【正文】 制系列，已達到小于2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，%；在不帶測速機的情況下，即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，%的速度控制精度。自從1991年INTEL公司推出8196MC系列以來，專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發(fā)展。PWM技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢 小功率變頻器應(yīng)該像普通開關(guān)電器，如接觸器、斷路器一樣，具有使用簡單、方便、安全可靠的基本性能。 變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。小功率變頻器應(yīng)當像接觸器、軟啟動器等電器元件一樣使用簡單、安裝方便、工作安全可靠。其目的是更好地發(fā)揮變頻器的獨特功能并盡可能的方便用戶。 作為發(fā)展趨勢，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。 變頻器的技術(shù)指標 輸入側(cè)的額定值主要是電壓、頻率、相數(shù)。A） SN與UN和IN的關(guān)系為SN=UNIN（4）配用電動機容量PN（KW）（5）過載能力 變頻器的過載能力是指其輸出電流超過額定電流的允許范圍和時間。（1）頻率范圍 即變頻器工作時能夠輸出的最高頻率fmax與最低頻率fmin。（3）頻率分辨率 指變頻器輸出頻率的最小改變量，即每相鄰兩檔頻率之間的最小差值。（2）矢量控制方式，現(xiàn)在大部分變頻器使用這種控制方式。變頻器通常設(shè)置有多個控制端子，其電路形式和PLC差不多。變頻器的控制端子一般包括以下幾方面：（1） 模擬輸入（AI）用作速度給定、反饋等功能，每個端子具體參數(shù)可以設(shè)置（2） 模擬輸出（AO）AO通常用作遠程測量儀表的信號，用以顯示變頻器的輸出電流、頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。（4） 開關(guān)量輸出（DO）變頻器的運行、故障等信號由此輸出。主電路指的是電源由進線端（R、S、T）輸入，經(jīng)過整流、濾波、逆變，變換成電壓、頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，由出線端（U、V、W）輸出接電動機的電路?？刂齐娐返墓δ苁墙邮湛刂泼?，如起停、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速給定等，輸出控制信號到主電路，控制功率器件工作。操作面板是人機聯(lián)系的接口，由按鈕、顯示器、指示燈、連接線等組成。 變頻器主電路結(jié)構(gòu)及功能 變頻器主電路原理圖如圖2—1所示，它由3部分構(gòu)成：整流電路、中間電路和逆變電路。晶體管VTB和電阻RB組成斬波器，以消耗電動機回饋時的能量，RB一般體積較大，通常安裝在變頻器的外面。交流電動機調(diào)速時要通過改變其輸入的交流電源頻率來進行，在改變頻率的同時，電源電壓也要同時改變，二者要協(xié)調(diào)一致。在PWM波形中，各脈沖量的幅值是相等的，也就是在變頻中整流電路整流及中間電路穩(wěn)壓后的電壓幅值，在變頻器工作時一直基本保持不變。改變由模擬電路或微機產(chǎn)生的正弦波的頻率和幅值，三角波維持固定的頻率和幅值，二者比較后就可獲得基波為正弦波的脈寬調(diào)制波形。采用單極控制方式時在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一個開關(guān)器件開通或關(guān)斷。 圖2—3 圖2—4 圖2—5 單極控制方式 圖2—6 雙極控制方式2. 整流電路整流電路的功能是將交流轉(zhuǎn)換為直流。（1）不可控整流電路 不可控整流電路使用的器件為電力二極管，不可控整流電路按輸入交流電源相數(shù)不同分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。對單相整流電路，通過計算可得到負載RL上的平均電壓為 對三相整流電路： 式中為相電壓的有效值（2）可控整流電路 在變頻器中，為了控制整流電壓，采用晶閘管整流橋，三相橋式可控整流電路有三相橋式全控整流和三相橋式半控整流兩種，如圖2—8所示。（1）濾波電路 雖然利用整流電路可以從電網(wǎng)的交流電源得到直流電壓或直流電流，但這種電壓或電流含有頻率為電源頻率6倍的紋波，影響逆變電路。1）電容濾波：由于電容量比較大，所以常采用電解電容。電容串并聯(lián)使用時為了使各電容上電壓相等而給電容并聯(lián)電阻，電阻阻值為幾十千歐，即所謂“平衡電阻”，如圖2—9所示，平衡電阻的另一個作用是在變頻器斷電后給電容放電提供通道。該變頻器電源類似于電壓源，因而稱為電壓型變頻器。2—9 電壓型變頻器的主電路框圖2）電感濾波：由于經(jīng)電感濾波后加在逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流基本不受負載的影響，電源外特性類似電流源，因而稱為電流型變頻器。圖2—10 電流型變頻器的主電路框圖（2）制動電路 利用設(shè)置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電能的方式稱為斬波制動或再生制動。制動電路介于整流器和逆變器之間，接在整流后的直流回路中，圖中的制動單元包括晶體管VB和制動電阻RB。在制動時能量經(jīng)逆變器回饋到直流側(cè)，使直流側(cè)濾波電容上的電壓升高，也就是通常所說的“泵升電壓”，當該值超過設(shè)定值時，控制電路即自動給VB基極施加占空比可變的斬波信號，使之高頻的導通關(guān)斷，則存儲于電容C中的再生能量經(jīng)RB消耗掉。（2）電流型逆變電路 電流型逆變電路在直流側(cè)串接有大電感，使直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，相當于電流源。這就要用SPWM的方法來控制逆變電路開關(guān)的通斷。在實際應(yīng)用中，逆變電路中的開關(guān)器件是各種電力電子器件，在中小功率通用變頻器中使用最多的事BJT和IGBT兩種，在大中功率通用變頻器中使用最多的是IGCT、GTO及IGBT 3種。1. 信號輸入輸出部分變頻器的信號輸入輸出部分，包括模擬量的輸入輸出和開關(guān)量的輸入輸出，用于變頻器和外圍控制電路的聯(lián)系。2）開關(guān)量輸出接口向外部提供變頻器運行、故障等信號。4）模擬量輸出接口向外部提供變頻器的工作頻率、電機電流等信息。中心控制單元包括一個功能完善的計算機或單片機系統(tǒng)和一個專用的SPWM集成電路。3. 檢測保護電路變頻器內(nèi)部有一系列檢測元件，將檢測到的信號送給中心控制單元，為其提供控制和保護信息。變頻器的所有控制、狀態(tài)判斷都可以通過通信接口來實現(xiàn)，與輸入輸出接口不同的是，通信可以交換更多的信息。一般的變頻器為交直交電壓型，其濾波電容比較大，存有較多的電能，能夠在變頻器斷電后維持一段時間的電壓，這個特點對于控制電路很有用處，在突然停電時，中心控制單元可以利用電容存儲的電能完成停機的處理工作。中心控制單元計算出的脈寬調(diào)制波通過驅(qū)動電路放大后加在逆變器上，所以驅(qū)動電路視逆變器的不同而不同。7. 散熱控制電路變頻器的散熱是由安裝在散熱器上的風扇來解決的。 SPWM脈沖生成原理1. SPWM技術(shù)的要點 采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實現(xiàn)上述的SPWM控制。圖中比較器的A端輸入正弦交流信號（前面講的調(diào)制波）；B端輸入三角波信號（如前所述的載波）；經(jīng)過比較器比較由采樣法則得出當A＞B時輸出高電平的信號,如果A＜B,則輸出為低電平信號。 圖 2—122. 采樣原理 三角波兩個正峰值之間，為一個采樣周期Tc，每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點為對稱，使計算大為簡化，如圖2—13給出的原理圖中所示 圖2—13正弦波信號式中，M 稱為調(diào)制度，0 ≤a 1；wr為信號波角頻率。3. 調(diào)制方法 通過改變調(diào)制波的頻率和幅值，來改變輸出的頻率和幅值。載波比N=載波頻率 fc與調(diào)制信號頻率 fr 之比，即 N = fc / fr。1)異步調(diào)制：載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。他的特點是在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱；當調(diào)制波頻率較低時，載波比較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小；當調(diào)制不頻率增高時，載波比減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。具體方法是:保持載波比不變而改變調(diào)制波頻率，于是為了保持載波比需要將載波頻率改變，信號波一個周期內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)是固定的。以上的都是單相的PWM調(diào)制，用于實際于是就擴充為三相的如圖2—14所示 圖 2—14 三相PWM調(diào)制波形3 變頻器V/F控制技術(shù) V/F控制的原理V/f控制就是保證輸出電壓V跟頻率f成正比的控制方式，這樣可以使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生，多用于風機、泵類節(jié)能型變頻器。由于異步電動機定子每相電壓為： （3—2）:定子相電壓 ：定子相電勢 :每相繞組匝數(shù) ：基本繞組系數(shù) :每極氣隙磁通當定子電壓不變時，改變則勢必要發(fā)生變化，如果過大，會使磁路飽和，導致過大的勵磁電流，所以降低時必須同時降低，使得保持不變，這就是所謂的恒轉(zhuǎn)矩控制：即 =恒量，也就是通常說的恒磁通控制，又稱恒壓頻比控制方式。在給定信號X從0增大至最大值的過程中，給定頻率線性的從0增大至的頻率給定線稱為基本頻率給定線。在圖3—1中，曲線1是=50Hz時的基本U/f線；曲線2和曲線3分別是=60Hz和=75Hz時的基本U/f線。圖3—1 基本U/f線 圖3—2可供選擇的U/f線線1是時的基本U/f線 線1是未做補償?shù)腢/f線線2是時的基本U/f線 線2是低減補償?shù)腢/f線線3是時的基本U/f線 線3是更低減補償?shù)腢/f線 轉(zhuǎn)速開環(huán)的V/F控制方式轉(zhuǎn)速開環(huán)控制可以省去速度、磁通等傳感器，由于其簡單、成本低，所以異步電機的轉(zhuǎn)速開環(huán)的恒壓頻比控制至今仍是應(yīng)用的最廣泛的一種調(diào)速方法。以下介紹兩個控制系統(tǒng)來說明v/f控制的系統(tǒng)構(gòu)成和原理。該系統(tǒng)的主電路由二極管整流器、LC濾波器和PWM電壓型逆變器組成，負載為三相交流異步電機?？紤]到低速時定子電阻壓降對磁通的影響，要在低頻時對恒壓頻比產(chǎn)生的定子電壓進行補償，圖中U0就是這個電壓補償量。假設(shè)圖3—3所示的系統(tǒng)穩(wěn)定工作在某一轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，若想將轉(zhuǎn)速提高，可以提高頻率指令。由于是轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制，因此在加速或減速的過程中不可使增減過快，因為轉(zhuǎn)差頻率WS1超過了最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率有可能造成失速。2. 電流型逆變器異步電機轉(zhuǎn)速開環(huán)V/f控制系統(tǒng)如圖3—4所示為電流型逆變器異步電機轉(zhuǎn)速開環(huán)V/f控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)的主電路由相控整流器、濾波電感和電流型逆變器組成。圖3—4 電流型逆變器的異步電機轉(zhuǎn)速開環(huán)V/f控制 圖3—4中有控制直流環(huán)節(jié)的電流內(nèi)環(huán)，檢測到的直流環(huán)節(jié)電流與指令進行比較，其誤差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制相控整流器的相控信號。 轉(zhuǎn)速閉環(huán)的V/F控制方式對于開環(huán)的速度控制系統(tǒng)來說，即使緩慢、平滑地增加負載轉(zhuǎn)矩也會使轉(zhuǎn)差頻率增加，電機轉(zhuǎn)速下降，負載轉(zhuǎn)矩的突然變化更會使電機轉(zhuǎn)速波動。圖3—5為一個使用PWM電壓型逆變器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制框圖。在產(chǎn)生電壓和頻率指令時，還加入了電流限制信號，它只在電流超過限制值時才起作用。電機在電流限制的控制下以恒轉(zhuǎn)矩加速，直至到達設(shè)定的速度。如圖4—1系統(tǒng)主電路所示，輸入端接交流變壓器，起隔離變壓作用，變壓后經(jīng)三相橋式不可控電路整流，可以提高輸入端功率因數(shù)，且不需要控制驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單。逆變部分采用三相橋式電路，在中小功率的變頻器電路中采用IGBT作為主要電力電子開關(guān)，逆變部分是主電路的核心和關(guān)鍵，為了保護6個電力電子開關(guān)IGBT，在每個IGBT兩端并聯(lián)RCD阻容吸收電路，考慮到變頻器的負載是電動機，因此在每個IGBT兩端并聯(lián)一個電力二極管續(xù)流，為了將電動機回饋制動的能量消耗而保護逆變電路的6個IGBT，在中間環(huán)節(jié)設(shè)計了泵升電壓泄放電路。當實際電流達到額定電流時通過短路開關(guān)將功率電阻短接。實際應(yīng)用中有專門用于IGBT驅(qū)動的集成模塊元件EXB841,它可以方便的控制驅(qū)動逆變橋電路上的6個IGBT，并具有過壓過流保護功能，使用很方便。其它部分電路主要有鍵盤顯示8279電路以及速度檢測等電路。 AT89C51單片機圖4—2如圖4—2所示，為AT89C51單片機引腳圖，管腳介紹如下UCC：供電電壓 GND：接地 RST: 復位電路接口 XTAL:晶振接口P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷0） /INT1（外部中斷1） T0（記時器0外部輸入） T1（記時器1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。SLE4520能把三個8位數(shù)字量同時轉(zhuǎn)換成三路相應(yīng)脈寬的矩形波信號，與8位或16位微機聯(lián)合使用，可產(chǎn)生三相變頻器所需的六路控制信號，輸出的SPWM波的開關(guān)頻率可達20kHz，基波頻率可達2600Hz。1. SLE4520的管腳功能 　 SLE4520為雙列直插式28腳芯片，如圖4—3所示。分別說明如下：圖4—3 SLE4520芯片管腳圖(1) 13個輸入端 ①XTALl(2腳)、XTAL2（3腳），為外晶振輸入端，可外接12MHz晶振，為SLE4520內(nèi)部各單元電路提供一個外接參考時鐘。其功能是將微機輸出的命令或數(shù)據(jù)送入SLE4520。當該端為低電平(0)時，將來自微機的地址