【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、控制電源欠電壓保護(hù)和管殼及管芯溫度過(guò)熱保護(hù)。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入DSP(TMS320F2812)的PDPINTA故障中斷入日，進(jìn)而封鎖DSP的PWM波輸出?？刂齐娐钒―SP最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由DSP本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù)SRAM、程序SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口JTAG電路組成，仿真接口JTAG電路是為了實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時(shí)在調(diào)試過(guò)程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼。頻率輸入電路可以設(shè)置系統(tǒng)要輸出的SPWM波的頻率。光耦隔離電路是為了把DSP輸出的弱電信號(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行可靠隔離。 主電路的設(shè)計(jì) 主電路原理圖由整流電路、濾波電路、逆變電路(IPM)和IPM的吸收電路組成。主電路采用典型的交—直—交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級(jí)采用單相橋式不可控整流電路RB1,整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容(由C1到C4電容組成)濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過(guò)功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。由于功率器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，會(huì)用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級(jí)采用單相橋式不可控整流電路RB1, 整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容(由C1到C4電容組成)濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過(guò)功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。由于功率器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來(lái)消除該尖峰。圖中C5為C型吸收電路，R6到R11和C6到C11組成RC型吸收電路。發(fā)光二極管DSP用來(lái)顯示濾波電容兩端的電量。下面詳細(xì)介紹各個(gè)部分電路及元件參數(shù)。(被控電動(dòng)機(jī)參數(shù)為:△聯(lián)接，額定功率為,額定電壓隊(duì),額定電流,額定頻率，額定轉(zhuǎn)速。 整流電路 整流電路由4個(gè)整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用220V，整流電路為單相全波整流橋。大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。整流二極管的計(jì)算，通過(guò)二極管的峰值電流: (31)流過(guò)二極管的有效值： （32）二極管電流額定： （33）考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用整流二極管的電壓定額: （34） =622～933（V）選用。根據(jù)上面計(jì)算的電壓和電流以及市場(chǎng)價(jià)格和供貨情況，實(shí)際選用的單相整流橋?yàn)?0A,1000V。 濾波電路 在整流電路中輸出電壓是脈動(dòng)的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個(gè)低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無(wú)功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲(chǔ)能電容器。在沒(méi)有加入濾波電容時(shí)，單相整流橋輸出平均直流電壓為: （35）加上濾波電容后，的最高電壓可達(dá)交流線電壓的峰值: （36） 假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍為200V ～240V，當(dāng)輸入電壓對(duì)應(yīng)240 V的輸入，整流后的電壓為324V。，那么每一個(gè)周期，電容吸收的能量為: （37）式中為電機(jī)輸出功率，為峰值電壓，為最小交流輸入電壓考慮到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應(yīng)該在200V以上，所以有: （38） 濾波電容理論上講越大越好，實(shí)際中考慮價(jià)格我們選擇4個(gè)450伏的電解電容，分別兩個(gè)井聯(lián)后再2個(gè)串聯(lián)，最后等效為一個(gè)耐壓90伏的電容。并聯(lián)在電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個(gè)參數(shù)不是完全相同，此均衡電組使串聯(lián)的電容分壓相同，同時(shí)在電源關(guān)斷時(shí)，給電容提供一個(gè)放電回路，此電阻阻值選用。 電源指示 發(fā)光二極管DSP除了表示電源是否接通以外，還有一個(gè)十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否己經(jīng)釋放完畢。由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，如果濾波電容沒(méi)有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘。又由于濾波電容上的電壓較高，如電荷不放完，將對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。 逆變電路 逆變電路的功率開(kāi)關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管（IGBT)為核心的智能功率模塊(IPM)。IGBT是90年代出現(xiàn)的新一代復(fù)合型電力電子器件，它集合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，適合于高速、低功耗的場(chǎng)合，如電機(jī)控制，開(kāi)關(guān)電源等。IGBT具有耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控功率小等特點(diǎn)。而智能功率模塊（IPM)是將大功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在同一個(gè)模塊內(nèi)，是電力集成電路PIC的一種。目前的IPM一般采用IGBT作為大功率開(kāi)關(guān)器件。(1)IPM的主要特性 采用低飽和壓降，高開(kāi)關(guān)速度，內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的IGBT功率器件。該電流傳感器是射極分流式采樣，電阻上流過(guò)的電流很小，且與開(kāi)關(guān)流過(guò)的大電流成確定比例關(guān)系，從而可代替一般要外接的電流互感器，如霍爾電流傳感器等檢測(cè)元件。同時(shí)飽合壓降和開(kāi)關(guān)速度之間的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿足由控制IC給出的保護(hù)范圍。采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)，實(shí)行RTC(實(shí)時(shí)邏輯柵區(qū))控制模式。以嚴(yán)密的時(shí)序邏輯監(jiān)控保護(hù)，可防止過(guò)電流、短路、過(guò)熱及欠電壓等故障發(fā)生。帶RC信號(hào)干擾抑制和電源干擾抑制。IPM內(nèi)置各種保護(hù)功能。只要有一個(gè)保護(hù)電路起作用，IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路即關(guān)閉，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，可送至DSP進(jìn)行相應(yīng)處理。(2)IPM的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)IPM的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖322所示，其基本結(jié)構(gòu)為IGBT單元組成的三相橋臂。內(nèi)含續(xù)流二極管。內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和報(bào)警輸出電路。IPM管腳的功能如下表3—1所示。圖322 IPM內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)原理圖表 31管腳功能VUPC（1）上橋臂U相驅(qū)動(dòng)電源+端輸入U(xiǎn)FO（2）上橋臂U相故障輸出端(低有效)UP（3）上橋臂U相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端（低有效)VUPI（4）上橋臂U相驅(qū)動(dòng)電源一端輸入VVPC（5）上橋臂V相驅(qū)動(dòng)電源+端輸入VFO（6）上橋臂V相故障輸出端（低有效)VP（7）上橋臂V相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端（低有效)VUPI（8）上橋臂V相驅(qū)動(dòng)電源一端輸入VWPC（9）上橋臂W相驅(qū)動(dòng)電源+端輸入WFO（10）上橋臂W相故障輸出端（低有效)WP（11）上橋臂W相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端（低有效)VWPI（12）上橋臂W相驅(qū)動(dòng)電源一端輸入VNC（13）下橋臂共用驅(qū)動(dòng)電源一端輸入VN1（14）下橋臂共用驅(qū)動(dòng)電源+端輸入U(xiǎn)N（15）下橋臂U相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端（低有效)VN（16）下橋臂V相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端（低有效)WN（17）下橋臂W相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端（低有效)FO（18）下橋臂共用故障信號(hào)輸出端（低有效)P（19）直流側(cè)輸入+端N（20）直流側(cè)輸入一端U（21）逆變器三相輸出端V（22）W（23）(3)IPM的選取 IGBT正反向峰值電壓為: （39） IGBT電壓定額為: （310） 式中: IGBT通態(tài)峰值電流為: （311）IGBT電流定額為: （312） 式中: 故可選用l0A/600V的IPM模塊，型號(hào)為PM10CSJ060。(4)續(xù)流電路 續(xù)流二極管的主要功能有: 電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無(wú)功分量。續(xù)流二極管為無(wú)功電流返回直流電源提供“通道”。 當(dāng)頻率下降、電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流將通過(guò)續(xù)流二極管返回直流回路。 IGBT（Q1～Q6)進(jìn)行逆變的基本工作過(guò)程:同一橋臂的兩個(gè)逆變 管，處于不停的交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過(guò)程中，也不時(shí)地需要續(xù)流二極管提供通路。(5)IPM逆變器開(kāi)關(guān)頻率的確定 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用SPWM逆變電路可以大大降低逆變電路輸出電壓的諧波，使逆變電路的輸出電流接近正弦波。諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開(kāi)關(guān)頻率，而開(kāi)關(guān)頻率則受器件開(kāi)關(guān)時(shí)間的限制。 盡管智能功率模塊IPM的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)10～20kHa，但在確定逆變電路開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，除了應(yīng)使逆變電路輸出接近正弦波，還要考慮器件的開(kāi)關(guān)損耗，以保證變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高的效率。因此，必須全面衡量后再確定采用IPM的逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率。 以IPM為功率器件的驅(qū)動(dòng)電路(1)驅(qū)動(dòng)電源當(dāng)控制信號(hào)(柵極驅(qū)動(dòng))與主電流共用一個(gè)電流路徑時(shí)，由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而導(dǎo)致可能感應(yīng)到柵極把本來(lái)截止的IGBT導(dǎo)通。因此IPM驅(qū)動(dòng)電源需要采用四組隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組?！?，IPM能夠正常工作。，則IGBT因驅(qū)動(dòng)電源電壓過(guò)高，保護(hù)性能得不到充分的保證，高于20V時(shí)IGBT管的柵極會(huì)損壞，因此絕對(duì)不能加如此高的電壓。，這時(shí)控制信號(hào)為無(wú)效操作。典型的工作電壓一般取15V。制作驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，應(yīng)盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小?？稍诳刂齐娫摧敵龆私蛹暗臑V波電容，保持電源平穩(wěn)，修正線路阻抗。(2)控制信號(hào)輸入 控制電路電流與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)(見(jiàn)表3—2)，因此控制端加一個(gè)上拉電阻。上拉電阻應(yīng)盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，但又要足夠可靠地控制IPM。表3—2 控制端電流與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系單位mAN端P端DC20kHzDC20kHz型號(hào)PMOCSJ06018 2523. 327 108 12在PWM信號(hào)輸入端必須用高速光耦進(jìn)行隔離，一般取光耦的開(kāi)關(guān)速度tPHL,tPHL、共模抑制比CMR,通常的型號(hào)有:HCPL4504,TLP559,6N136，并且在光耦輸出端接一個(gè)的退耦電容。 故障信號(hào)Fo使用時(shí)必須注意，當(dāng)TFO=（典型值)有效時(shí)，IPM會(huì)關(guān)斷開(kāi)關(guān)并使輸入無(wú)效。在Fo結(jié)束后，自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)使輸入有效。因而在Fo輸出時(shí)系統(tǒng)必須在 ，等故障排除后方可重新有效。低速光耦可用于故障輸出端。(3)IPM的自保護(hù)功能 IPM內(nèi)部集成自保護(hù)功能，共有4路保護(hù)，分別是下橋臂月路保護(hù)UFO，VFO，WFO，下橋臂公用保護(hù)Fo。每個(gè)保護(hù)都包括過(guò)溫、過(guò)流、欠壓、短路保護(hù)。如果其中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)，各個(gè)保護(hù)功能的工作情況將在保護(hù)電路中進(jìn)行介紹。 吸收電路開(kāi)關(guān)過(guò)電壓是IGBT在開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓，也叫瞬態(tài)過(guò)電壓，消除這種電壓尖峰的電路叫吸收電路（snubber)?；芈分幸€的雜散電感LS和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的電流變化率就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)過(guò)電壓，即LSdi/dt。吸收電路的類型 RC吸收電路（如圖324所示）因電容C的充電電流在電阻R上產(chǎn)生壓降，會(huì)造成過(guò)高的過(guò)沖電壓。RCD吸收電路因二極管旁路了電阻R上的充電電流，克服了過(guò)沖電壓較高的缺點(diǎn)。RC吸收及RCD吸收電路直接并聯(lián)在IGBT的C, E極兩端，IGBT關(guān)斷時(shí)吸收電容C、的電壓從零開(kāi)始上升，因而具有較好的過(guò)電壓吸收效果。使得IGBT關(guān)斷時(shí)的電流、電壓的運(yùn)行軌跡靠近電流、電壓坐標(biāo)軸，提高了IGBT關(guān)斷時(shí)的安全性，降低了它的關(guān)斷損耗。但電阻R,需承受電容C。從零電壓開(kāi)始充放電的電流，使它的功耗較大。圖324 充放電型吸收電路(1)吸收電路參數(shù)計(jì)算本系統(tǒng)采用的是充放電型RC吸收電路。由于本系統(tǒng)在主電路直流側(cè)電壓高于150V時(shí)，在某些時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)誤關(guān)斷的現(xiàn)象，而在采用了上述吸收電路后，只有充放電型RC吸收電路能消除這一現(xiàn)象能很好的控制電壓尖峰。經(jīng)測(cè)試，主回路直流側(cè)為310V時(shí)，本系統(tǒng)電壓尖峰控制在5V以內(nèi)，取得了很好的效果。因此這里僅介紹充放電型RC吸收電路的參數(shù)計(jì)算。吸收電容Cs的計(jì)算公式為: （313）式中: 一引線雜散電感 最大負(fù)載電流 保護(hù)程度 一自流側(cè)母線電壓引線的雜散電感我們以lOcm長(zhǎng)的引線為來(lái)估計(jì)，%，直流側(cè)母線電壓為310V，因此 選取Cs為 /630V的無(wú)感電容。電阻Rs的計(jì)算公式為: 式中為開(kāi)關(guān)頻率，在選定Cs之后，只要滿足 (315)就盡量取小的電阻值因?yàn)镽s越小，Cs對(duì)限制過(guò)電壓就越有利。選取Rs為/10W的繞線電阻。 系統(tǒng)保護(hù)電路