【正文】 ΔU Ud 圖21 泵升電壓現(xiàn)象2． 泵升電壓保護電路如上所述，發(fā)生泵升電壓是電動機制動過程中不可避免的現(xiàn)象，如果不對此電壓進行限制，將會造成IGBT的永久性損壞，為此，需要在主電路中并聯(lián)制動電路起保護作用。如果采用再生制動方法，則會使變頻主電路結構和控制系統(tǒng)復雜，所以，一般采用能耗制動的方法。本課題選用由、組成的制動電路，圖22是泵升電壓保護電路的電氣原理圖。其工作原理為：比較器LM311同相端接P點的電壓檢測信號，反向端接電位器。是用來取泵生電壓保護動作的基準電壓。電容的作用防止干擾信號引起的誤動作；、是泵生電壓的放電支路。當檢測到主回路P電壓高出額定值的15%時， 圖22 泵升電壓保護電路比較器LM311輸出一個高電平，使導通，從而將逆變器部分回饋能量轉化為熱能釋放掉，即消耗在電阻上，這樣電機就可以在四象限運行，而不會損壞逆變器橋臂上的開關器件IGBT。3． 滯環(huán)比較器(LM311)的選擇 Ud 0 U1 U2 Uc 圖23 泵升環(huán)寬上下限 在泵升電壓限制電路中，滯環(huán)比較器的上下限的決定是十分重要的，如圖23所示。滯環(huán)的作用是保證開關管的開關頻率在允許的范圍內(nèi)。滯環(huán)的選擇原則是：（即泵升電壓限制在115% Ud，亦即618V）；下限U1 整定值略高于電網(wǎng)允許向上波動的最大值（即為10%），因為電壓波動屬于正?，F(xiàn)象，不能誤認為是泵升。 過（欠）壓保護回路設計a 過壓保護電路 1. 產(chǎn)生原因及危害1) 電網(wǎng)輸入電壓長時間過高；2）減速過快，引起泵升電壓過高，當超過IGBT的安全工作電壓時就可能造成開關器件的損壞；3）我國電網(wǎng)電壓的線性度較差，在重負載時，線電壓通常小于380V，而在用電低谷期時，線電壓高達440V,如此大的電壓變化范圍，會導致直流回路過電壓，同樣會損壞IGBT。 2. 過壓保護回路 設計的過壓保護電氣原理圖如下圖 圖24 過（欠）壓電路原理圖直流電壓保護信號取自主回路濾波電容器兩端，經(jīng)電容器分壓后獲得，為防止高壓信號進入控制電路，采用光電耦合電路，直流電壓保護動作限定在670V以上。 正常情況下，采樣電壓小于給定電壓，比較器輸出低電平，經(jīng)反向器CD4090輸出高電平，指示燈不亮。當故障發(fā)生時，采樣電壓經(jīng)與非門CD4090輸出低電平，過壓指示燈LED1亮，同時，過壓信號經(jīng)與非門74HC30輸出信號SET，送至鎖存器74HB66封鎖驅動脈沖輸出。 b欠壓保護電路 從IGBT的特性可知，當電源電壓低時，會因其驅動功率不足而造成元件的損壞；同時逆變器直流側大電容兩端出現(xiàn)欠壓時，也應立即關閉逆變器，否則也會導致IGBT器件永久性損壞，不能保證交流電動機永久性工作。1．欠壓產(chǎn)生原因1) 輸入交流電壓長期低于標準值的70%以下，或發(fā)生缺相、斷相；2) 電容不足或電容損壞。2．欠壓保護電路 欠壓檢測采用中間直流采樣，即在大電容兩端P、N兩點采樣，這樣既能在真正欠壓缺相時，檢測出信號，進行保護，又不至于因短時間欠壓并未構成危險時而保護誤動作，提高了高頻電路的抗干擾能力和運轉可靠性。3．工作原理（同過壓保護電路） 緩沖吸收回路設計 1．緩沖電路 通常IGBT的開關時間約為當IGBT由通態(tài)迅速關斷時，有很大的產(chǎn)生，在主回路的布線電感上引起較大的尖峰電壓，如下圖所示 圖25 IGBT關斷時的動作波形這個尖峰電壓與直流電壓疊加后，加在關斷的IGBT的之間。如果峰值電壓很大，可能使疊加后的超出反向安全工作區(qū)，或者由于過大，而引起誤導通，兩者都有損于IGBT；為此，在IGBT上加入緩沖電路。本設計中采用的是沖放電型RCD緩沖電路，其電路圖如下所示 圖26 IGBT緩沖電路原理圖1）吸收電容吸收電容可采用下面公式計算 (4―1)式中，； （額定值）；；(交流220V電網(wǎng))或800V(交流380V電網(wǎng))。將上述數(shù)據(jù)代入公式，計算出電容=；所以可以選擇的無感電容。2）緩沖電阻 緩沖電阻要求：IGBT關斷時，上積累電荷的90%能及時釋放掉。不宜過大，如太大，放電時間過長，電不能完全放掉；但太小，在器件導通時，放電電流過大、過快，可能危及器件的安全，也可能引起振蕩，IGBT導通時，電流增加。一般電流選擇下面公式 (4―2)緩沖電阻產(chǎn)生的功耗與阻值無關，可由下式確定： (4―3)式中，系數(shù)10是電阻瓦特數(shù)的裕度系數(shù)，以防止溫度過高；是開關頻率。將數(shù)據(jù)代入上述公式，可選電阻為。3）緩沖二極管 緩沖二極管過渡時，正向電壓降低，是關斷時尖峰電壓產(chǎn)生的主要原因之一；另外，緩沖二極管逆向恢復時間直接影響到緩沖吸收電路的開關損耗；因此，應選擇過渡電壓低、逆向恢復時間短、逆向恢復特性較軟的二極管。根據(jù)此要求，本設計中選擇的緩沖二極管型號為MUR8100 。 過流保護回路設計1．產(chǎn)生原因及危害過流保護不僅直接關系到IGBT器件本身的工作特性和運行安全，而且影響到整個系統(tǒng)的性能和安全。它包括短路和過流保護兩種，控制回路誤動作或誤配線等都會造成逆變器上、下橋臂直通等短路事故。短路電流流過逆變器的開關器件，會使元件燒壞，因此，必須在很短的時間內(nèi)（1~2）封鎖PWM驅動信號輸出，使逆變器停止工作，同時，還應使輸入側電源開關跳閘。短路電流的整定值一般為逆變器輸出額定電流的200%~300%，超過逆變器額定電流200%以上的電流應立即采取保護措施。當逆變器內(nèi)部發(fā)生短路時，電流變化非常大，因此必須快速檢測出過流信號。一般采用霍爾元件快速檢測電流，其檢測點可設置在中間直流母線、逆變器輸出電路或IGBT開關器件上。2. 過流保護電路過流保護電路原理如圖27所示，過流信號來自霍爾元件對逆變器三個橋臂上IGBT元件上電流的采樣（采樣時間為）。3. 工作原理當在某一橋臂上發(fā)生過流時，比較器LM319()輸出高電平，經(jīng)反向器CD4049()輸出低電平，指示燈LED3亮，顯示故障，經(jīng)與非門74HC30輸出高電平，關閉驅動電路，同時繼電器動作，斷電。中間繼電器的觸點可連接在電源側，使主電源掉閘關斷，切斷后面裝置和主電源的聯(lián)系，從而起到保護電路的目的。a IGBT散熱及過熱保護要求 當逆變器輸出電流供給交流電動機工作時，功率開關器件IGBT本身也要消耗功率。其消耗的功率主要包括通態(tài)損耗和開關損耗，其結果使基板溫度和工作結溫上升。圖28為IGBT耗散功率P與模塊基板溫度的關系曲線；圖29為IGBT集電極電流與模塊基板溫度的關系曲線?？梢钥闯鲭S著IGBT基板溫度的上升，IGBT的耗散功率和集電極電流急劇下降。因此其最高基板溫度不能超過，否則工作結溫會超過，造成管子的過熱燒壞。為了能使IGBT穩(wěn)定可靠工作，必須采取適當?shù)纳岽胧訌奍GBT過熱檢測保護。圖27 過流保護電路電氣原理圖 圖28 IGBT耗散功率與基板溫度曲線 圖29 IGBT集電極電流與基板溫度曲線b散熱器設計IGBT滿負荷工作時，將產(chǎn)生較高的功率損耗密度。散熱器設計要求將IGBT功耗轉化為熱量迅速而可靠地從基板傳送到散熱器上散掉，確保IGBT的最高工作結溫不超過最高允許溫度150。散熱能力越強，器件所承受的功率就越大，而器件的散熱能力取決于它的熱傳導特性。設計散熱器時，通常需要用到以下幾個表達式。 (4―4)式中：Q——總熱阻；——基板結溫與環(huán)境溫度之差；P——器件的功耗。外加散熱器后，總熱阻Q包括以下幾個部分：Q= (4―5)式中：——結到基板的熱阻； ——基板到散熱器界面的熱阻； ——散熱器到周圍空氣的熱阻。器件所允許的功耗為： (4―6)式中：——器件的結溫； ——周圍環(huán)境溫度。本設計中選用的是IR公司生產(chǎn)的IGBT,型號為IRLDT150M12，模塊單管封裝形式，其主要參數(shù)數(shù)據(jù)如下： ；；；；；；。由于IGBT開關時間短，驅動電流小，故開關損耗和驅動損耗可忽略不計，另外，斷態(tài)損耗也可忽略不計，所以，IGBT的功耗主要由通態(tài)損耗來確定，即 溫差為： (4―7)故總熱阻為： = 忽略則散熱器熱阻= 所以，可選散熱器型號為：RK04A風冷板型熱管散熱器，熱阻為：。c 過熱檢測電路設計 散熱器的設計是保證IGBT在正常情況下可靠工作的關鍵，但如果周圍環(huán)境極度惡劣或IGBT功耗較大時，會引起散熱器溫度升高，同樣會造成IGBT過熱損壞。為防止正常情況下不燒壞IGBT器件，需要在控制電路中加入過熱保檢測護電路，其電氣原理如下圖所示。 圖30 過熱檢測保護電路電氣原理圖 2. 工作原理 把溫度系數(shù)為正的熱敏電阻作為檢測元件，將其安裝在IGBT器件與散熱器之間。隨著IGBT器件與散熱器溫度升高，熱敏電阻阻值增大，A點的電壓逐漸升高，而與電壓比較器反向端B點上的電壓固定為+5V；當IGBT或散熱器溫度高于某一預定值（對于IGBT結溫允許設定值）時，A電位高于B點電位，電壓比較器輸出呈高阻狀態(tài)，因此，E點為高電平，T管導通，發(fā)光二極管的過載指示燈亮，同時，F(xiàn)點也為高電平，而IGBT的驅動封鎖信號高電平有效，從而封鎖驅動信號，使IGBT關斷；反之，當IGBT或散熱器溫度低于某一預定值時，A點電位低于B點電位，T管不導通，發(fā)光二極管的過載指示燈不亮，F(xiàn)點為低電平，IGBT正常工作。 系統(tǒng)所需直流電源設計系統(tǒng)的直流電源是為控制電路中給定信號、各種集成芯片提供工作電壓。本設計中用到的有()、(1A)、 (1A)三種直流穩(wěn)壓工作電源。直流穩(wěn)壓電源可以利用三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器來實現(xiàn)。它有兩個系列，其中系列輸出正電壓，系列輸出負電壓。使用穩(wěn)壓器時，為保證穩(wěn)壓性能，輸入與輸出間電位差應為2~3V。該直流電源主要由電源變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路、和系列集成穩(wěn)壓器以及保護電路環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)設計的直流穩(wěn)壓電源的電氣原理圖如圖31所示。1. 電源變壓器通常根據(jù)變壓器副邊輸出功率來選購（或自繞）變壓器。對于容性負載，變壓器副邊的輸出電壓與穩(wěn)壓器輸出電壓的關系為：，在此范圍內(nèi)，越大，穩(wěn)壓器的壓差越大，功耗也就越大。一般取副邊電壓，副邊輸出電流的有效值。表1 與間的一般取值（V） （V）圖31 系統(tǒng)直流電源電氣原理圖2. 整流二極管整流二極管的反向擊穿電壓應滿足： (4―8)其額定工作電流應滿足： (4―9)所以，對直流電源， 二極管的耐壓值，考慮到一定的裕量，實選電壓30V，； 對直流電源，二極管耐壓值，1A，考慮到一定的裕量，實選電壓25V，； 對直流電源，二極管耐壓值，1A，考慮到一定的裕量，實選電壓15V。3．濾波電容器 對于濾波電容器的選擇，一般需要考慮以下幾點：1）整流二極管的壓降；2）和最小允許壓降；3）電網(wǎng)波動的10%。 綜上考慮，濾波電容器C的選擇可由下式估算： (4―10)式中，——穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值； ——電容C放電時間常數(shù)，=T/2=； ——電容C放電電流；可取，濾波電容C的耐壓值應大于。所以，對直流電源，穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為 按近似電流放電計算，并設（通角），則 ，故取濾波電容； 對直流電源，穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為按近似電流放電計算，并設（通角），則，故取濾波電容； 對直流電源，穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為按近似電流放電計算，并設（通角），則，故取濾波電容。4．集成穩(wěn)壓器 集成穩(wěn)壓器的輸出電壓應與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小及范圍相同，穩(wěn)壓器的最大允許電流，穩(wěn)壓器的輸入電壓的范圍為： ++ (4―11)式中，——穩(wěn)壓器最大輸出電壓； ——穩(wěn)壓器最小輸出電壓； ——穩(wěn)壓器的最小輸入、輸出壓差； ——穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出壓差。 本章小結本章對控制電路進行了具體的分析、設計，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：1．泵升電壓保護回路設計2．過（欠）壓保護回路設計3．緩沖吸收回路設計4．過流保護回路設計5．過熱保護回路設計6．驅動電路設計7．觸發(fā)