【正文】 K：時鐘信號輸入端。SET TRIP：通過該引腳，可以快速關斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖[11]。 SPWM波生成芯片特點和引腳功能全數字控制，兼容Intel等多系列單片機，輸入調制波頻率范圍0～4kHz，16位調速分辯率，載波頻率最高可達24kHz，內部ROM 固化3種可選波形，最小脈寬和延時時間可調，可單獨調整各相輸出以適應不平衡負載，具備看門狗定時器功能等。在本設計中選用SA4828。若用單片機直接產生SPWM信號，由于需要通過計算確定正弦脈寬調制波的寬度，使SPWM信號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應都較慢。[10]： SPWM波生成方法采用模擬電路的優(yōu)點是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時間很短，幾乎瞬間完成。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達30KHz，用IGBT作為逆變開關管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調制波更接近正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM調制波中諧波分量的有效方法。當調制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調制波的幅值小于載波的幅值時，開關器件關斷。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最??；當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調制方式稱為正弦波脈寬調制[9]。脈寬調制指的是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。若采用等脈寬PWM調制技術實現變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴重的高次諧波，會危害電動機的正常運行。實際工程中目前主要采用的PWM技術是正弦PWM(SPWM)，這是因為變頻器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。由于場控自關斷器件的不斷涌現。脈寬調制技術在逆變器中的應用，對現代電力電子技術、現代調速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進作用。以下將介紹SPWM技術工作原理和設計中所選用能產生SPWM波芯片SA4828的基本結構和工作原理。設計控制電路如下： 驅動電路設計驅動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅動信號。 EXB840組成的驅動電路4 控制回路設計控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制。其中ERA3410是快速恢復二極管。EXB840引腳定義如下:引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容,引腳2和9分別是電源和地,引腳3為驅動輸出,引腳4用于連接外部電容器,防止過流保護誤動作(一般場合不需要這個電容),引腳5為過流保護輸出,引腳6為集電極電壓監(jiān)視端,引腳14和15為驅動信號輸入端,其余引腳不用。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成,可隔離交流2500V的信號。(10)在出現短路、過流的情況下，能迅速發(fā)出過流保護信號，供控制電路處理。同樣的，驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響，即應具有定時邏輯柵壓控制的功能。其目的是避免快速關斷故障電流造成過離的。(8)電路簡單，成本低。(7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時。驅動電路具有電隔離能力可以保證設備的正常工作，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應噪聲的影響。(6)驅動電路和控制電路之間應隔離。對600VIGBT器件，柵極電阻可據下式確定：=(I～10)625/式中，為IGBT的額定電流值. 柵極電阻的下限取系數為1，限取系數為10。柵極電阻過小，關斷時間過短，關斷時產生的集電極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關斷安全區(qū)的限制。(5)IGBT是高速開關器件，在大電流的運行場合，關斷時間不宜過短，否則會產生過高的集電極尖峰電壓。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當IGBT關斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。器件關斷時，驅動電路應提供低阻抗的放電通路。(3)當柵極信號低于其開啟電壓時，IGBT就關斷了。另外，為減小開通損耗，要求柵極驅動信號的前沿要陡。在有短路保護的場合，不希望器件工作于過飽和狀態(tài)，因為驅動電壓小一些，可減小短路電流，對短路保護有好處。對無短路保護的驅動電路而言，驅動電壓高一些有好處，可使器件在各種過流場合仍工作于飽和狀態(tài)。當要求IGBT工作于開關狀態(tài)時，驅動信號必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會造成器件損壞。(2)～6V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅動信號低于此開啟電壓時，器件是不導通的。通過以上分析可以看出，一個理想的IGBT驅動電路應具有以下基本性能:(1)通常IGBT的柵極電壓最大額定值為20V，若超過此值，柵極就會被擊穿，導致器件損壞。(2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關斷損耗變化不大，IGBT的運行可靠性提高。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅動條件密切相關，隨驅動條件的變化而變化。由于IGBT在設備中所占成本比例較高，所以掌握好IGBT的特性和正確的使用方法，盡量減少IGBT模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機可靠性，、工作原理、主要參數、特性等在電力電子書本里已經有詳細介紹，在這里不在贅述[7]。因此，兼具MOSFET和BJT優(yōu)點的新型復合器件IGBT應運而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關頻率高、導通電阻小、控制功率小等優(yōu)點。MOSFET屬于單極型器件，具有開關頻率高、沒有二次擊穿現象、元件并聯運行容易、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導通電阻大，耐壓水平不容易提高。集電極最大電流：按照正常電壓流經電流的兩倍來計算：=2峰值電壓=（2～）380=～集電極電流=（～2）=（～2）λ=～集電極發(fā)射極額定電壓≥== IGBT及驅動模塊介紹 IGBT簡介及驅動要求絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導體器件技術與MOS工藝技術相結合研制出的一種復合型器件。 主電路參數計算根據前面所給出的原始參數，主電路各部分的計算如下[6]：（峰值電流）= ==（有效值）= =二極管額定電流值=（～2）Id/=～額定電壓值=（2～3）=（2～3）380=～系統(tǒng)采用三相不控整流，經濾波后=380=。如比,滯后，比滯后。a) 結構圖 b) 開關的通斷規(guī)律 c) 波形圖 三相逆變器原理圖觀察6個開關的位置及波形圖可以發(fā)現以下兩點：①各橋臂上的開關始終處于交替打開、關斷的狀態(tài)如、。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關的接通、關斷需符合一定的規(guī)律。當、閉合時，為正；、閉合時，為負。 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂中的兩個開關如：、交替導通，每個開關導通電角度。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下：（1）單相逆變電路：當、同時閉合時，電壓為正；、同時閉合時，電壓為負。本設計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設計中不再做詳細的介紹[5]。因本次設計所選用的電動機為中容量型，在此選用此種緩沖電路。放電時，通過電阻放電，實現緩沖功能。所以增加電阻，限制電容的放電電流。當逆變管關斷時，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電容（）來減小電壓增長率。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來保護逆變管。續(xù)流二極管的作用是：當逆變開關管由導通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機線圈的電感作用，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。當直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。為制動電阻，在變頻器的交流調速中，電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現的，在電動機減速過程中，當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，導致變頻器本省過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。由于濾波電容的容量較大，放電時間比較長（數分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。當變頻器通電時，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。整流后的電壓為==380V=513V。，這也是變頻器常用的格式[4]。能實現這個功能的裝置稱為變頻器。由此，在本設計中采用控制。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。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變換中的許多復雜計算；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學模型。目前，該技術已成功應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。雖然這一理論的提出是交流傳動理論上的一個飛躍，但是由于它既要確定轉子的磁鏈，又要進行坐標變換，還要考慮轉子參數變動帶來的影響，所以系統(tǒng)非常復雜。在高性能的異步電機控制系統(tǒng)中多采用交叉閉環(huán)控制的矢量控制。雖然這種方法可以提高調速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉差角頻率，還要針對具體電機的機械特性調整控制參數，因而此方法的通用性較差。 其它控制方式 轉差率控制方式是控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上的速度傳感器檢測出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調節(jié)器的輸出時轉差率，而變頻器的輸出頻率則有電動機實際轉速與所需轉差頻率之和決定。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按比恒定控制就不能保持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉矩減小。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。 電動機高于額定轉速方向調速時的機械特性當電動機向高于額定轉速方向調速時，曲線不僅臨界轉矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。這種調速方式下，轉子升高時轉矩降低，屬于恒功率調速方式。 壓頻比控制特性曲線。，無補償的控制特性則為a線。一種簡單的解決方法就是所示的轉矩補償法。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產生的感應電動勢減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導致電動機的臨界轉矩的下降。當的數值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對較小，≈所產生的誤差較少；當的數值較低時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓中的比例增大，已經不能再滿足≈。臨界轉矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量保持恒定，調速時就要求感應電動勢與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實現，采用電源電壓≈來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當然存在一定的誤差。由于比恒定調速是從基頻向下調速，所以當頻率較低時，與 都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。根據電機端電壓和感應電勢的關系式： (212) 式中: 定子相電壓； 定子電阻； 定子阻抗； 定子電流。由式(210)可知，要保持不變，當頻率從額定值向下調節(jié)時，必須同時降低,使=常值只要保持為常數，就可以達到維持磁通恒定的目的。由以上情況可知:變頻調速時，必須使氣隙磁通不變。由式(210)推斷，若不變，當定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減??；而由式(211)可知，減小又引起電動機電磁轉矩減小，這就出現了頻率增加，而負載能力下降的情況。因此在改變頻率進行調速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。在變頻調速的過程中，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現勵磁不足或勵磁過強?？刂剖悄壳巴ㄓ米冾l器中廣泛采用的控制方式。 變頻調速的控制方式及選定 比恒定控制比恒定控制是異步電動機變頻調速中最基本的控制方式。由上式可知磁極對數越多，轉速就越慢，轉子的實際轉速比磁場的同步轉速要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉差率表示： （28）在加上電源轉子尚未轉動瞬間，=0，這時=1；啟動后的極端情況=，則=0，即在0～1之間變化，一般異步電動機在額定負載下的 =1%～6%。電機磁場轉速稱為同步轉速，用表示： （27）式中：為三相交流電源頻率，一般是50Hz；為磁極對數。交流調速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉子之間的空氣隙內產生一個旋轉的磁場，它與轉子繞組產生感應電動勢，出現感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩。交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。 異步電機變頻調速原理交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。特別是研究變頻后的電動機機械特性，、就顯得尤其重要。由知：越小，越大，機械特性就越硬。、根據式（2－3）用求極值的辦法求出，即：由＝0，可得：　　　 　　　　　　　 　 （2－4）　 　 （2－5）電動機正常運行時，需要有一定的過載能力，一般用表示，即＝ （2－6）普通電動機的＝～，而對某些特殊用電動機，其過負載能力可以更高一些。臨界點Ｋ是一個非常重要的點，它是機械特性穩(wěn)定運行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點。對應這一點的轉速＝0（ｓ＝1），電磁轉矩稱起動轉矩，起動是帶負載的能力一般用起動倍數來表示