【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 BT 模塊 IPM 等。IGBT 結(jié)合了 BJT 和 MOSFET 的特性所混合以后發(fā)展出來(lái)的一種新元件。特性也就介于其 2 種元件之間，輸入特性有 MOSFET 的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)容易而輸出特性具有電力晶體管的特性，具有耐高壓及放大電流的特性，并且同時(shí)具有低導(dǎo)通電壓降，其切換的速度又大大地提升，在承受短路的能力方面，更加超越了 MOSFET。IGBT 功率應(yīng)用的范圍從幾千瓦(kw)到數(shù)百萬(wàn)千瓦(MW) 。 整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。目前在各種整流電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相橋式全控整流電路，三相橋式全控整流電路每個(gè)時(shí)刻均需 2 個(gè)二極管導(dǎo)通，而且這兩個(gè)二極管一個(gè)是共陰極組，一個(gè)是共陽(yáng)極組，只有它們能同時(shí)導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)電回路。由于整流電路原理比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中不再做詳細(xì)的介紹，其原理如圖 3。2 所示。圖 三相橋式全控整流電路 二極管的 選擇 1）輸出電流的計(jì)算：選擇功率模塊時(shí)，需要考慮到電機(jī)的過(guò)載要求，其中設(shè)定 λm=，IN=89。則功率器件的電流定額為 （31）式中：（~2 ）――表示安全裕量三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7 (2）輸出電壓的計(jì)算：如我們所知，空載時(shí)，輸出電壓平均值最大，為Ud=2。 45U2。隨著負(fù)載加重，輸出電壓平均值減小，至 Irc= 進(jìn)入 Id 連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值 Ud=。可見(jiàn)，Ud 在 2 。34U2~2。45U2。之間變化。而我所設(shè)計(jì)的整流電路中，所給定輸入電壓是國(guó)家電網(wǎng)電壓 220v，頻率固定為 50Hz。所以輸出的電壓： Ud=~=(—)*380=。(3）二極管承受的電壓： 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為 .=*380=931V。 根據(jù) 根據(jù)上述計(jì)算，選取二極管元件 KP600—10，計(jì) 6 只。 濾波電容的選擇取 ，其耐壓 。綜合考慮濾波電容的體積、價(jià)格FC?40?VU93162?和濾波效果，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，在變頻器的濾波環(huán)節(jié)處采用了兩個(gè)濾波電容：2 只2200 、耐壓在 500V 以上的電容器并聯(lián)使用。我這個(gè)設(shè)計(jì)中是用的上海威斯康電氣有限公司的產(chǎn)品。 三相逆變電路的設(shè)計(jì) 在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路，采用 IGBT 作為開(kāi)光器件的電壓型三相橋式逆變電路如下圖 所示。圖 三相電壓型橋式逆變電路 三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8三相電壓型 PWM 逆變電路只要實(shí)現(xiàn)功能就是將直流電壓變換成交流電壓。圖 1 中 U、V、M 三相的 PWM 控制通常公用一個(gè)三角波載波 ，三相調(diào)制信號(hào)cu、 、 一次相差 。U、V、W 各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)rurrW012以 U 相為例。當(dāng) 時(shí)，給上橋臂 以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂 以關(guān)斷信號(hào)，則 Ur?cu1 4V相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)輸出電壓 。2/1dUNu?當(dāng) 時(shí)，給 以導(dǎo)通信號(hào)，給 以關(guān)斷信號(hào)，則 。rU?c4V 2/1dUNu??但 與 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的，當(dāng)給 （ ）加以導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能 （1V4 14V1V）導(dǎo)通，也可能是二極管 續(xù)流導(dǎo)通，這是有阻感負(fù)載中電流方向決)(41D定，這就是三相橋式電路的雙極型調(diào)制特性。由上分析， 的波形是幅值為1UNu的矩形波，V、M 兩相情況跟 U 相類似。所以負(fù)載線電壓 、 、2/dU VUW為Wu負(fù)載相電壓 、 、 為UVuWUu負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓為 )(31)(3111 WNVUNWVNUN uuu ????負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有 ，于是 。0?)(1111 NV?所以 也是矩形波，其頻率為 的 3 倍，幅值為其 ，即 。1Nu1UN/6/d三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9三相逆變輸出的電壓與電流分析類似，負(fù)載參數(shù)已知，以 U 相為例，負(fù)載的阻抗角 不一樣， 的波形形狀和相位都有所不同，在阻感負(fù)載下?Ui時(shí)， 從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中電流不能突變， 先導(dǎo)通3??1V 4VD續(xù)流，待負(fù)載電流降為零， 才開(kāi)始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角 越大， 導(dǎo)通時(shí)間4V?越長(zhǎng)。在 時(shí)， 時(shí)為 導(dǎo)通， 時(shí)為 導(dǎo)通；在 時(shí)，1Nu0??Ui1D0?Ui101?Nu時(shí) 導(dǎo)通， 時(shí)為 導(dǎo)通。Ui4VD 的波形與 形狀相同，相位一次相差 。將三個(gè)橋臂電流相加viwUi 02可得到直流側(cè)電流 。d在上述 導(dǎo)電方式逆變器中，我們采用“先斷后通”的方法來(lái)防止同一018相上下兩橋臂的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電壓短路，使得在通斷信號(hào)之間留有一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。主要參數(shù)計(jì)算及其器件的選擇 大功率開(kāi)關(guān)管 由于 SPWM 正弦脈寬調(diào)制方法的直流利用率為 ，即U1/Ud=0。866。為了使逆變器輸出 380V 的線電壓，要求直流側(cè)的電源電壓： 考慮到大功率的晶體管的管壓降等，取，則大功率晶體管的參數(shù)為。選擇晶體 管模塊 QCA50A—100A 三塊，作為大功率開(kāi)關(guān)管。QCA50A—100A 為兩單元組件，ce 極帶反向續(xù)流二極管，絕緣式結(jié)構(gòu)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10圖 QCA50A—100 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 壓敏電阻的選擇壓敏電阻的額定電 壓：（） 選擇 MY31560/1 型壓敏電阻 3 個(gè)，其額定電壓為 560V，通流容量 1Ka。三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)114 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)框圖圖 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12 硬件系統(tǒng)原理圖該 硬 件 系 統(tǒng) 主 要 包 括 主 電 路 與 控 制 電 路 兩 個(gè) 部 分 ， 其 中 主 電 路 包 括 交 直 交 變 頻 電 路 （ 本 設(shè) 計(jì) 采 用 MC3PHAC） 與 電 動(dòng) 機(jī) ； 控 制 電 路 包 括 AT89C52 主 控制 模 塊 、 SA4825 產(chǎn) 生 SPWM 波 模 塊 、 驅(qū) 動(dòng) 模 塊 以 及 外 圍 設(shè) 備 模 塊 （ 如 鍵 盤 輸 入 、液 晶 顯 示 、 A/D 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 以 及 串 口 等 ） 。 以 CPU 為核心，配以鍵盤、顯示、通訊等設(shè)備，完成對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的速度控制。這里選用了 Atmel 公司的 AT89C52 單片機(jī)，它與 Intel52 系列單片機(jī)完全兼容。其內(nèi)部配置了 8KB 的 Flash Memory，無(wú)須擴(kuò)展外部存貯器。同時(shí)這種 8 位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)與 SA4828 完全兼容，可以直接相連。三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)13給定轉(zhuǎn)速 nO 可以用三種方式設(shè)定：鍵盤、電位器和上位機(jī)。用 8 位 LED 分別顯示給定轉(zhuǎn)速 nO 和實(shí)際轉(zhuǎn)速 n，一目了然。系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、調(diào)速效果、動(dòng)態(tài)響應(yīng)的跟蹤情況都可以傳送到上位機(jī)，以表格或曲線的形式輸出，以便于觀察分析。5 控制電路的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)MC3PHAC 是摩托羅拉(Motorola)公司應(yīng)用先進(jìn)的 CMOS 技術(shù)獨(dú)家生產(chǎn)的三相交流電機(jī)通用變頻單片智能控制器。單機(jī)模式下 MC3PHAC 配置見(jiàn)圖 圖 單機(jī)模式下 MC3PHAC 配置圖三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)14 MC3PHAC 在三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用MC3PHAC 主要應(yīng)用于低成本，小功率三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它可以在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定的運(yùn)行，特別是在家用電器、商用洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、過(guò)程控制以及泵和風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。 MC3PHAC 在三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理如圖 所示，采用交—直—交電壓型逆變調(diào)速方式，主電路中 380V 交流電壓經(jīng)過(guò)由 D1～D6 和電解電容 C1 組成的橋式整流和電容濾波電路后成為給電力晶體管供電的直流電壓，6 個(gè)開(kāi)關(guān)管按照一定規(guī)律通斷。逆變器的交流輸出電壓被鉗位為矩形波，和負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)。交流輸出電流的波形和相位由負(fù)載的性質(zhì)決定。圖中電解電容同時(shí)又作為緩沖負(fù)載無(wú)功功率的儲(chǔ)能元件。三相逆變電路由 6 只具有單向?qū)щ娦缘墓β书_(kāi)關(guān)管組成。每只開(kāi)關(guān)管反并聯(lián) 1 只續(xù)流二極管，為負(fù)載滯后電流提供一條反饋通路。6 只開(kāi)關(guān)管每隔 60176。電角度觸發(fā)導(dǎo)通一次，相鄰兩相的功率開(kāi)關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間互差 120176。，一個(gè)周期換相 6 次，對(duì)應(yīng) 6 個(gè)不同的工作狀態(tài)。控制器提供可調(diào)的 PWM 調(diào)制波，控制開(kāi)關(guān)管的通斷，為異步電機(jī)提供可調(diào)的交流電源，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生的故障，保持系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)15圖 三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)的選取AT89C52 是美國(guó) Intel 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8KB 的可反復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器和 12B 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用 Atmel 公司的可高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS52指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用 8 位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52 單片機(jī)屬于AT89C52 單片機(jī)的增強(qiáng)型，與 Intel 公司的 80C52 在引腳排列、硬件組成、工作特點(diǎn)和指令系統(tǒng)方面兼容。其主要工作特性是。1. 與 MCS52 系列產(chǎn)品指令和引腳完全兼容2. 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)含 8KB 的 Flash 程序存儲(chǔ)器，可擦寫壽命為 1000次3. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)涵 256 字節(jié)的 RAM4. 具有 32 根可編程 I/O 口線5. 具有 3 個(gè)可編程定時(shí)器6. 中斷系統(tǒng)是具有 8 個(gè)中斷源、6 個(gè)中斷矢量。2 個(gè)級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)7. 串行系統(tǒng)是具有一個(gè)全雙工的可編程串行通信口8. 具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR9. 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式10. 具有可編程的 3 級(jí)程序鎖定位三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1611. AT89C52 工作電源電壓為 5（1+0。2）V ，且典型值為 5V12. AT89C52 最高工作頻率為 24MHz。單片機(jī)正常工作時(shí)，最需要有一個(gè)個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)中選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來(lái)構(gòu)成單片機(jī)的最小電路。 AT89C52 單片機(jī)芯片作為主控核心，包括晶振電路部分，中斷、復(fù)位按鈕。如圖圖 AT89C52 單片機(jī)芯片圖 我做的設(shè)計(jì)單片機(jī)主要起著一個(gè)控制的作用，通過(guò)與其相連的鍵盤給定一個(gè)轉(zhuǎn)速，可在屏幕中顯示出來(lái)，與已經(jīng)變頻調(diào)速后的轉(zhuǎn)速相比，從而再進(jìn)行調(diào)節(jié)。 SA4828 芯片產(chǎn)生 SPWM三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)17三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)18SA4828 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖 所示。來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)總線控制和譯碼進(jìn)入初始化寄存器或控制器。他們對(duì)相控邏輯電路進(jìn)行控制。外部時(shí)鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi) ROM中的調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動(dòng)生成 SPWM 輸出脈沖。通過(guò)脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖（如圖 所示），因?yàn)檫@樣的脈沖不起任何作用，只會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的損耗。通過(guò)脈沖延遲電路生成死區(qū)，保證任何橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路?？撮T狗定時(shí)器用來(lái)防止程序跑飛，當(dāng)時(shí)間條件滿足時(shí)快速封鎖輸出。片內(nèi) ROM 存有 3 種可供選擇的波形，它們是純正弦波形、增強(qiáng)型波形和高效型波形。每種波形各有 1536 個(gè)采樣值。增強(qiáng)型波形又稱三次諧波，它可以使輸出功率提高 20%，三相諧波互相抵消，防止電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。高效型波形又稱帶死區(qū)的三次諧波，它是進(jìn)一步優(yōu)化的三次諧波，可以減小逆變開(kāi)關(guān)管的損耗，提高功率利用率。寄存器 AD3AD2AD1AD0 地址三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)19R0000000HR1000101HR2022022HR3001103HR4010004HR5010105HR1411100EHR1511110FH 寄存器列陣包含 8 個(gè) 8 位寄存器 R0～R5 和 R1R15。其中 R0～R5 用來(lái)暫存來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，這些可能是初始化數(shù)據(jù)或者控制數(shù)據(jù)；而 R1R15是兩個(gè)虛擬的寄存器，物理上不存在。當(dāng) R14 寫操作時(shí)，實(shí)際是將 R0～R5 中存放的 48 位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器；而向 R15 寫操作時(shí)，是將 R0～R5 中存放的 48 位數(shù)據(jù)送入控制寄存器。 其他模塊簡(jiǎn)介通過(guò)單片機(jī)與外圍設(shè)備的連接與通信，使得電動(dòng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)更加完善。其中外圍設(shè)備包括串口（與 PC 機(jī)等進(jìn)行通信）、鍵盤輸入以及液晶顯示等。 串口通信單片機(jī)與 PC 機(jī)的通信能夠讓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行相應(yīng)的控制，使控制系統(tǒng)更加智能化、自動(dòng)化。目前，三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)20大部分計(jì)算機(jī)的串口都采用 RS232C 通信接口的 DB9 連接器，如右圖所示。RS232C 規(guī)定的邏輯電平與一般微處理器、單片機(jī)的邏輯電平是不同的。RS232 的邏輯“1”是以3～15V 來(lái)表示的，而單片機(jī)的邏輯 “1”是以+5V 來(lái)表示的，兩者完全不同。因此，單片機(jī)系統(tǒng)要和電腦的 RS232 接口進(jìn)行通信，就必須把單片機(jī)的信號(hào)電平（TTL 電平）轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的 RS232C 電平，或者把計(jì)算機(jī)的 RS232C