【正文】 4．集成穩(wěn)壓器 集成穩(wěn)壓器的輸出電壓應(yīng)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。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(yīng)滿足： (4―8)其額定工作電流應(yīng)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。系統(tǒng)設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源的電氣原理圖如圖31所示。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)。 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。本設(shè)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： ；；；；；；。設(shè)計散熱器時，通常需要用到以下幾個表達式。為了能使IGBT穩(wěn)定可靠工作，必須采取適當?shù)纳岽胧?，加強IGBT過熱檢測保護。其消耗的功率主要包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，其結(jié)果使基板溫度和工作結(jié)溫上升。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）。短路電流流過逆變器的開關(guān)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(qū)動信號輸出，使逆變器停止工作，同時，還應(yīng)使輸入側(cè)電源開關(guān)跳閘。3）緩沖二極管 緩沖二極管過渡時，正向電壓降低，是關(guān)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(fù)時間直接影響到緩沖吸收電路的開關(guān)損耗；因此，應(yīng)選擇過渡電壓低、逆向恢復(fù)時間短、逆向恢復(fù)特性較軟的二極管。2）緩沖電阻 緩沖電阻要求：IGBT關(guān)斷時，上積累電荷的90%能及時釋放掉。3．工作原理（同過壓保護電路） 緩沖吸收回路設(shè)計 1．緩沖電路 通常IGBT的開關(guān)時間約為當IGBT由通態(tài)迅速關(guān)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(guān)斷時的動作波形這個尖峰電壓與直流電壓疊加后，加在關(guān)斷的IGBT的之間。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(qū)動脈沖輸出。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。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。如果采用再生制動方法，則會使變頻主電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，所以，一般采用能耗制動的方法。本設(shè)計主要針對逆變電路和電動機常出現(xiàn)的故障，系統(tǒng)設(shè)置了泵升電壓保護、過（欠）壓保護、過流保護、過熱保護等。使為零，P點為高電平，7555輸出低電平，導(dǎo)通，IGBT門極經(jīng)放電而關(guān)斷。這是由于解調(diào)電路、是由慣性環(huán)節(jié)組成，雖然其時間常數(shù)較小，但仍造成解調(diào)以后信號的上升沿和下降沿速度變慢，經(jīng)整形后，信號的上升沿和下降沿明顯加快。圖20 系統(tǒng)驅(qū)動電路電氣原理圖：1)CD40106和D觸發(fā)器構(gòu)成高頻載波發(fā)生器(4MHZ方波)； 2)：脈沖變壓器； 3)、組成解調(diào)電路； 4)7555組成施密特觸發(fā)器，對信號整形； 5)、組成推挽輸出及實現(xiàn)電壓跟隨、電流放大，驅(qū)動IGBT開通、關(guān)斷。它將邏輯電平的控制電路與可驅(qū)動6個IGBT的高/低側(cè)開關(guān)電路元件相連接，驅(qū)動電路因開關(guān)器件的不同而異。 p2a: in std_logic。 use ieee .。 end pwm_4。 entity pare is port( a, b :in std_logic_vector(9 downto 0)。其實體的VHDL硬件描述語言如下。 end process。 process(sm, dsina) begin if sm=’1’ then y=dsina。 end if。以下是它的進程VHDL語言描述。 int :out std_logic。 use ieee .。此處P為三角波計數(shù)峰值。在設(shè)計中，定義頂層的各個端口類型為獨立的std_logic或std_logic_vector類型。當在之間變化時，輸出脈沖的頻率范圍可達。 圖16 三相死區(qū)時間比較圖17是封鎖信號來到時的六路波形，封鎖信號G為低電平時，六路信號立即被封鎖置零，直到G恢復(fù)為高電平，信號恢復(fù)。即調(diào)制頻率50HZ。圖15是輸入調(diào)制頻率為50HZ時三相六路SPWM波形。所以利用分時電路大大的節(jié)約了門數(shù)，從而使芯片電路規(guī)模變小近2／3。經(jīng)過BOX2的分離，可以看到，三相數(shù)據(jù)被分離開來，并鎖存，直到經(jīng)過一個載波周期，新的數(shù)據(jù)送來。BOX2工作的仿真波形如圖14所示。 圖12 仿真波形其中BOX2框圖的一個部分如圖13所示。BOX1工作原理圖如圖11所示。試驗證明，這種三相分時計算電路穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)簡單。 圖10 三相分時運算電路示意圖 如果每相分別用獨立的電路實現(xiàn)，將多耗費許多邏輯門，并且占用三個正弦表格，這在設(shè)計上是簡單的，但是實際上是非常不合理。結(jié)構(gòu)如圖8內(nèi)部所示。（2）、死區(qū)時間設(shè)置 由圖9知： 2F（DD180。令D1=γD/255每個載波周期由正弦調(diào)幅結(jié)果為：D=neutral+D1 （0＜circle≤750 0180176。當circle= 1500176。當D=neutral時，所以稱neutral為相中心點。CPLD數(shù)字系統(tǒng)工作原理及控制策略 （1）三角波的產(chǎn)生及SPWM的實現(xiàn) 運算所得的數(shù)據(jù)生成PWM波形信號的電路示意圖如圖9所示 圖9中心對稱方式SPWM信號產(chǎn)生方式 芯片輸出的三相六路SPWM波形的產(chǎn)生是通過SPWM調(diào)制方法，芯片內(nèi)部采納了類似Intel公司微控制器SX196MC／ MH的 PWM波形發(fā)生的中心調(diào)制模式。復(fù)位腳低電平有效，當輸入為低時，六路PWM輸出為低電平，所有的內(nèi)部計數(shù)器置零，瞬時基波頻率置零。它作為交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，在影響整個系統(tǒng)的性能方面占有極其重要的地位，它主要是向變頻主電路提供各種控制信號，以使主電路安全、可靠的工作。2. IGBT的耐壓值 IGBT關(guān)斷時的峰值電壓為: （3—21）式中，為安全系數(shù)，150由引起的尖峰電壓。但它熱時間常數(shù)小，承受過載能力差；因此，在實際的應(yīng)用時，應(yīng)從負載最嚴重的情形來選擇功率器件。1. 交流側(cè)過流保護快速熔斷器熔體的額定電流為 (3―18)其中，是與負載的過載倍數(shù)以及整流模塊的安全裕量有關(guān)的系數(shù)，考慮到，取=，所以有 =，故實選熔斷器額定電流為30A。假若要求充電時間，那么 (3―11)故上消耗的功率為： (3―12) 實際上，假若不是經(jīng)常性的沖放電時，的瓦數(shù)可選小一些，以減小設(shè)備的體積。2. 元件選取根據(jù)上式確定的電壓、電流定額，選擇二極管模塊MODMOD2, 型號為：6RI30G120，即（60A,1200V）。由圖4可知，主電路由整流電路和IGBT逆變電路構(gòu)成，它是本系統(tǒng)的功率驅(qū)動單元，由不可控整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)、和逆變環(huán)節(jié)構(gòu)成。為此，在系統(tǒng)電路中設(shè)計了由VE、RE、VDE組成的放電回路，以免過高的直流電壓使各部分器件損壞。 3)為電路中的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。~的器件接受控制電路中的PWM調(diào)制信號的控制，將直流電壓逆變成三相交流電壓。 圖5 可控硅觸發(fā)電路圖中，通過調(diào)節(jié)來設(shè)定基準電壓。為限制該沖擊電流，有必要在整流橋的輸出端和濾波電容器之間串入一個限流電阻?？梢?，中間直流電路的電容除起濾波作用外，還起儲能作用，因而它的電容量必須較大，所以，又稱儲能電容器。2. 整流器件的一般選擇原則1） 最大反向電壓 ，式中是電源線電壓的振幅值 (3―1) 2) 最大整流電流，式中為變頻器的額定電流 (3―2) 3) 整流輸出的平均直流電壓 如果電源的線電壓為，則三相全波整流后平均直流電壓的大小=。對于小功率的，輸入電源多用單相220V，整流電路用單相全波整流橋；對于大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本課題選用的是交直交電壓型PWM變頻主電路，它包括不可控整流電路、濾波電路和三相橋式逆變電路以及能耗制動電路。 本章小結(jié) 本章主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，對系統(tǒng)主電路和控制電路的幾種可能實現(xiàn)的方案進行充分的論證、分析，提出了系統(tǒng)采納的方案以及說明選用該方案的原因，最終，系統(tǒng)主電路選用了交直交電壓型變頻主電路，控制電路利用模擬電路和數(shù)字電路實現(xiàn)，采用的是閉環(huán)控制，這樣，簡化了電路結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計周期。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生原理完全不同于傳統(tǒng)的方法，可以和微機配合使用，僅占用微機很少的時間，也可以做成完全獨立式，不占用微機任何資源。此外,使用CPLD/ FPGA 的控制器可以在不改變主電路的前提下通過重新編程就可以獲得不同的控制方式,從而提高和升級系統(tǒng)的性能。此外,單片機對系統(tǒng)調(diào)節(jié)的實時性差(96系列的機型也不能滿足要求),因此單片機構(gòu)成的系統(tǒng)一般需要外接產(chǎn)生PWM的芯片,單片機主要用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作及輸出顯示。當控制電路設(shè)計完成后,就是一個相對獨立的系統(tǒng),調(diào)節(jié)、控制方式不能再更改,系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)功能差。 圖1 交直交電壓型變頻主電路 逆變功率器件的選擇功率器件應(yīng)根據(jù)設(shè)計的要求和性能指標來選擇，對于變頻調(diào)速系統(tǒng)，一方面要求開關(guān)頻率足夠高，另一方面要求有足夠的輸出容量，對比SCR、GTO、BJT、GTR、IGBT、MOSFET、MCT等幾種常用的新型功率半導(dǎo)體器件，SCR導(dǎo)通容易，但需強迫換流電路使其關(guān)斷；IGBT具有自關(guān)斷能力，且有GTR的大容量和MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)動作快等優(yōu)點，是中小容量最為流行的器件；MCT綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開關(guān)特性，是極具有發(fā)展前景的大功率、高頻開關(guān)器件。而不可控整流的優(yōu)點是對電網(wǎng)的干擾較小，整流得到的直流諧波小，電壓穩(wěn)定，因而輸入功率因數(shù)高；缺點是直流電壓不可控，要想控制輸出電壓值，只有通過后面環(huán)節(jié)（逆變器可以控制電壓大?。?。因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中主電路選擇了電壓源型交直交變頻電路。由于電壓源型變頻電路是作為電壓源向交流電機提供電功率的，因此，其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載功率因數(shù)和換流的影響；缺點是當負載出現(xiàn)短路或過流時，必須采取保護措施。所以，交交變頻電路主要用于轉(zhuǎn)速在600r/min以下的大功率交流調(diào)速裝置中。當正向組工作在整流狀態(tài)，反向組工作在逆變狀態(tài)時，交流電機得到的是正電壓；反之，電機繞組得到的是負電壓。本章將分別對系統(tǒng)主電路和控制電路的幾種可能實現(xiàn)的方案進行充分論證的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)采納的方案以及說明選用該方案的原因。它具有開關(guān)速度快，驅(qū)動電流小，控制驅(qū)動更為簡單，保護功能更為豐富等優(yōu)勢。目前，大功率半導(dǎo)體器件又向集成化智能化方向發(fā)展。 （4）電流跟蹤型PWM法 電力電子技術(shù)變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。其缺點是輸出電壓中除基波外，還含有較大的諧波分量。如在整流電路中，采用自關(guān)斷器件進行PWM控制，可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，并且功率因數(shù)達到1，可望徹底解決對電網(wǎng)的污染問題。 相關(guān)技術(shù)分析 PWM技術(shù) PWM技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù)的核心技術(shù)之一。時的噪聲可降低15——20dB。 小型化緊湊型變流器要