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式 （ 23） 式中 ―― 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； ――主磁通。 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。式中 ,為額定轉(zhuǎn)矩。 上述分析說(shuō)明：的大小影響著電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，越小，為了保證過(guò)載能力不變，電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載就越小。變頻后的機(jī)械特性將會(huì)在下一小節(jié)中介紹。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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。當(dāng) 1 是， 3000r／ min； 2 時(shí)， 1500r／ min。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。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(guò)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(guò)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)。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(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。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。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。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。 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。 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。 變頻后的機(jī)械特性如圖 所示。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。