【正文】 P 點(diǎn)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器 LM331 輸出高電平，在通過光耦 TLP741 進(jìn)行隔離放大，使 VT 導(dǎo)通。在圖 4 中，有開關(guān)器件 1V ~ 6V 構(gòu)成的電路。本設(shè)計(jì)中，采用了由開關(guān)元件 IGBT構(gòu)成的三相橋式逆變電路，由于 IGBT 具有 GTR 的大容量和 MOSFET 的開關(guān)動(dòng)作快、驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展很快，備受青睞，在電機(jī)控制和開關(guān)電源領(lǐng)域中有著廣泛的前景。其功能為 1)為電動(dòng)機(jī)繞組的無功電流返回直流回路時(shí)提供通路； 2)頻率下降，從而同步頻率下降時(shí)，為電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通路。 能耗制動(dòng)電路 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)，是通過逐漸減下頻率來實(shí)現(xiàn)的。歸根結(jié)底，是通過消耗能量而 獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，屬于能耗制動(dòng)狀態(tài)。 指示電路 電源指示燈 HL，除了表示電源是否接通以外，還有一十分重要的功能，即在變頻電路切斷電源后，指示濾波電容是否放電完畢。由于 C 上的電壓較高，如不放完，對(duì)人身安全將構(gòu)成威脅。系統(tǒng)所用參數(shù)如下： 電動(dòng)機(jī)參數(shù) ：電動(dòng)機(jī)型號(hào)： YGF160M4 ， 2P=4, KWPN 11? , AIN ? , 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 %88?N? ， ?? , min1460 rnN ? , ? ? ?過載能力倍數(shù)m? , ? ? ?啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)QK , ? ? ?啟動(dòng)電流倍數(shù)fK 電源電壓： 380V ，頻率： 50HZ 逆變部分采用 IGBT PWM 型逆變器， FV 控制方式，過載倍數(shù) ?? /分鐘。 3)二極管電流定額 AIII mDDN ??? (3― 6) 4)二極管 的電壓定額 ? ?3~2?DU ? ? lm UU 223~2? =? ? 7438 023~2 ??? (3― 7) 根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮到其峰值、波動(dòng)、閃電、雷擊等因素，實(shí)取 VUD 1200? 。 濾波電容的選擇 1. 參數(shù)計(jì)算 1) 當(dāng)沒有濾波電容時(shí)，三相整流輸出直流電壓為 VUUlDC 51 338 ???? ? (3― 8) 2) 加上濾波電容后， DCU 的最大線電壓可達(dá)到交流線電壓的峰值 VUU lD C P 5 3 73 8 022 ???? (3― 9) 2. 元件選取 濾波電容理論上越大越好，考慮到價(jià)格和體積，電容也不能選得太大；事實(shí)上，中間直流濾波電容的容量是從限制電壓波動(dòng)的角度來選擇的，因此，選用兩個(gè) VF 400/2200? 電解電容器相串聯(lián)，總耐壓值為 V800 ，電容量為 F?1100 。 開啟電源限流電路的參數(shù)選擇 圖 3 中 sR 為變頻電路啟動(dòng)時(shí)的限流電阻 ,由于變頻電路通電瞬間 ,濾波電容相當(dāng)于短路 ,因而 ,沖擊電流很大 ,故需加電阻 sR 來限流 ,實(shí)際上當(dāng)電容充電時(shí) , sR和 1C 、 2C 構(gòu)成的回路是一個(gè)典型的一階慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù) RCT? ；故在零初始狀態(tài)下，電容上電壓的相應(yīng)方程式為 ? ?TtDCC eUU ??? 1 (3― 10) 當(dāng) t=4T 時(shí)， DCC UU %? ，故可選取充電時(shí)間為 tc =4T= RC4 。實(shí)選開啟限流電阻 sR 為： WK 9/ ? 。 2) 額定狀態(tài)下，直流側(cè)的功率 DNP ，不計(jì)逆變器的損耗和電機(jī)的諧波損耗，有 DNP KWPNN %88 1011 3 ???? ? (3― 14) 3) 直流電流平均值 dNI AUPI DDNdN 5 3 ???? (3― 15) 4) 整流器交流側(cè)輸入的電流有效值 2I 可近似為 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 ?I AIdN 1 ??? (3― 16) 5) 熔斷器的額定電流 2FFI 為 2FFI ? ? ? ? AI dN ~~~ ???? (3― 17) 所以，實(shí)選熔斷器熔體額定電流為 A25 。 2. 靜電感應(yīng)過壓抑制電容 0C 取 0C 為 VF 1000/ ? （經(jīng)驗(yàn)選?。?。 逆變器功率器件 IGBT 選擇 IGBT 是場(chǎng)控大功率器件，具有自關(guān)斷能力，開關(guān)速度高，所以，使用 IGBT可使逆變器結(jié)構(gòu)小巧。本系統(tǒng)中，最嚴(yán)重的情況是異步交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流為額定電流的（ ~ 倍，且要考慮電流峰值。 NI —— 電機(jī)額定電流 所以， ? ? ? ? NmC III ~~ ?? m? =? ? ~ ??? 考慮安全裕量，實(shí)取 200A。 令 CESU CESPU? ，并向上靠攏， IGBT 的實(shí)際電壓等級(jí)應(yīng)取 1200V。 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 第四章 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) 控制電路和保護(hù)電路是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要包括逆變器的控制電路設(shè)計(jì)（主要是 SPWM 的產(chǎn)生控制和 IGBT 驅(qū)動(dòng)控制），系統(tǒng)過壓、過流、以及泵升電壓的保護(hù)等。 觸發(fā)控制回路設(shè)計(jì) 觸發(fā) 控制電路框圖 圖 6 觸發(fā)控制電路結(jié)構(gòu)框圖 SPWM的生成原理 SPWM 的生成原理如圖 18 所示 圖 7 SPWM 生成原理 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 仍采用傳統(tǒng)的三角波和正弦波疊加原理，且采用雙極性規(guī)則采樣法 II，由于每個(gè)周期的采樣時(shí)刻都是固定的（圖中 E 點(diǎn)），根據(jù)脈沖電壓對(duì)三角載波的對(duì)稱性，假設(shè) A 相電壓瞬時(shí)電壓表達(dá)示為 Ua = Sin(w1 t)。主要包括過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路、復(fù)位電路、三相六路 PWM 波形發(fā)生器電路和芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器等。速度由頻率設(shè)定腳確定，該腳輸入 8 位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)定基波頻率的改變。 它的特點(diǎn)有：載波頻率為 24KHZ（超音頻），三相六路波形，用 VVVF 策略控制；調(diào)制基波頻率范圍在 0－ 20KHZ；調(diào)制方式為中心調(diào)制；死區(qū)時(shí)間、 V／ F 曲線等參數(shù)可由用戶設(shè)定置于片內(nèi) ROM。如圖 9 所示，輸入 16MHZ 晶振時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生三角波，計(jì)數(shù)從 0 到 p，再從 p 返回到 0。芯片采用 24kHZ 的載波頻率。正弦表格里存有 0 到 180176。令 step為步長(zhǎng)，令 circle 為累積步長(zhǎng)，令 m為步數(shù)， circle=m step。時(shí)，調(diào)整正弦波到達(dá) 360176。令γ為調(diào)制深度，γ的最大值是 8 位數(shù)據(jù) 255 由ROM 送至芯片。 令 D1=γ Dsin /255 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 每個(gè)載波周期由正弦調(diào)幅結(jié)果為： D=neutral+D1 （ 0＜ circle≤ 750 0180176。 360176。 （ 2）、死區(qū)時(shí)間設(shè)置 由圖 9知： 2Fclk （ DD180。=D Tdead /2Fclk （ 3）、調(diào)速的實(shí)現(xiàn) 通過改變步長(zhǎng) step,查詢正弦表格的步長(zhǎng)改變，即可改變調(diào)制頻率Fm 。結(jié)構(gòu)如圖 8 內(nèi)部所示。由于控制芯片需要輸出三相六路 SPWM 脈沖信號(hào)，查 三角函數(shù)表法取得所需三角函數(shù)值的電路結(jié)構(gòu)有兩種，一是建立三個(gè)相位互差 120176。 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 圖 10 三相分時(shí)運(yùn)算電路示意圖 如果每相分別用獨(dú)立的電路實(shí)現(xiàn)，將多耗費(fèi)許多邏輯門，并且占用三個(gè)正弦表格，這在設(shè)計(jì)上是簡(jiǎn)單 的，但是實(shí)際上是非常不合理。大大的減少了邏輯門數(shù)目，僅增加分時(shí)信號(hào)和信號(hào)分離電路。試驗(yàn)證明，這種三相分時(shí)計(jì)算電路穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 圖 10 中 D 點(diǎn)為待分離的三相正弦數(shù)據(jù)經(jīng)幅度調(diào)制后的瞬時(shí)值，由 BOXl 計(jì)算產(chǎn)生。 BOX1 工作原理圖如圖 11 所示。該時(shí)鐘使圖 21 中的“ count0_2” 以 3 為模記數(shù)，記數(shù)值送三選一數(shù)據(jù)選擇器，如圖 12 所示。 圖 12 仿真波形 其中 BOX2框圖的一個(gè)部分如圖 13 所示。數(shù)據(jù)通過這種方式實(shí)現(xiàn)了 分離，再加后級(jí)鎖存，并鎖存送到 PWM 發(fā)生器。 BOX2 工作的仿真波形如圖 14所示。在此處， D點(diǎn)傳送過來的三相數(shù)據(jù)為 18 、 30 175，這是經(jīng)過查正弦表，以及查 V/F 曲線，并進(jìn)行調(diào)幅運(yùn)算后得到的某一個(gè)瞬時(shí)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過 BOX2 的分離，可以看到，三相數(shù)據(jù)被分離開來，并鎖存，直到經(jīng)過一個(gè)載波周期，新的數(shù)據(jù)送來。然后，再反過來把這一路數(shù)據(jù)拆分為三路數(shù)據(jù)，就可以送到 PWM 波形發(fā)生器產(chǎn)生三相六路波形。所以利 用分時(shí)電路大大的節(jié)約了門數(shù)，從而使芯片電路規(guī)模變小近 2／ 3。 Altera 公司的這種軟件十分方便的提供逼真的驗(yàn)證方式。 圖 15 是輸入調(diào)制頻率為 50HZ 時(shí)三相六路 SPWM 波形。令 A相上橋信號(hào)為 WG， 下橋信號(hào)為 IWG，以此類推。即調(diào)制頻率 50HZ。 圖 15 調(diào)制頻率為 50HZ 時(shí)的三相六路波形 圖 16 是三相死區(qū)時(shí)間。 圖 16 三相死區(qū)時(shí)間比較 圖 17 是封鎖信號(hào)來到時(shí)的六路波形，封鎖信號(hào) G為低電平時(shí)，六路信號(hào)立交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 即被封鎖置零，直到 G 恢復(fù)為高電平，信號(hào)恢復(fù)。它是在運(yùn)算放大器的反饋回路中串入一個(gè)電阻和一個(gè)電容構(gòu)成的，其綜合了比例控制響應(yīng)快和積分控制能消除誤差的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng) IV 在 DDV~0 之間變化時(shí)，輸出脈沖的頻率范圍可達(dá) ~0 。圖中標(biāo)注的數(shù)字為器件的引腳號(hào)。在設(shè)計(jì)中，定義頂層的各個(gè)端口類型為獨(dú)立的 std_logic 或 std_logic_vector 類型。 1）準(zhǔn)計(jì)數(shù)器模塊： 基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器由加減計(jì)數(shù)器構(gòu)成，加計(jì)數(shù)器和減計(jì)數(shù)器交替執(zhí)行，在此模 塊中， clk 為基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)， dir 為時(shí)鐘計(jì)數(shù)方向指示信號(hào)（為 0 時(shí)加法計(jì)數(shù)器， 1 時(shí)減法計(jì)數(shù)器）， res 為計(jì)數(shù)清零信號(hào)。此處 P 為三角波計(jì)數(shù)峰值。以下是它的實(shí)體 VHDL 語言描述。 use ieee .。 entity counter is port (clk, dir, res :in std_logic。 int :out std_logic。 end pwm_1。以下是它的進(jìn)程 VHDL 語言描述。 elsif (clk`event and clk=`1`) then if en=`1` then q_temp=din。 end if。 end process。 process(sm, dsina) begin if sm=’1’ then y=dsina。 end if。 end process。 需要注意的是比較器的電路有三個(gè)輸出端口。其實(shí)體的 VHDL 硬件描述語言如下。 use ieee .。 entity pare is port( a, b :in std_logic_vector(9 downto 0)。 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 rst :in std_logic。 end pwm_4。 死區(qū)計(jì)數(shù)器采用飽和計(jì)數(shù)器，規(guī)則為： （ 1） 當(dāng)輸入為 0 時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值置 0； （ 2） 當(dāng)輸入為 1 時(shí)，如果計(jì)數(shù)值等于 max，則計(jì)數(shù)值保持不變，否則作加 1計(jì)數(shù)； （ 3） 當(dāng)上橋臂 P1a 輸入為 1 且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為 max 時(shí)，則 a1=1，上橋臂導(dǎo)通； （ 4） 當(dāng)下橋臂 P2a 輸入為 1 且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為 max 時(shí)，則 a2=1，下橋臂導(dǎo)