【文章內(nèi)容簡介】 證必要的調(diào)速精度，而且在動態(tài)過程中由于不能保持所需的轉(zhuǎn)矩，動態(tài)性能較差，因此開環(huán)控制方案只能用于對調(diào)速精度和動態(tài)性能要求不高的場合。 圖4－ 5　帶 低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)框圖PWM脈寬調(diào)制信號生成器/D轉(zhuǎn)換器給定積分器恒磁通補(bǔ)償器光電隔離電路驅(qū)動電路保護(hù)電路 (2)轉(zhuǎn)差頻率控制 它屬于轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，在恒磁通的條件下，通過控制轉(zhuǎn)差頻率，就可以實現(xiàn)對 轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制?？驁D如圖 46所示。 PWM脈寬調(diào)制信號生成器微型計算機(jī)轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器△u N恒磁通補(bǔ)償器驅(qū)動電路光電隔離電路保護(hù)電路＋圖46 轉(zhuǎn)差頻率控制的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng) (3)矢量變換控制 １５ 矢量變 換控制是 1921年由西德 Blaschke等人提出的一種新的控制思想和控制結(jié) 構(gòu)。通過矢量變換控制，能使交流電動機(jī)和直流電動機(jī)一樣的調(diào)速性能。 2. 按計算機(jī)參與控制的情況分類 （ 1） 單片機(jī)控制 （ 2） 多微機(jī)控制 （ 3） 單片機(jī) + SPWM器件控制結(jié)構(gòu) 為了獲得較為理想的調(diào)速性能，人們研制出了各種各樣的 SPWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器有模擬的，數(shù)字的，還有混合式的，也有數(shù)片集成電路芯片組合而成的， HEF4752就是其中一種，它是 80年代初英國 Mullard公司研制出的一種專門用來產(chǎn)生三相正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）信號的 大規(guī)模集成電路，它可驅(qū)動大功率晶體管，但后來研制出的SLE4520能驅(qū)動頻率更高的絕緣柵晶體管 IGBT，運(yùn)用 SLE4520產(chǎn)生 SPWM脈寬調(diào)制信號可以使變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路的硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，有利于提高整個系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，也可以使整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制變得更為簡捷，采用單片機(jī)控制時，可減小大量的計算工作量，使微機(jī)騰出空來處理一些諸如系統(tǒng)測量，保護(hù)及控制工作，有利于充分發(fā)揮微機(jī)的控制作用。 采用微機(jī) +SPWM器件控制的 PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示： 驅(qū)動電路光電耦合電路顯示電路 轉(zhuǎn)速給定電路故障檢測及保護(hù)電路交流電源　～PM模 塊單片機(jī)＋SLE4 520的 變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 五．本次方案的確定 由上述分析可知，采用單片機(jī) +SLE4520 器件控制結(jié)構(gòu)，使 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路的硬件更加簡單，有利于提高整個系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，也可使整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制更為簡捷，并可減少大量的計算工作，僅用價格低廉的單片機(jī) 8031 就可勝任， １６ 同時也使單片機(jī)空出來處理一些諸如系統(tǒng)測量，保護(hù)及控制工作，有利于充分發(fā)揮單片機(jī)的控制作用，同時還采用 IGBT開關(guān)元件，使輸出的 SPWM的開關(guān)頻率達(dá) 20KHZ，基波頻率可達(dá) 2600HZ，達(dá)到設(shè)計要求，而且經(jīng)濟(jì)效益最佳。 經(jīng)過以上比較，我們可得系 統(tǒng)方框圖如圖所示 給定0310口控制信號數(shù)據(jù)SLE4520 PM3～4LS164 LEDXD　 　TXD系統(tǒng)方框圖 系統(tǒng)工作原理： 首先由拔碼盤輸入給定轉(zhuǎn)速 N，由于 N 是由 P0口輸入再取入為 BCD碼，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，并轉(zhuǎn)換為頻率 F，然后判斷 F所處的范圍，根據(jù)一定的軟件算法，輸出數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線 P0P7寫入地址譯碼鎖存器。然后根據(jù)地址譯碼，由微機(jī)輸出的 SPWM脈寬數(shù)據(jù)分別寫入 SLE4520中的 3個 8位數(shù)據(jù)鎖存器，經(jīng) SLE4520處理后產(chǎn)生脈沖來控制 IGBT，由于 IGBT必需要有一定的驅(qū)動功率及一定的保護(hù)電路，而 IPM內(nèi)部主要是 IGBT、驅(qū)動電路、檢測電 路，可以大大簡化電路，故采用了 IPM模塊。如果發(fā)生事故，則產(chǎn)生中斷來申請中斷處理。 顯示接口，主要用來顯示轉(zhuǎn)速等必要參數(shù)。 系統(tǒng)主回路的選擇 (一 ).系統(tǒng)主回路的框圖 一 . 根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，我們可以得到系統(tǒng)的主回路框圖如圖 51 １７ ～ 3～圖5－1　 　系統(tǒng)主回路圖 從圖中，我們可以看出，三相電源電流經(jīng)快速熔斷器， KM 觸頭，經(jīng)過△形 /Y形的變壓器變壓后，三相整流電路把交流電變成直流電，然后經(jīng)過電容 C C2 濾波，輸?shù)絀PM中的 IGBT上。通過控制 IGBT的 通斷和截止，從而使電機(jī)得電，開始起動。 電阻 R1和燈 L作為系統(tǒng)運(yùn)行的指示標(biāo)志， R2 用于電機(jī)制動時的耗能電阻。 （二）變頻器介紹與變頻電源的選擇 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器可以分為交 — 交變頻器和交 — 直 — 交變頻。 1． 變頻 交 — 交變頻是直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)殡妷汉皖l率都可以調(diào)節(jié)（ VVVF）的交流電。 在單相交 — 交變頻器中，如果輸入電壓為三相電源，可控整流器為三相全橋式接法，要得到單相輸出交流電共需 12個晶閘管元件。因此，對于三相負(fù)載，則需要 36個晶閘管元件，另外，由于輸出波形是由供電電源經(jīng)整流后得到的，所以 ，交流輸出的頻率不能高于電網(wǎng)電源的頻率。 2． 交－直－交變頻 交－直－交變頻的工作原理可用圖 5－ 2所示的對單相負(fù)載供電的交－直－交變頻器來說明，它通過可控硅整流裝置把交流電變?yōu)榉悼烧{(diào)的直流電，開關(guān)元件 1,3和 2，4 交替對負(fù)載電陰供電，那么就在負(fù)載上得到交流輸出電壓 Uo， Uo 的幅什由可控整流裝置的控制角α決定， Uo 的頻率由開關(guān)元件切換的頻率來確定，而且受電源頻率的限制。在單相交－直－交變換器中，如果可控整流裝置采用三相全控橋接法，需要 10 個晶閘管，如果要得到三相交流輸出，只需增加兩個開關(guān)元件即可。 １８ 圖5－2 　交－直－交變頻的工作原理圖L 變頻電源的選擇 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器的負(fù)載通常是異步電動機(jī)，無論它處于電動還是發(fā)電狀態(tài)，功率因數(shù)都不會等于 1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間將有無功功率流動，所以必須在直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間設(shè)置貯能元件，以緩沖無功能量，根據(jù)無功能量的處理方式，變頻電源分為電壓源和電流源兩種。 電壓源（亦稱電壓型）變頻器是在中間直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)大電容以緩沖無功功率，如圖 5－ 3（ a）所示，從直流輸出端看，電源具有低阻抗，因此，輸出電壓波形接近于矩形波，屬于電壓強(qiáng)制方式。 整流逆變 逆變整流（a)電壓 型變頻器（b)電流 型變頻器圖5－ 3　變 頻器 電流源（也稱電流型）變頻電源是在中間直流環(huán)節(jié)中串以大電感吸收無功功率， 如圖 5－ 3（ b）所示，從直流輸出端看，電源具有高阻抗。因此，輸出電流波形接近 １９ 于矩形波，屬于電流強(qiáng)制方式。 在本課題中，我勻利用 SLE4520進(jìn)行變頻調(diào)速產(chǎn)生的 SPWM波調(diào)制技術(shù)，故我們通常選用電壓源變壓器。其輸出電壓波形為矩形波。 （一） 整流器的說明及二極管的選擇 圖 5－ 4為三相橋式整流電路及其波形 負(fù)載D1D2D3D4D5D6VW ω tω tω t圖5－4　(a)　三相橋式電路　　（b)三相橋式電路電壓波形（b) 在波形圖中， WT1－ WT2范圍內(nèi)， R相電壓為最大值，面 S相電壓為最大負(fù)值，線電壓 URS此時最大。因此，整流元件 D1與 D4受 URS正向陽極電壓作用而串聯(lián)導(dǎo)通，其通路為： A－ VD1－ VD4－ B，其它整流元件受反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流輸出電壓為線電壓 URS，在 WT2－ WT3范圍內(nèi)， R相仍然為最大值，而 T相電壓變?yōu)樨?fù)相最大值，線電壓 ２０ UR7最大，因此，整流元件 VD1與 VD6串聯(lián)導(dǎo)通，其通路為： A－ VD1－ RFZ－ D6－ C，其它整流元件受反向電壓作用不導(dǎo)通，整流輸出電壓為線電壓 URT同理，在 各期間內(nèi)整流元件導(dǎo)通情況歸納如下： WT1－ WT2 URS最大 VD1與 VD4導(dǎo)通 WT2－ WT3 URT最大 VD1與 VD6導(dǎo)通 WT3－ WT4 UST最大 VD3與 VD6導(dǎo)通 WT4－ WT5 USR最大 VD3與 VD2導(dǎo)通 WT5－ WT6 UTR最大 VD5與 VD2導(dǎo)通 WT6－ WT7 UTS最大 VD5與 VD4導(dǎo)通 在整流的 WT1－ WT2其間，由上圖可知，二極管 VD1與 VD4 導(dǎo)通，而 VD2不導(dǎo)通，承受反向電壓，此時 VD2的陰極接在 A點(diǎn)， VD2的陽極通過 VD4接到 B點(diǎn)，在 VD4正向?qū)〞r，內(nèi)壓降很小，所以加在 VD2上的反向電壓基本上等于 R，S 間的電壓 URS，同理分析出其他范圍內(nèi)不導(dǎo)通元件承受的反缶壓降均為兩相間的線電壓，其反向峰值電壓為： UDMAX＝ UUMAX＝ 取 UDMAX＝ 540V 但是從富士公司 R系列 IPM的資料及我們選用的 IPM來看， *220*=618V的UDMAX對于 6MBP015RA060來說是太大了，因為其最高主電壓不能超過 400V，但是考慮到我們所做的系統(tǒng)容量并不大，為節(jié)約成本（ 600V 與 1200V 的 IPM 從價格上來說是差 得比較大的，且 1200V 檔的無容量很小的模塊――最小的也是 75A 級的，這樣價格就差得更大了，且 75A的用在我們的設(shè)計中無疑是非常浪費(fèi)的），故采用單相橋式整流電路。 其 UDMAX＝ 220*= 濾波器件的說明及選擇 從整流電路的分析中看出，經(jīng)整流出來的電壓不是純直流電，而是一個交流成分與直流電壓疊加而成的脈動直流電壓，由于脈動大，產(chǎn)生雜音或使信號嚴(yán)重失真，影響通信質(zhì)量（傳支質(zhì)量），所以必須加濾波器進(jìn)行濾波。 一般情況下，濾波電容 C越大，放電時間常數(shù) RFC就越大，脈動成分就越小，但也不能將 C 取太大，這容易導(dǎo)致調(diào)速動態(tài)響應(yīng)變慢，所以一般取 RFC≥（ 3~ 5） T/2JF，整流波形就比較平滑，基本上可滿足負(fù)載的脈動要求，故電容器的選擇為： Rfc ≥ 2)5~3( T T為電源電壓的周期 C≥（ 3～ 5） 2T Rf ???? 0 C≥ ２１ 故濾波電容器選擇 500UF (四 )逆變器件的選擇 一． 用 SLE4520很容易與微處理器（包括單片機(jī)）結(jié)合組 成大功率數(shù)字化變頻器的控制器。該控制器的最高時鐘頻率國 12MHZ，正弦波輸出頻率 0~2600HZ開關(guān)頻率從 1KHZ以下到 20KHZ以上，這些頻率指標(biāo)可滿足逆變器中主回路開關(guān)元件 GTO、 GTR、 IGBT、或功率 MOSFET等不同需要。 而對于上述主回路開關(guān)元件， GTO跟普通晶閘這、管一樣，一旦導(dǎo)通即能在導(dǎo)通狀態(tài)下自鎖，上一種必須依靠門極電流的極性變化來改變通斷的晶體管，關(guān)斷 GTO的反向門極電流通常須達(dá)到陽極電流的 1/4~1/3，因而關(guān)斷控制較易失敗，故較復(fù)雜，工作頻率也 不夠高，而幾乎與此同時，大功率晶體管（ GTR）迅速發(fā)展了起來，使 GTO 晶閘管相形見拙，因此，在大量的中小容量變頻器中， GTO晶閘管已基本不用。 GTR與 GTO相比較雖有關(guān)斷控制容易的優(yōu)點(diǎn)，但因其是用電流信號進(jìn)行驅(qū)動的，所需驅(qū)動功率較大，故基極驅(qū)動系統(tǒng)比較復(fù)雜，并使工作頻率難以提高。 MOSFET 具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動簡單等優(yōu)點(diǎn)，但它在提高擊穿電壓和增大工作電流方面進(jìn)展較慢，故在變頻器中的應(yīng)用尚不能居主導(dǎo)地位。 IGBT是 MOSFET和 GTR相結(jié)合的產(chǎn)物，是柵極為絕緣柵結(jié)構(gòu)（ MOS結(jié)構(gòu) ）的晶體管，其基本結(jié)構(gòu)，等效電路和圖形符號見圖 5－ 5 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)是在 N 溝道 MOSFET 的漏極（ N﹢基板）上加一層 P﹢基板（ IGBT的集電極）形成四層結(jié)構(gòu)，由 PNP－ NPN晶體管構(gòu)成 IGBT，它的開關(guān)作用是通過加正向極電壓來形成溝道，給 PNP晶體管提供基極電流，使 IGBT開通。反之，如給門極施加反向門極電壓，溝道消失，流過反向基極電流，使 IGBT關(guān)斷。 IGBT具有 MOSFET的工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動簡單的優(yōu)點(diǎn)，也具有 GTR的阻斷電壓高，載流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并且沒有 GTR固有的二次擊穿 問題，安全工作區(qū)寬。而且還具有不用緩沖電路，開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。 IGBT的這些與 GTO、 GTR、 MOSFET相比較來說，具有更大的優(yōu)越性，所以在本設(shè)計課題的主回路開關(guān)元件中選擇 IGBT。 IGBT要有相應(yīng)的驅(qū)動電路及保護(hù)電路，而 IPM模塊是集成 IGBT，驅(qū)動電路及保護(hù)電路的器件，有利于簡化系統(tǒng)電路故在小容量的系統(tǒng)中應(yīng)用較多，而我們所設(shè)計的也正是小容量系統(tǒng)，為簡化電路，故采用 IPM模塊，但其有價格較高的缺點(diǎn)。 二 .IPM模塊的介紹 智能電力模塊是電力集成電路的一種，有時也稱為智能集成電路。在電力電子變流電路中 ，電力電子器件必須有驅(qū)動電路（或觸發(fā)電路），控制電路和保護(hù)電路的配合，才能按人們的要求實現(xiàn)一定的電力控制功能，以往，電力電子器件和配套控制電路是分立器件或電路裝置，而今半導(dǎo)體技術(shù)達(dá)到了可以將電力電子器件及其配套控制電路集成在一個芯片上，形成所謂的功率集成電路，可以做成多種功率器件及其控制電路所需的有源或無源器件，比如功率二極管、 GTR， IGBT，高低壓電容，高阻值多晶硅電阻，低阻值擴(kuò)散電阻以及各種元器件之間的連接等。這種功率集成電路特別適應(yīng)于電力電子技 ２２ 術(shù)高頻化發(fā)展方向的需要，由于高度集成化，