【正文】 論文 ) 19 矢量控制變頻調速的做法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流 aI 、 bI 、 cI 通過三相 —— 兩相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流 1?? 、1?? ，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流1m? 、 1t? （ 1m? 相當于直流電動機的勵磁電流； 1t? 相當于與轉矩成比例的電樞電流），然后仿效直流電動機的控制方法，求得直流電動機控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調速的動態(tài)性能。矢量控制變頻器通常應用于軋鋼、造紙設備等對動態(tài)性能要求較高的場合。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速 發(fā)展。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。 日前市場銷售的通用變頻器的控制多半為 fV 比恒定控制，它的應用比較廣泛，特別是在風機，泵及土木機械等方面應用較多， fV 比恒定控制的突出優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。由于 fV 控制是轉速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標準異步電機，所以這種控制方法通用性強、經(jīng)濟性好，是目前通用變頻器產品中使用較多的一種控制方式。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 20 3 變頻器主電路設計 主電路的工作原理 變頻調速實際上是向交流 異步電動機提供一個頻率可控的電源。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交 直 交方式，先將交流電轉變?yōu)橹绷麟?(整流，濾波 )，再將直流電轉變?yōu)轭l率可調的交流電 （逆變） 。 圖 電壓型交直交變頻調速主電路 主電路各部分的設計 選用整流管 61 VDVD? 組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。 濾波電容 FC 濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。當 FC 充電到一定程度，使 LS 閉合，將限流電阻短路。 電源指示燈 HL 除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉， BR和 BV 的作用就是消耗掉這部分能量。 設計 選用逆變開關管 61 VV? 組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調的交流電，逆變管在這里選用 IGBT。另外，當電動機制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。由于開關管在開通和關斷時，要受集電極電流 cI 和集電極與發(fā)射極間的電壓 ceV 的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當逆變管開通時， ceV 迅速下降，cI 迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流 cI 的增長率，造成 IGBT的損壞。 可是當逆變管關斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（ 0601 VDVD ? ），使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。 這種緩沖電路的缺點是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。 變頻器主電路設計的基本工作原理 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 22 整流電路是把交流電變換為直流電的電路。 將直流電轉換為交流電的過程稱為逆變。 由于開關 1S ～ 4S 的輪番通斷，從而將直流電壓 DU 逆變成了交流電壓 abU 。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關通斷的速度來調節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值 DU 。 圖 33中， 1S ～ 6S 組成了橋式逆變電路，這 6個開關交替地接通、關斷就可以在 輸出端得到一個相位互相差 32? 的三相交流電壓。 用同樣的方法得： 當 3S 、 6S 同時閉合和 5S 、 4S 同時閉合，得到 WVu? , 5S , 2S 同時閉合和 1S 、 6S同時閉合，得到 UWu? 。根據(jù)該規(guī)律可得 VUu? 、 WVu? 、UWu? 波形如圖 所示。 ②各相的開關順序以各相的“首端”為準，互差 32? 電角度。 上述分析說明，通過 6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調節(jié)開關的 通斷速度就可調節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過 DU 的大小來調節(jié)。 制動電阻粗略計算為NdB IUR 2? ～ NdIU =? ～ ? bV 擊穿電壓：當線電壓為 380V時，根據(jù)經(jīng)驗值選 1000V。眾所周知，構成 IGBT 的 MOSFET 和 BJT各有其優(yōu)缺點。 BJT 屬于雙極型器件，具有耐壓水平高、電流大、導通電壓低的優(yōu)點，缺點是開關時間長，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制 功率大。并且，隨著 IGBT技術的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得 IGBT在大功率開關電源設備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機、電機驅動、特種工業(yè)電源等都使用 IGBT模塊。 IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅動功率小，驅動較為容易。 (1)隨著柵極正向電壓 GEU 的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小 .若GEU? 固定不變時，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結溫升高而增大。 (3)隨著柵極串聯(lián)電阻 GR 增加，將使 IGBT 的開通和關斷時間增加，從而使IGBT開關損耗增加；而 GR 減小，則又將使 dtdi 增大，從而使 IGBT在開關過程安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 26 中產生較大的電壓或電流尖峰，降低 IGBT運行的安全性和可靠性。為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護。要使器件導通，驅動信號必須大于其開啟電壓。正向柵極驅動電 壓幅值的選取應同時考慮在額定運行條件下和一定過載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。通常，正向柵極電壓取 15V。此時，柵極電壓可取為 13V。 IGBT的柵極等效為一電容負載，所以驅動信號源的內阻要小。為了縮短器件的關斷時間，關斷過程中應盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。一般柵極反向電壓取為 (5～ 0)V。 (4)IGBT 柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅動電路需要提供動態(tài)驅動電流。當 IGBT高頻運行時，柵極驅動電流和驅動功率也是不小的，因此，驅動電路必須能提供足夠的驅動電流和功率。柵極電阻 GR 對 IGBT 的開關時間有直接的影響。柵極電阻過大，器件的開關速度降低，開關損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運行造成危險，所以柵極電阻的上限受到開關損耗的限制。對于 1200V 的 IGBT 器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的 600V 器件阻值的一半。在許多設備中， IGBT 與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。采用光耦器件隔離時，應選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應滯后，另一方面能提高保護的快速性。 (9)當 IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在 IGBT允許時間內通過逐漸降低柵極電壓自動抑制故障電流，實現(xiàn) IGBT軟關斷。在雜散電感的 作用下，過高的 dtdi 會產生過高的電壓尖峰，使 IGBT承受不住而損壞。當出現(xiàn)過流時，無論此時有無輸入信號，都應無條件地實現(xiàn)軟關斷 .在各種設備中，二極管的反向恢復、分布電容及關斷吸收電路等都會在 IGBT 開通時造成尖峰電流，驅動電路應具備抑制這一瞬時過流的能力，在尖峰電流過后，應能恢復正常柵壓，保證電路的正常工作。 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,驅動電路信號延遲小于 s? ,采用單電源 20V供電。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 28 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。 R`過電流保護環(huán)節(jié)光電耦合器A14151234569VST`(+ )( )驅動信號輸入過電流保護信號輸出 ( 低電平 )外接電容 ( 防止過流信號誤驅動 )集電極電壓采集電源 (+ 2 0 V )驅動輸出接反向偏置電源的濾波電容電源 (0 V ) 圖 EXB840的引腳圖 采用 EXB840 的 IGBT 驅動電路 采用 EXB840集成電路驅動的 IGBT的典型應用電路如圖 [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 GR ?？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)安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 31 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，如圖 ，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)和調試比較困安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 32 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。 圖 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。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 33 RESET ：復位端，低電平有效。 MUX ：總線選擇端。 CS ：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。 TRIP ：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。 SA4828 內部結構及工作原理 SA4828為 28引腳的 DIP或 SOIC封裝的控制芯片，內部具有總線控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。 通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會在狀態(tài)轉換期間導通短路。 SA4828內部結構原理框圖如圖 。初始化寄存器用于設定與交流電動機有關的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在 PWM 輸出端允許輸出前設定，系統(tǒng)工作以后不允許改變。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 35 參數(shù)的設定是通過 8個暫存器 0R 、 1R 、 2R 、 3R 、 4R 、 5R 、 14R 、 15R 來傳送的。初始化參數(shù)要先寫入 0R ～ 5R ，然后通過對 14R 的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫入 0R ～ 5R ，并通過對 15R 的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。 表 各寄存器地址 寄存器 AD3 AD2 AD1 AD0 地址 R0 0 0 0 0 00 H R1 0 0 0 1 01 H R2 0 0 1 0 02 H R3 0 0 1 1 03 H R4 0 1 0 0 04 H