【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 峰電壓。柵極電阻對(duì)IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間有直接的影響。柵極電阻過(guò)小，關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)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(guò)大，器件的開(kāi)關(guān)速度降低，開(kāi)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(kāi)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。 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,采用單電源20V供電。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。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(guò)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(guò)電流現(xiàn)象存在,如果有過(guò)電流,保護(hù)電路將迅速關(guān)斷IGBT,防止過(guò)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(guò)高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開(kāi)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(guò)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(guò)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。 EXB840的引腳圖 采用EXB840的IGBT驅(qū)動(dòng)電路[8]。其中ERA3410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(zhǎng)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。 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(kāi)關(guān)元件的開(kāi)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(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。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(chēng)為門(mén)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(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)。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(lái)。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(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)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，而脈沖間的間隔最小；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(chēng)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(chēng)為載波)與一個(gè)正弦波(稱(chēng)為調(diào)制波)進(jìn)行比較，兩波形的交點(diǎn)作為逆變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。 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(guò)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(zhuān)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(zhuān)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(mén)狗定時(shí)器功能等。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]。 SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說(shuō)明如下：（1）輸入類(lèi)管腳說(shuō)明AD0～AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。SET TRIP：通過(guò)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(kāi)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(lái)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(lèi)管腳說(shuō)明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的R、Y、B相的下臂開(kāi)關(guān)管。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開(kāi)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。 保護(hù)電路保護(hù)電路的主要功能是對(duì)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，進(jìn)行各種必要的處理[12]。 過(guò)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)過(guò)壓、欠壓保護(hù)是針對(duì)電源異常、主回路電壓超過(guò)或低于一定數(shù)值時(shí)考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動(dòng)的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(guān)系。當(dāng)輸入電源電壓過(guò)高，將使直流側(cè)電壓過(guò)高。過(guò)高的直流電壓對(duì)IGBT的安全構(gòu)成威脅，很可能超過(guò)IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當(dāng)輸入電壓過(guò)低時(shí)，雖不會(huì)對(duì)主回路元件構(gòu)成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致SA4828輸出錯(cuò)誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBT。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對(duì)系統(tǒng)的電壓進(jìn)行保護(hù)。圖 。 過(guò)電壓保護(hù)電路它直接對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)。其中電壓信號(hào)的取樣是通過(guò)電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動(dòng)作。過(guò)壓設(shè)定值從電位器上取出。運(yùn)放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號(hào)在給定點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)比較器抖動(dòng)，這里將過(guò)壓保護(hù)的動(dòng)作值整定為額定輸入電壓的110%。 欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長(zhǎng)時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時(shí)停電或瞬時(shí)電壓降低。欠電壓導(dǎo)致逆變器開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)功率不足而燒壞開(kāi)關(guān)器件。一般欠壓信號(hào)從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過(guò)電壓時(shí)檢測(cè)出信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，又不會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)間因?yàn)樵谇冯妷?，過(guò)電壓并未構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)而保護(hù)誤動(dòng)作。欠壓保護(hù)電路的原理與過(guò)壓保護(hù)電路類(lèi)似。其電壓取樣與過(guò)壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由上取出。運(yùn)放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)取樣電壓低于設(shè)定值時(shí)(欠壓情況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其電路下圖所示。動(dòng)作值整定為輸入電壓的85%。本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運(yùn)行前，變頻器本身可以對(duì)過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測(cè)其保護(hù)電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機(jī)控制發(fā)出各種等效故障信號(hào)，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的保護(hù)電路是否動(dòng)作，若動(dòng)作則說(shuō)明保護(hù)電路正常，反之說(shuō)明保護(hù)電路本身有故障，應(yīng)停機(jī)對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行檢查，直到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過(guò)程如下：，經(jīng)非門(mén)整形后輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，有電流流過(guò)三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號(hào)分別送至過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路。因SA4828的SET TRIP端為高電平有效,所以應(yīng)加上一個(gè)反相器,使其反相后輸出高電平。[13]： 故障自診斷電路 過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對(duì)地短路等情況下，電流變化非常迅速，元件將承受極大的電壓和電流，而IGBT器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它在足夠大的電流下會(huì)出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控?zé)o法關(guān)斷，以至燒壞，所以過(guò)流之前必須使IGBT關(guān)斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊EXB840中已經(jīng)有過(guò)流保護(hù)，但考慮到過(guò)大時(shí)IGBT還未來(lái)得及關(guān)斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士LEM 公司生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)補(bǔ)償式電流傳感器來(lái)進(jìn)行電流的檢測(cè)。在此傳感器的輸出端串電阻R，則R上的壓降反應(yīng)了被測(cè)的電流。過(guò)流發(fā)生時(shí)，R上的壓降大于過(guò)流保護(hù)動(dòng)作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的功能。： 過(guò)流保護(hù)電路 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測(cè)到參數(shù)的計(jì)算、存儲(chǔ)和傳送，再到人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)，都是單片機(jī)在其中穿針引線，控制、協(xié)調(diào)各部分的工作。它的性能的好壞及工作的正常與否對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設(shè)計(jì)中選用單片機(jī)課程學(xué)習(xí)到的Intel公司的8051單片機(jī)。8051是高性能的單片機(jī)，因受到引腳數(shù)目的限制，它屬于地址與數(shù)據(jù)復(fù)用的單片機(jī)，可以與SA4828直接接口。其內(nèi)部有4KB的ROM， 因8051已經(jīng)比較常見(jiàn)和熟悉，這里不再詳細(xì)介紹。[15]。 模擬量的頻率給定通過(guò)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀入8051，轉(zhuǎn)化為SA4828的，啟動(dòng)允許輸出。 單片機(jī)系統(tǒng)圖因8051的復(fù)用總線結(jié)構(gòu)，SA4828的MUX引腳應(yīng)該接高電平或懸空不接。8051的P0口與SA4828的AD口連接，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，SA4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來(lái)自8051的低八位地址，從而將AD口輸入的地址和數(shù)據(jù)分開(kāi)，SA4828的地址鎖存器由8051的ALE引腳控制，同時(shí)連接的控制信號(hào)還有讀，寫(xiě)信號(hào),.，這樣SA4828的8個(gè)寄存器的地址為：寄存器R0～R5的地址：0000H～0005H。虛擬寄存器R14,R15的地址：000EH，000FH，使單片機(jī)能在異常情況下封鎖SA4828的輸出，（ ）,測(cè)量調(diào)試波的頻率，用于顯示。因8051的復(fù)位端為高電平有效，而SA4828為低電平有效，所以在兩者中間需要加上反相器。SA4828的引腳接一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)SA4828的輸出被封鎖時(shí)，發(fā)光二極管亮，用于指示封鎖狀態(tài)。SA4828的六個(gè)輸出引腳分別通過(guò)各自的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變橋的六只開(kāi)關(guān)管。5 變頻器軟件設(shè)計(jì) 流程圖。 程序設(shè)計(jì)流程