【文章內(nèi)容簡介】 一階慣性環(huán)節(jié)（RL電路）上，其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖32所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。圖211 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形(SPWM)控制理論我們期望變頻器輸出的電壓波形是純粹的正弦波形，但就目前的技術(shù)，還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標(biāo)準(zhǔn)的可變頻變壓的逆變器。目前很容易實現(xiàn)的一種方法是：逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合。這樣，有n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效，稱為SPWM波形。SPWM波形如圖212所示：產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波SPWM的原理是：用一組等腰三角形波與一個正弦波進(jìn)行比較，如圖213所示，其相交的時刻(即交點)作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時刻。正弦波大于三角波時，使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)正弦波小于三角載波時，使相應(yīng)的開關(guān)器件截止。圖212與正弦波等效的等幅脈沖序列波圖213 SPWM控制的基本原理圖PWM的產(chǎn)生方法包括計算法和調(diào)制法。計算法是根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。它的缺點是繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。調(diào)制法是將輸出波形作調(diào)制信號，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。載波比是載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，即N= fc / fr。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。（1）異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比N是變化的。在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱的不利影響都較小，當(dāng)fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。因此，在采用異步調(diào)制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。（2）同步調(diào)制同步調(diào)制中N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步?；就秸{(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相，公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。當(dāng)N=9時的同步調(diào)制三相PWM波形如圖610所示。fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。為了克服上述缺點，可以采用分段同步調(diào)制的方法。（3）分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制是把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高，在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。3 刮板輸送機變頻軟啟動的的硬件設(shè)計刮板輸送機變頻軟啟動的的硬件設(shè)計包括主電路，鍵盤顯示電路，IGBT驅(qū)動電路，保護(hù)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)，整流電路采用三相不可控整流電路，鍵盤和顯示電路采用的是8279控制的集成模塊，保護(hù)電路包括過壓欠壓保護(hù)，電流檢測與保護(hù)，IGBT的過熱保護(hù)。整 流電 路逆變 電 路M80C196MC電壓保護(hù)IGBT驅(qū)動電路電流保護(hù)電 路光碼盤測速鍵盤與顯 示本文設(shè)計的系統(tǒng)以80C196MC為控制核心，由主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路組成，其總體設(shè)計圖如圖31所示。31刮板輸送機變頻軟啟動設(shè)計硬件框圖主電路原理圖如圖32所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路組成。、 圖32 主電路主電路逆變部分選用IGBT作為功率器件。IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位 系統(tǒng)中設(shè)置了直流電壓過壓、欠壓保護(hù)電路。因為IGBT集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓會有一定的波動范圍，這會導(dǎo)致直流回路過壓或欠壓，因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過壓、欠壓保護(hù)電路，如如圖33所示。直流電壓保護(hù)信號取自主回路濾波電容器兩端，經(jīng)電阻R2，R4分壓和光耦隔離后送入控制電路。光電耦合器是用來抑制輸入信號的共模干擾。利用光電耦合器把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信號源隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。被測信號通過光電耦合獲得通路，而共模干擾由于不能形成回路而得到有效抑制。注意在這里的隔離光耦是工作在線性工作區(qū)內(nèi)。工作原理：在過(欠)壓保護(hù)中，當(dāng)采樣電壓高(低)于保護(hù)參考點V2(V1)，則OVH(OVL)輸出低電平，與其它故障信號相與后送入單片機中斷口，當(dāng)單片機管腳接收到低電平信號，將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖PWM輸出及停止運行造成過電壓的原因由：（1）電源過電壓。(2)降速時因為反饋能量來不及釋放而形成的再生過電壓。(3)電路中存在繞組電感和線路分布電感，所以在每個脈沖的上升和下降過程中，可能產(chǎn)生峰值很大的脈沖電壓。這個脈沖電壓疊加到直流電壓上后就會形成具有破壞作用的脈沖高壓。一般在電路中采用壓敏電阻和阻容吸收電路保護(hù)。造成欠電壓的原因有： (1 )電源電壓過低或者電源缺相。 (2 )整流器件損壞，導(dǎo)致整流后電壓下降。 (3 )限流電阻由于某種原因長時間的接入電路，導(dǎo)致直流電壓下降。圖33過壓欠壓保護(hù)電路原理圖工作中的過電流拖動系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)過電流，大致有以下幾種情形:（1）電動機遇到?jīng)_擊負(fù)載，或者傳動機構(gòu)被“卡住”，引起電動機電流的突然增加。（2）變頻器的輸出側(cè)短路，如輸出端到電動機之間的聯(lián)接線短路，或者電動機內(nèi)部發(fā)生短路等。（3）逆變器中同一橋臂的上下兩個逆變器件在不斷交替導(dǎo)通的過程中，由于環(huán)境溫度過高，或者逆變器本身老化等原因，參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致同橋臂的“直通”，使得直流電壓的正負(fù)極之間處于短路狀態(tài)。(4) 升速中的過電流當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而升速時間設(shè)定的太短時，由于同步速上升很快，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速卻因為慣性大跟不上去，導(dǎo)致電動機過電流。(5) 降速中的過電流當(dāng)負(fù)載慣性較大，降速時間設(shè)定太知時，也會引起過電流。這是因為同步轉(zhuǎn)速下降快，而轉(zhuǎn)子由于負(fù)載的大慣性，轉(zhuǎn)速不能很快降下來，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線速度太大而過電流。刮板輸送機變頻軟啟動的整個起動過程中都需要對起動電流進(jìn)行實時檢測：一方面將電流值送入控制器CPU中進(jìn)行數(shù)值計算，完成電機起動；另一方面與過流設(shè)定值進(jìn)行比較，實現(xiàn)過流故障的及時保護(hù)。本設(shè)計的電流檢測電路如圖34所示。 圖34 電流檢測電路 電流檢測電路主要由萊姆(LEM)電流傳感器和LM324組成。電流檢測就是把異步電動機的三相定子電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，以方便CPU處理。本系統(tǒng)采用北京萊姆公司生產(chǎn)的LEM電流傳感器來檢測電流,傳感器的型號為LTSR。因為異步電動機三相定子電流滿足三相之和為0，因此測其中兩路電流，就可以得到三相電流。相對于采樣電阻法，應(yīng)用電流傳感器可以提高測量精度。LM324系列運算放大器每封裝內(nèi)含4個獨立的運算放大器，而且具有差動輸入功能。 IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的脈沖放大到足以驅(qū)動功率晶體管，所以單從原理上來講，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大器。但其重要性在于功率晶體管的開關(guān)特性與驅(qū)動電路的性能密切相關(guān)，同樣的功率開關(guān)，采用不同的驅(qū)動電路將得到不同的開關(guān)特性，設(shè)計優(yōu)良的驅(qū)動電路能改善功率晶體管的開關(guān)特性，從而減小開關(guān)損耗，提高整個系統(tǒng)的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驅(qū)動電路的優(yōu)劣直接影響變換器的性能。絕緣柵控雙極型晶體管IGBT因具有輸入阻抗高、驅(qū)動電流小、輸出壓降低、工作頻率高、兼有巨型晶體管GTR和場效應(yīng)晶體管MOSFET的優(yōu)點。而揚棄了他們的缺點，所以倍受電力電子行業(yè)的青睞，在國內(nèi)外獲得了極為廣泛的應(yīng)用，IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵問題是其驅(qū)動電路和保護(hù)電路的合理設(shè)計，驅(qū)動電路設(shè)計不好，常會造成IGBT工作中，要么在放大區(qū)而短時承受很大的功耗而二次擊穿，要么使IGBT關(guān)斷不迅速，而與其他IGBT換流時產(chǎn)生換流失敗，造成直流側(cè)電源短路而嚴(yán)重?fù)p壞。為解決IGBT的可靠驅(qū)動問題，世界上各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)都開發(fā)出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的配套IGBT驅(qū)動集成電路或模塊，如日本富士公司的EXB84EXB8EXB85EXB850；本設(shè)計選用的是用EXB841驅(qū)動IGBT IGBT對驅(qū)動電路的要求IGBT對驅(qū)動電路的要求如下：（1）觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要陡峭；（2）柵極串連電阻Rg要恰當(dāng)。Rg過小，關(guān)斷時間過短，關(guān)斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高；Rg過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大； （3）柵射電壓要適當(dāng)。增大柵射正偏壓對減小開通損耗和導(dǎo)通損耗有利，但也會使管子承受短路電流的時間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此，正偏壓要適當(dāng)，通常為+15V。為了保證在CE間出現(xiàn)dv/dt噪聲時可靠關(guān)斷，關(guān)斷時必須在柵極施加負(fù)偏壓，以防止受到干擾時誤開通和加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗； （4）當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動