【文章內(nèi)容簡介】 坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。日前市場銷售的通用變頻器的控制多半為比恒定控制，它的應(yīng)用比較廣泛，特別是在風(fēng)機，泵及土木機械等方面應(yīng)用較多，比恒定控制的突出優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。從以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變動較小的場合。由于控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電機，所以這種控制方法通用性強、經(jīng)濟性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。由此，在本設(shè)計中采用控制。3變頻器主電路設(shè)計 主電路的工作原理變頻調(diào)速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交直交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。，這也是變頻器常用的格式[4]。 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路 主電路各部分的設(shè)計選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電壓為==380V=513V。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現(xiàn)的，在電動機減速過程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本省過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉這部分能量。，當(dāng)直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。選用逆變開關(guān)管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱悖怯捎陔妱訖C線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另外，當(dāng)電動機制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來保護逆變管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當(dāng)逆變管關(guān)斷時，迅速上升，迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。當(dāng)逆變管開通時，迅速下降，迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流的增長率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻，限制電容的放電電流。可是當(dāng)逆變管關(guān)斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。因本次設(shè)計所選用的電動機為中容量型，在此選用此種緩沖電路。 采用EXB840的IGBT驅(qū)動電路[8]。其中ERA3410是快速恢復(fù)二極管。IGBT的柵極驅(qū)動連線應(yīng)該用雙絞線,長度應(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)動電路4 控制回路設(shè)計控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務(wù)是完成對逆變器開關(guān)元件的開關(guān)控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設(shè)計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點是它采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點來完成許多模擬量難以實現(xiàn)的功能。設(shè)計控制電路如下： 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。主電路逆變電路設(shè)計中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅(qū)動電路。以下將介紹SPWM技術(shù)工作原理和設(shè)計中所選用能產(chǎn)生SPWM波芯片SA4828的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 保護電路保護電路的主要功能是對檢測電路得到的各種信號進行運算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測到異常時，進行各種必要的處理[12]。 過、欠壓保護電路設(shè)計過壓、欠壓保護是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)值時考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動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)輸入電源電壓過高，將使直流側(cè)電壓過高。過高的直流電壓對IGBT的安全構(gòu)成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當(dāng)輸入電壓過低時，雖不會對主回路元件構(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。因此有必要對系統(tǒng)的電壓進行保護。圖 。 過電壓保護電路它直接對直流側(cè)電壓進行檢測。其中電壓信號的取樣是通過電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動作。過壓設(shè)定值從電位器上取出。運放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護信號。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號在給定點附近波動時比較器抖動，這里將過壓保護的動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時間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時停電或瞬時電壓降低。欠電壓導(dǎo)致逆變器開關(guān)器件驅(qū)動功率不足而燒壞開關(guān)器件。一般欠壓信號從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過電壓時檢測出信號進行保護，又不會因為短時間因為在欠電壓，過電壓并未構(gòu)成危險時而保護誤動作。欠壓保護電路的原理與過壓保護電路類似。其電壓取樣與過壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由上取出。運放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(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(欠壓情況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護信號。其電路下圖所示。動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)運行前，變頻器本身可以對過載、過壓、欠壓保護電路進行診斷，檢測其保護電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機控制發(fā)出各種等效故障信號，檢測對應(yīng)的保護電路是否動作，若動作則說明保護電路正常，反之說明保護電路本身有故障，應(yīng)停機對保護電路進行檢查，直到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過程如下：，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，有電流流過三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓保護電路。因SA4828的SET TRIP端為高電平有效,所以應(yīng)加上一個反相器,使其反相后輸出高電平。[13]： 故障自診斷電路 過流保護設(shè)計變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等情況下，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，所以過流之前必須使IGBT關(guān)斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動模塊EXB840中已經(jīng)有過流保護，但考慮到過大時IGBT還未來得及關(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)磁場補償式電流傳感器來進行電流的檢測。在此傳感器的輸出端串電阻R，則R上的壓降反應(yīng)了被測的電流。過流發(fā)生時，R上的壓降大于過流保護動作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅(qū)動電路的輸入信號，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)實現(xiàn)過流保護的功能。： 過流保護電路 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)單片機在整個控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測到參數(shù)的計算、存儲和傳送，再到人機接口的實現(xiàn)，都是單片機在其中穿針引線，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整個控制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設(shè)計中選用單片機課程學(xué)習(xí)到的Intel公司的8051單片機。8051是高性能的單片機，因受到引腳數(shù)目的限制，它屬