【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，從而提高了電機的工作效率，擴大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 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)?？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。 圖 34 EXB840 的引腳圖 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]。 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。當出現(xiàn)過流時，無論此時有無輸入信號，都應(yīng)無條件地實現(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)斷吸收電路等都會在 IGBT 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。 9 當 IGBT 處于負載短路或過流狀態(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。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。對于 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 IGBT 的開關(guān)時間有直接的影響。 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)動電路需要提供動態(tài)驅(qū)動電流。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。此時，柵極電壓可取為 13V。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。為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護。 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，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)備中的地位越來越重要，如 UPS、電焊機、電機驅(qū)動、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。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、同時閉合時，電壓為正；、同時閉合時，電壓為負。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。當逆變管關(guān)斷時，迅速上升，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（）來減小電壓增 長率。 的作用是：當逆變開關(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。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。當充電到一定程度，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 選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。由此，在本設(shè)計中采用控制。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)學模型。 轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速 1985 年，德國魯爾大學的 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，這種控制需要由安裝在電動 機上的速度傳感器檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出時轉(zhuǎn)差率，而變頻器的輸出頻率則有電動機實際轉(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 電動機高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性 當電動 機向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(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。 圖 壓頻比控制特性曲線 補償后的機械特性曲線如圖 所示。一種簡單的解決方法就是所示的轉(zhuǎn)矩補償法。當?shù)臄?shù)值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對較小，≈所產(chǎn)生的誤差較少；當?shù)臄?shù)值較低時，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≈。 變頻后的機械特性如圖 所示。 根據(jù)電機端電壓和感應(yīng)電勢的關(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，必須使氣隙磁通不變。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?？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)速要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉(zhuǎn)差率表示： （ 28） 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 ，則 0，即在 0～ 1 之間變化，一般異步電動機在額定負載下的 1%～ 6%。 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(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。 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。由知：越小，越大，機械特性就越硬。 臨界點Ｋ是一個非常重要的點，它是機械特性穩(wěn)定運行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點。 圖 中的 E 點，在這點上，電動機以同步轉(zhuǎn)速運行（ 0），其電磁轉(zhuǎn)矩 T 0。 （ 3）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式 （ 24） 式中 ――磁極對數(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 來表示 [3]。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(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 交流電動機提供交流電功率，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(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 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，很長的時期內(nèi)在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)首位。畢業(yè)設(shè)計（論文）交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 目錄 摘 要 i Abstract ii 1 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 2 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 13 比恒定控制 13 其它控制方式 18 3 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 24 IGBT 及驅(qū)動模塊介紹 25 IGBT 簡介及驅(qū)動要求 25 EXB840 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 27 采用 EXB840 的 IGBT 驅(qū)動電路 28 4 控制回路設(shè)計 30 驅(qū)動電路設(shè)計 30 SPWM 調(diào)制技術(shù)簡介 30 SPWM 波生成芯片特點和引腳功能 32 SA4828 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 5 變頻器軟件設(shè)計 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 46 總結(jié) 56 參 考 文 獻 57 致謝 58 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。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。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。 本次設(shè)計方案簡介 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)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)不需換流， 1/3～ 1/2,所以不能高速運行。因為本設(shè)計中采用中等容量的電動機，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。 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。 由電動機的基礎(chǔ)知識可知：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。 （ 2）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式 （ 23） 式中 ―― 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； ――主磁通。 圖 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。式中 ,為額定轉(zhuǎn)矩。 上述分析說明：的大小影響著電動機的過載能力，越小，為了保證過載能力不變，電動機所帶的負載就越小。變頻后的機械特性將會在下一小節(jié)中介紹。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機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的調(diào)速原理十分重要。當 1 是， 3000r／ min； 2 時， 1500r／ min。它是在改變變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，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機的效率、功率因數(shù)不下降。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)。在不變時，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。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。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，影響交流電動機變頻調(diào)速的使用。 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。 變頻后的機械特性如圖 所示。磁通量的下將使電動機的轉(zhuǎn)矩下降，造成電動機的機械特性變軟。