【正文】 是，=3000r／min；=2時(shí)，=1500r／min。綜合（27）和（28）式可以得出： （29）由式（29）可以看出，對(duì)于成品電機(jī)，其極對(duì)數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率的變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。能實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(dāng)變頻器通電時(shí)，濾波電容的充電電流很大，過(guò)大的沖擊電流可能會(huì)損壞三相整流橋中的二極管，為了保護(hù)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(nèi)。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(shí)間比較長(zhǎng)（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會(huì)威脅人員安全。為制動(dòng)電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動(dòng)機(jī)的減速是通過(guò)降低變頻器的輸出頻率而實(shí)現(xiàn)的，在電動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過(guò)快時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(dǎo)致變頻器本省過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，切斷變頻器的輸出。當(dāng)直流中間電路上電壓上升到一定值，制動(dòng)三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動(dòng)電阻上。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電?dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開(kāi)始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動(dòng)。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來(lái)保護(hù)逆變管。當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，迅速上升，迅速降低，過(guò)高增長(zhǎng)的電壓對(duì)逆變管造成危害，所以通過(guò)在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來(lái)減小電壓增長(zhǎng)率。所以增加電阻，限制電容的放電電流。放電時(shí)，通過(guò)電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。因本次設(shè)計(jì)所選用的電動(dòng)機(jī)為中容量型，在此選用此種緩沖電路。本設(shè)計(jì)中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中不再做詳細(xì)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(dāng)、同時(shí)閉合時(shí)，電壓為正；、同時(shí)閉合時(shí)，電壓為負(fù)?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€(gè)周期中，一個(gè)臂中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電角度。 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路。當(dāng)、閉合時(shí)，為正；、閉合時(shí)，為負(fù)。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開(kāi)關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律。a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 開(kāi)關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖 三相逆變器原理圖觀察6個(gè)開(kāi)關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：①各橋臂上的開(kāi)關(guān)始終處于交替打開(kāi)、關(guān)斷的狀態(tài)如、。如比,滯后，比滯后。 主電路參數(shù)計(jì)算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計(jì)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(lái)計(jì)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(qū)動(dòng)模塊介紹 IGBT簡(jiǎn)介及驅(qū)動(dòng)要求絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導(dǎo)體器件技術(shù)與MOS工藝技術(shù)相結(jié)合研制出的一種復(fù)合型器件。MOSFET屬于單極型器件，具有開(kāi)關(guān)頻率高、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)運(yùn)行容易、控制功率小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大，耐壓水平不容易提高。因此，兼具M(jìn)OSFET和BJT優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合器件IGBT應(yīng)運(yùn)而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等優(yōu)點(diǎn)。由于IGBT在設(shè)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I(mǎi)GBT模塊的損壞以降低開(kāi)發(fā)成本和提高整機(jī)可靠性，、工作原理、主要參數(shù)、特性等在電力電子書(shū)本里已經(jīng)有詳細(xì)介紹，在這里不在贅述[7]。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動(dòng)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(guān)斷損耗變化不大，IGBT的運(yùn)行可靠性提高。通過(guò)以上分析可以看出，一個(gè)理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)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(guò)此值，柵極就會(huì)被擊穿，導(dǎo)致器件損壞。(2)～6V(T=25C)的柵極開(kāi)啟電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于此開(kāi)啟電壓時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。當(dāng)要求IGBT工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會(huì)造成器件損壞。對(duì)無(wú)短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路而言，驅(qū)動(dòng)電壓高一些有好處，可使器件在各種過(guò)流場(chǎng)合仍工作于飽和狀態(tài)。在有短路保護(hù)的場(chǎng)合，不希望器件工作于過(guò)飽和狀態(tài)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓小一些，可減小短路電流，對(duì)短路保護(hù)有好處。另外，為減小開(kāi)通損耗，要求柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿要陡。(3)當(dāng)柵極信號(hào)低于其開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT就關(guān)斷了。器件關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供低阻抗的放電通路。當(dāng)IGBT關(guān)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(kāi)關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場(chǎng)合，關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短，否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的集電極尖峰電壓。柵極電阻過(guò)小，關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高，會(huì)對(duì)器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。對(duì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)基于以上的驅(qū)動(dòng)要求，在設(shè)計(jì)中采用EXB840,它是一種高速驅(qū)動(dòng)集成電路,最高使用頻率為40KHz驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)放大電路,過(guò)流檢測(cè)急保護(hù)電路以及電源電路組成。過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電平和集電極電壓之間的關(guān)系,檢測(cè)是否有過(guò)電流現(xiàn)象存在,如果有過(guò)電流,保護(hù)電路將迅速關(guān)斷IGBT,防止過(guò)快的關(guān)斷時(shí)而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)升高,使IGBT集電極電壓過(guò)高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開(kāi)柵電壓和5V的關(guān)柵電壓。 EXB840的引腳圖 采用EXB840的IGBT驅(qū)動(dòng)電路[8]。IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)連線應(yīng)該用雙絞線,長(zhǎng)度應(yīng)該小于1m,以防止干擾,如果IGBT的集電極產(chǎn)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(shè)計(jì)中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點(diǎn)是它采用簡(jiǎn)單的硬件電路，主要依靠軟件來(lái)完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計(jì)算能力和軟件控制靈活性高的特點(diǎn)來(lái)完成許多模擬量難以實(shí)現(xiàn)的功能。主電路逆變電路設(shè)計(jì)中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。 SPWM調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。近幾年來(lái)。相應(yīng)高頻SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)在電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用，不僅能及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制技術(shù)，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(jī)的工作效率，擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進(jìn)行控制，則機(jī)械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時(shí)，也要相應(yīng)改變定子的端電壓。為減小輸出信號(hào)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(hào)寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。產(chǎn)生SPWM信號(hào)的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個(gè)正弦波(稱為調(diào)制波)進(jìn)行比較，兩波形的交點(diǎn)作為逆變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間。雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬PWM信號(hào)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(kāi)關(guān)管最高工作頻率的限制。可由模擬電路分別產(chǎn)生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWM調(diào)制波。缺點(diǎn)是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。對(duì)于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動(dòng)機(jī)，可以采用各項(xiàng)性能指標(biāo)都非常完善，但價(jià)格也比較昂貴的通用變頻器；對(duì)一般交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SPWM調(diào)制信號(hào)專(zhuān)用芯片構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。SA4828是MITEL公司推出的一種專(zhuān)用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機(jī)接口，完成對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。SA4828采用28腳封裝。 SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說(shuō)明如下：（1）輸入類(lèi)管腳說(shuō)明AD0～AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。：復(fù)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(fù)端(0V)。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開(kāi)關(guān)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(hù)電路保護(hù)電路的主要功能是對(duì)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。 過(guò)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)過(guò)壓、欠壓保護(hù)是針對(duì)電源異常、主回路電壓超過(guò)或低于一定數(shù)值時(shí)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(guān)系。過(guò)高的直流電壓對(duì)IGBT的安全構(gòu)成威脅，很可能超過(guò)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(hào)的取樣是通過(guò)電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動(dòng)作。運(yùn)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(hào)在給定點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)比較器抖動(dòng)，這里將過(guò)壓保護(hù)的動(dòng)作值整定為額定輸入電壓的110%。另一種是瞬時(shí)停電或瞬時(shí)電壓降低。一般欠壓信號(hào)從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過(guò)電壓時(shí)檢測(cè)出信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，又不會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)間因?yàn)樵谇冯妷?，過(guò)電壓并未構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)而保護(hù)誤動(dòng)作。其電壓取樣與過(guò)壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由上取出。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導(dǎo)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(yùn)行前，變頻器本身可以對(duì)過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測(cè)其保護(hù)電路是否正常。故障自診斷電路工作過(guò)程如下：，經(jīng)非門(mén)整形后輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，有電流流過(guò)三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號(hào)分別送至過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路。[13]： 故障自診斷電路 過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對(duì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它在足夠大的電流下會(huì)出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控?zé)o法關(guān)斷，以至燒壞，所以過(guò)流之前必須使IGBT關(guān)斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊EXB840中已經(jīng)有過(guò)流保護(hù)，但考慮到過(guò)大時(shí)IGBT還未來(lái)得及關(guān)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(yīng)了被測(cè)的電流。： 過(guò)流保護(hù)電路 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測(cè)到參數(shù)的計(jì)算、存儲(chǔ)和傳送，再到人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)，都是單片機(jī)在其中穿針引線，控制、協(xié)調(diào)各部分的工作。在本設(shè)計(jì)中選用單片機(jī)課程學(xué)習(xí)到的Intel公司的8051單片機(jī)。其內(nèi)部有4KB的ROM， 因8051已經(jīng)比較常見(jiàn)和熟悉，這里不再詳細(xì)介紹。 模擬量的頻率給定通過(guò)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀入8051，轉(zhuǎn)化為SA4828的，啟動(dòng)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(lái)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(kāi)，SA4828的地址鎖存器由8051的ALE引腳控制，同時(shí)連接的控制信號(hào)還有讀，寫(xiě)信號(hào),.，這樣SA4828的8個(gè)寄存器的地址為：寄存器R0～R5的地址：0000H～0005H。因8051的復(fù)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(gè)輸出引腳分別通過(guò)各自的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變橋的六只開(kāi)關(guān)管。 程序設(shè)計(jì)流程圖 SA4828的編程 初始化寄存器編程初始化是用來(lái)設(shè)定與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的參數(shù)。下表為初始化編程時(shí)，R0～R5各寄存器的內(nèi)容[17]。載波頻率(三角波頻率)設(shè)定字由CFS0～CFS2這3位組成。載波頻率的計(jì)算式為： （51）式中：為時(shí)鐘頻率，的二進(jìn)制數(shù)即為載波頻率設(shè)定字。調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字是由FRS0～FRS2這三位組成。調(diào)制波頻率范圍為： (52)式中：m值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字。該設(shè)定字由PDT0～PDT6這7位組成?？紤]到延遲（死區(qū)）的因素，在延遲時(shí)，通常的做法是在保持原頻率不變的基礎(chǔ)上，使開(kāi)關(guān)管延