【正文】 因?yàn)?IGBT 集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國(guó)電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓會(huì)有一定的波動(dòng)范圍，這會(huì)導(dǎo)致直流回路過(guò)壓或欠壓，因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路，如圖 所示： 直流電壓保護(hù)信號(hào)取自主回路濾波電。以下將分別介紹各個(gè)保護(hù)裝置。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 34 － 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 13 J un 20 08 S h e e t of F il e : E : \ 畢業(yè)設(shè)計(jì) \ 最終論文 \ pr ot e l \ 主電路 ~ D B D r a w n B y:U 5AU2U4U5U6R 12 R 14 R 16 R 17R 13 R 15+ 5VU 3AO V HO V L P D P I N T A+ 12V+ 12V+ 12V+ 12VF o 1( I P M )F o 2( I P M )F o 3( I P M )F o 4( I P M ) 圖 系統(tǒng)的保護(hù)電路 由于保護(hù)電路屬于系統(tǒng)的弱電控制部分，而故障信號(hào)又是從主電路中取出的，為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定應(yīng)實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，即使兩者之間既保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系。所有的保護(hù)電路的故障信號(hào)輸出相與，所得的信號(hào)送入 DSP 的 /PDPINTA 中斷口，當(dāng) DSP 的/PDPINTA 管腳接收到低電平信號(hào)， DSP 將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運(yùn)行。 系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 雖然在 IPM 模塊中己經(jīng)設(shè)有過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)，但為了提高系統(tǒng)的可靠性及更好的保護(hù) IGBT 管，我們?nèi)皂氃O(shè)置一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止各種故障。每個(gè)保護(hù)都包括過(guò)溫、過(guò)流、欠壓、短路保護(hù)。低速光耦可用于故障輸出端。在 Fo 結(jié)束后自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)輸入有效。 表 控制端電流與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系 單位 mA N 端 P 端 DC 20kHz DC 20kHz 型號(hào) Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. PM10CSJ060 18 25 23 32 7 10 8 12 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 32 － 圖 IPM 接口電路 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 33 － 在 PWM 信號(hào)輸入端必須用高速光耦進(jìn)行隔離，一般取光耦的開(kāi)關(guān)速度 tPLH、tPHL、共模抑比 CMRl0kV/us，通常的型號(hào)有： HCPL4504， TLP559， 6N136，并且在光耦輸出端接一個(gè) 的退耦電容。 (2)控制信號(hào)輸入 控制電路電流 DI 與開(kāi)關(guān)頻率 kf 有關(guān) (見(jiàn)表 )，因此控制端加一個(gè)上拉電阻。 3)制作驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，應(yīng)盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小。若電源電壓低于 ， IGBT 驅(qū)動(dòng)電源電壓不足，這時(shí)控制信號(hào)為無(wú)效操作。 2)驅(qū)動(dòng)電源電壓在 ~ 之間， IPM 能夠正常工作。因此 IPM 驅(qū)動(dòng)電源需要采用四組隔離電源。 以 IPM為功率器件的驅(qū)動(dòng)電路 IPM 逆變驅(qū)動(dòng)接口電路如圖 所示 (上橋臂只以 U 相為例 )。因此，必須全面衡量后再確定采用 IPM 的逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率。 諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開(kāi)關(guān)頻率，而開(kāi)關(guān)頻率則受器件開(kāi)關(guān)時(shí)間的限制。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過(guò)程中，也不時(shí)地需要續(xù)流二極管提供通路。 2)當(dāng)頻率下降、電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流將通過(guò)續(xù)流二極管返回直流回路。 (4)續(xù)流電路 續(xù)流二極管的主要功能有： 1)電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無(wú)功分量。 (2)IPM 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu) IPM 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖 所示，其基本結(jié)構(gòu)為 IGBT 單元組成的三相橋臂； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 28 － 圖 IPM 內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)原理圖 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 29 － 內(nèi)含續(xù)流二極管；內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和報(bào)警輸出電路。 3)IPM 內(nèi)置各種保護(hù)功能。以嚴(yán)密的時(shí)序邏輯監(jiān)控保護(hù)，可防止過(guò)電流、短路、過(guò)熱及欠電壓等故障發(fā)生。同時(shí)飽合壓降和開(kāi)關(guān)速度之間的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿足由控制 IC 給出的保護(hù)范圍。 (1)IPM 的主要特性 1)采用低飽和壓降，高開(kāi)關(guān)速度，內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的 IGBT 功率器件。而智能功率模塊 (IPM)是將大功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在同一個(gè)模塊內(nèi)，是電力集成電路 PIC 的一種。 IGBT 是 80 年代出現(xiàn)的新一代復(fù)合型電力電子器件，它集合了 MOSFET 和GTR 的優(yōu)點(diǎn)，適合于高速、低功耗的場(chǎng)合，如電機(jī)控制，開(kāi)關(guān)電源等。又由于濾波電容上的電壓較高，如電 荷不放完，將對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。 電源指示 發(fā)光二極管 DS1 除了表示電源是否接通以外，還有一個(gè)十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢?？紤]到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應(yīng)該在 200V 以上，所以有： FUUnf PCpkO U Tm ?47)202111( 602)( 2 222m i n2??? ???? () 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 27 － 濾波電容理論上講越大越好，實(shí)際中考慮價(jià)格我們選擇 4 個(gè) 450 伏 330μ F 的電解電容，分別兩個(gè)并聯(lián)后再 2 個(gè)串聯(lián)，最后等效為一個(gè)耐壓 900 伏 330μ F 的電容。 在沒(méi)有加入濾波電容 時(shí)，單相整流橋輸出平均直流電壓為： )(2972202323 VUU ND ???? ?? () 加上濾波電容后， Un 的最高電壓可達(dá)交流線電壓的峰值： )(3 1 12 2 022m VUU ND ???? () 假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍為 200V~240V，當(dāng)輸入電壓對(duì)應(yīng) 240V 的輸入，整流后的電壓為 324V。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去禍作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無(wú)功功率。 濾波電路 在整流電路中輸出電壓是脈動(dòng)的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈 動(dòng)，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個(gè)低通濾波電路。整流二極管的 電壓定額： Un= )3~2( Um = 2202)3~2( ?? = )(933~622 V () 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 26 － 選用 Un=1000V。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。 (被控電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：△聯(lián)接，額定功率為 PN=60W，額定電壓 UN=220V，額定電流 IN=，額定頻率 fN=50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1400r/min。發(fā)光二極管 DS1 用來(lái)顯示濾波電容兩端的電量。由于功率器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來(lái)消除該尖峰。主電路采用典型的交－直－交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級(jí)采用單相橋式不可控整流電路 RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容 (由 C1 到 C4 電容組成 )濾波，獲得平滑的直流電壓。最小系統(tǒng)由DSP 本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù) SRAM、程序 SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口 JTAG 電路組成，仿真 接口 JTAG 電路是為了實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時(shí)在調(diào)試過(guò)程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼；頻率輸入電路可以設(shè)置系統(tǒng)要輸出的 SPWM 波的頻率；光耦隔離電路是為了把 DSP 輸出的弱電信號(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行可靠隔離。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入 DSP(TMS320LF2407A)的 PDPINTA 故障中斷入口，進(jìn)而封鎖 DSP 的 PWM 波輸出。 系統(tǒng)保護(hù)電路包括過(guò)壓、欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、 IPM 故障保護(hù)與泵升控制等。其工作原理是把單相交流電壓通過(guò)不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷?，整流后的脈北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 24 － 動(dòng)電壓再經(jīng)過(guò)大電容 C1， C2 平滑后成為穩(wěn)定的直流電壓。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 23 － 3 通用變頻器的硬件電路設(shè)計(jì) 通用變頻器的總體設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以 TI 公司的 TMS320LF2407A 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(jì)圖如圖 所示。分段同步調(diào)制是指在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級(jí)的增加，這樣 就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，逆變器輸出電壓的波形其相位也會(huì)發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對(duì)稱關(guān)系，因此會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的工作不穩(wěn)定。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 22 － (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制方式是指在整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比都是變化的。而且，此時(shí)載波的邊頻帶靠近信號(hào)波，容易干擾基波頻域。由于波形的左右對(duì)稱，這就不會(huì)出現(xiàn)偶次諧波問(wèn)題。處，載波的正負(fù)半周恰好分布在 180176。相位角，通常取載波頻率為 3 的整數(shù)倍。 (1)同步調(diào)制 在改變正弦信號(hào)周期的同時(shí)成比例地改變載波周期，使載波周期與信號(hào)頻率的比值保持不變。在一個(gè)調(diào)制信號(hào)周期內(nèi)所包含的三角載波的個(gè)數(shù)稱為載波頻率比。但是，提高載波的頻率要受逆變開(kāi)關(guān)管的最高開(kāi)關(guān)頻率限制，而且也形成對(duì)周圍電路的干擾源。因此希望提高載波頻率來(lái)減小諧波。顯然，它僅僅是通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組濾波后的近似正弦波。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 19 － 圖 雙極性 SPWM 逆變器三相輸出波形 綜上所述，雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，而流過(guò)負(fù)載 Z 的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流，如圖 所示： 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 20 － V1V2Z 圖 雙極性調(diào)制工作特點(diǎn) SPWM的調(diào)制方式 SPWM 波畢竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次諧波的成分，因此盡量采取措施減少它。 UAB的脈沖幅值為 +U 和－ U。同理，圖 (c)的 UB是由 V3和 V4 交替導(dǎo)通得到的，圖 (d)的 UC 是由 V5和 V6 交替導(dǎo)通得到的。當(dāng) A 相調(diào)制波 uAut 時(shí)， V1 導(dǎo)通， V2 關(guān)斷，使負(fù)載上的相電壓為 UA=+U/2(假設(shè)交流電機(jī)定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點(diǎn) 0 與整流器輸出端濾波電容器的中點(diǎn) 0 相連，那么當(dāng)逆變器任一相導(dǎo)通時(shí)在電機(jī)繞組上所獲得的相電壓為 U/2，見(jiàn)圖 (b)；當(dāng) uAut時(shí)， V1關(guān)斷而 V2導(dǎo)通，則 UA=－ U/2。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 18 － V1V2Z 圖 單極性調(diào)制工作特點(diǎn) 雙極性 SPWM控制技術(shù) 雙極性調(diào)制技術(shù)與單極性相同，只是功率開(kāi)關(guān)器件通斷情況不一樣。 u0ttu0S P W M 波調(diào) 制 波載 波( A )( B ) 圖 單極性脈寬調(diào)制波的形成 (A)調(diào)制波和載波 (B)單極性 SPWM 波形 單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷的工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工作情況正好相反。只要正弦調(diào)制波的最大值低于三角載波的幅值，由圖 (A)的調(diào)制結(jié)果必然形成圖 (B)所示的等幅不等寬而且兩側(cè)窄中間寬的 SPWM 脈寬調(diào)制波形。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 16 － ω tω tuu00( a )( b ) 圖 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 + 10 1+ 1 10 圖 SPWM 控制的基本原理圖 單極性 SPWM控制技術(shù) 采用單極性控制時(shí)在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)每相只有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通或關(guān)斷，例如A 相的 V1 反復(fù)通斷，如圖 所示。 SPWM 波形如圖 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(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖 所示，其相交的時(shí)刻 (即交點(diǎn) )作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻。如果把一個(gè)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(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 15 － U1f1fN0U1U1 N恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 速恒 功 率 調(diào) 速φmφm 圖 交流 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性 正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)控制理論