【正文】 是，=3000r／min；=2時，=1500r／min。綜合（27）和（28）式可以得出： （29）由式（29）可以看出，對于成品電機，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉差率的變化不大，則電機的轉速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調速的目的。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。，這也是變頻器常用的格式[4]。整流后的電壓為==380V=513V。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。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。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。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(xiàn)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。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。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。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來保護逆變管。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(lián)電容（）來減小電壓增長率。所以增加電阻，限制電容的放電電流。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。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。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(shù)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]。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?？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。 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路。當、閉合時，為正；、閉合時，為負。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。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(xiàn)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、。如比,滯后，比滯后。 主電路參數(shù)計算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，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(jīng)濾波后=380=。集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)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。MOSFET屬于單極型器件，具有開關頻率高、沒有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)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。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。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(shù)、特性等在電力電子書本里已經(jīng)有詳細介紹，在這里不在贅述[7]。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。(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。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)～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。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。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)。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。另外，為減小開通損耗，要求柵極驅動信號的前沿要陡。(3)當柵極信號低于其開啟電壓時，IGBT就關斷了。器件關斷時，驅動電路應提供低阻抗的放電通路。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。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。(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。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。對600VIGBT器件，柵極電阻可據(jù)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(shù)為1，限取系數(shù)為10。 EXB840的內部結構基于以上的驅動要求，在設計中采用EXB840,它是一種高速驅動集成電路,最高使用頻率為40KHz驅動150A/600V或者75A/1200V的IGBT,采用單電源20V供電。它主要由輸入隔離電路，驅動放大電路,過流檢測急保護電路以及電源電路組成。過流檢測及保護電路根據(jù)IGBT柵極驅動電平和集電極電壓之間的關系,檢測是否有過電流現(xiàn)象存在,如果有過電流,保護電路將迅速關斷IGBT,防止過快的關斷時而引起因電路中電感產生的感應電動勢升高,使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開柵電壓和5V的關柵電壓。 EXB840的引腳圖 采用EXB840的IGBT驅動電路[8]。IGBT的柵極驅動連線應該用雙絞線,長度應該小于1m,以防止干擾,如果IGBT的集電極產生大的電壓脈沖,可增加IGBT的柵極電阻?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設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。主電路逆變電路設計中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅動電路。 SPWM調制技術簡介脈寬調制(PWM)技術是利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術。近幾年來。相應高頻SPWM(正弦脈寬調制)技術在電機調速中得到了廣泛應用，不僅能及時、準確地實現(xiàn)變壓變頻控制技術，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧波分量，從而提高了電機的工作效率，擴大了調速系統(tǒng)的調速范圍。根據(jù)電機學原理，交流異步電動機變頻調速時，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進行控制，則機械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，也要相應改變定子的端電壓。為減小輸出信號中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調制波，即SPWM調制波。在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。產生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為調制波)進行比較，兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷時間。雖然正弦脈寬調制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。而載波頻率的提高，受到逆變開關管最高工作頻率的限制?？捎赡M電路分別產生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWM調制波。缺點是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調試比較困難。對于調速精度、調速方式要求較高的交流異步電動機，可以采用各項性能指標都非常完善，但價格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機的變頻調速，可以直接采用三相SPWM調制信號專用芯片構成調速系統(tǒng)。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機接口，完成對交流電動機的變頻調速。SA4828采用28腳封裝。 SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說明如下：（1）輸入類管腳說明AD0～AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復用總線。：復位端，低電平有效。MUX ：總線選擇端。：片選輸入，該控制線可使SA8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。ALE：地址鎖存允許。Vss：供電電源負端(0V)。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關管。：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。Wss：波形采樣同步端口。 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。 過、欠壓保護電路設計過壓、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系。過高的直流電壓對IGBT的安全構成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。圖 。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。運放接成比較器的形式。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%。另一種是瞬時停電或瞬時電壓降低。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，過電壓并未構成危險時而保護誤動作。其電壓取樣與過壓取樣相同，欠壓設定值由上取出。當取樣電壓高于設定值時(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導通，輸出高電平。其電路下圖所示。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。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，光耦器件導通，有電流流過三極管的基極，三極管導通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓保護電路。[13]： 故障自診斷電路 過流保護設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器件的內部結構決定了它在足夠大的電流下會出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控無法關斷，以至燒壞，所以過流之前必須使IGBT關斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅動模塊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。在此傳感器的輸出端串電阻R，則R上的壓降反應了被測的電流。： 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)調各部分的工作。在本設計中選用單片機課程學習到的Intel公司的8051單片機。其內部有4KB的ROM， 因8051已經(jīng)比較常見和熟悉，這里不再詳細介紹。 模擬量的頻率給定通過ADC0809模數(shù)轉換器讀入8051，轉化為SA4828的，啟動允許輸出。8051的P0口與SA4828的AD口連接，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，SA4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自8051的低八位地址，從而將AD口輸入的地址和數(shù)據(jù)分開，SA4828的地址鎖存器由8051的ALE引腳控制，同時連接的控制信號還有讀，寫信號,.，這樣SA4828的8個寄存器的地址為：寄存器R0～R5的地址：0000H～0005H。因8051的復位端為高電平有效，而SA4828為低電平有效，所以在兩者中間需要加上反相器。SA4828的六個輸出引腳分別通過各自的驅動電路來驅動逆變橋的六只開關管。 程序設計流程圖 SA4828的編程 初始化寄存器編程初始化是用來設定與電動機有關的參數(shù)。下表為初始化編程時，R0～R5各寄存器的內容[17]。載波頻率(三角波頻率)設定字由CFS0～CFS2這3位組成。載波頻率的計算式為： （51）式中：為時鐘頻率，的二進制數(shù)即為載波頻率設定字。調制波頻率范圍設定字是由FRS0～FRS2這三位組成。調制波頻率范圍為： (52)式中：m值的二進制數(shù)即為調制波頻率范圍設定字。該設定字由PDT0～PDT6這7位組成?？紤]到延遲（死區(qū)）的因素，在延遲時，通常的做法是在保持原頻率不變的基礎上，使開關管延