毕业论文（设计）交流异步电动机变频调速系统设计.doc

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1、毕业论文（设计）交流异步电动机变频调速系统设计 摘要近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基础上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同时采用EXB840构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。本文在控制上采用恒控制，同时，软件程序使

2、得参数的输入和变频器运行方式的改变极为方便，新型集成元件的采用也使得它的开发周期短。另外，本文对SA4828三相SPWM波发生器的使用和编程进行了详细介绍，完成了整个系统控制部分的软硬件设计。关键词:变频调速，正弦脉宽调制，控制，SA4828波形发生器目录摘 要i第一章 概 述11.1变频调速技术简介 11.2 变频器的发展现状和趋势2 变频器的发展现状2 变频器技术的发展趋势21.3 研究的目的与意义31.4本次设计方案简介4 变频器主电路方案的选定4 系统原理框图及各部分简介5第二章 交流异步电动机变频调速原理及方法2.1 三相异步电机工作的基本原理7 异步电机的等效电路7 异步电机变频调

3、速原理82.2 变频调速的控制方式及选定9 比恒定控制10第三章 变频器主电路设计3.1 主电路的工作原理16 主电路各部分的设计16 变频器主电路设计的基本工作原理173.2 主电路参数计算20第四章 控制回路设计4.1 驱动电路设计21M波生成芯片特点和引脚功能21 SA4828内部结构及工作原理224.2 保护电路24 过、欠压保护电路设计24 过流保护设计264.3 控制系统的实现27总结参 考 文 献致谢 序言 变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日

4、新月异的进步，开始出现了通用变频器。进入90年代通用变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜并在工业领域及家电产品中得到迅速推广。） 第一章 绪论1.1 变频调速技术简介变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的从大范围来分电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现。但直流机固有的缺点：滑环和碳刷要经常拆换，给人们带来太大的麻烦。因此，简单可靠的笼式交流电机就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步电力电子技术、微电子技术

5、和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。它功能丰富，可以适用于不同的负载和场合，特别是进入20世纪90年代，随着半导体开关器件IGBT、矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流，调速后异步电动机的静、动态特性已经可以和直流调速相媲美。随着变频器的专用大规模集成电路、半导体开关器件、传感器的性能越来越高，进一步提高变频器的性能和功能已成为可能。现在的变频器功能很多，操作也很方便，其寿命和可靠性也较以前有了很大的进步。所谓变频就是利用电力电子器件 如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT 将50

6、Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频 又称交-交变频 ，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频 又称交-直-交变频 ，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波 调制波 与三角波 载波 比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。 本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。 1.2 变频器的发展现状和趋势 变频器的发展现状变频技术和

7、变频器制造己经从一般意义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵地，各发达国家更是在该技领域注入了极大的人力、物力、财力，使之目前己经进入了高新技术行业。就变频技术而言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等国家可以说是齐头并进，不分伯仲。在这一领域的研制、生产方面，220KW功率以上的变频器基本被欧、美等国家垄断如德国的西门子 SIEMEN 、丹佛斯 DANFOSS ，美国的AB.OE公司、欧洲的ABB等。中小容85%为日本产品和台湾产品所占领，如富士 FUJI ,三垦 SAMCO 、东芝 TOSHIBA 、松下 PANASONIC 、三菱 MITSUBISH

8、I 、安川以及台湾的台达。由于这些国家、地区的工业基础好、制造业发达、开发生产能力强，所以他们生产的变频器适应范围广，生产己经初具规模变频器应用普及率在以上。我国的变频器深圳华为电气 现己经改名安圣电气 、伴灵电气、成都森兰、大连普传科技都是变频器研究、开发产的高新技术企业，拥有雄厚的技术实力相信不久的将来可以取代国外品牌创建我们自己的国产名牌。 变频器技术的发展趋势随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展2：1.网络智能化智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频

9、器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。2.专门化和一体化变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。3.环保无公害保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。4.适应新能源现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头

10、角，有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化变频器的高性能化和多功能化结构的小型化1.3 研究的目的与意义随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置 主要指变频器 性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力

11、。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET既有管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率IGBT；以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世为高质量的控制创造了良好

12、的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现PWM控制的变频技术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。1.4 本次设计方案简介 变频器主电路方案的选定变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交直交和交交。1.交交型变频器它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率的交流电。由于中间不经过直流环节不需换流，1/31/2,所以不能高速运行。

13、.交直交型变频器交直交它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源交直交型 系统原理框图及各部分简介本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。图1.1 系统原理框图系统各组成部分简介：供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤

14、波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近1。滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。极 对 数：P 2。第二章

15、交流异步电动机变频调速原理及方法2.1 三相异步电机工作的基本原理 异步电机的等效电路异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路可用图2.1来表示3。图2.1异步电动机的定、转子图图2.1中：定子的相电压；定子的相电流； 定子每相绕组的电阻和漏抗；、分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；每相定子绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。其有效值可计算如下： （2-1）式中: 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值；定子频率；定子每相绕组中串联匝数；基波绕组系数；极气隙磁通。由电动机的基础知识可知：转子回路的频率 ，与转差率成正比，所以转子回路

16、中的各电量也都与转差率成正比。为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，应将定子、转子放在一个电路中。由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。根据电机学原理，在下列假定条件下：a.忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的；b.忽略磁饱和；c.忽略铁损。可以得到电动机的T形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现只取A相进行计算分析。A相的T形等效电路如图2.2所示。图2.2 电动机的T形等效电路图图2.2中：励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻；励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；励磁电流；机械负载的等效电阻，在 ,在上消耗的功率就相当于异步电动机

17、输出的机械功率；等参数经过折算后的转子参数。 异步电机变频调速原理交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电

18、机磁场转速称为同步转速，用表示： （2-7） 式中：为三相交流电源频率，一般是50Hz；为磁极对数。当 1是， 3000rmin； 2时， 1500rmin。由上式可知磁极对数越多，转速就越慢，转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示： （2-8）在加上电源转子尚未转动瞬间， 0，这时 1；启动后的极端情况 ，则 0，即在01之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 1%6%。综合（2-7）和（2-8）式可以得出： （2-9）由式（2-9）可以看出，对于成品电机，其极对数已经确定，转差率的变化不大，则电机的转速与电源频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以

19、改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。2.2 变频调速的控制方式及选定 比恒定控制比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于

20、饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：则 即 （2-10）另外，电机的电磁转矩为: （2-11）其中 与电动机有关的常数；Cos转子每相电路功率因数；转子电压与电流的相位差；电机的电磁转矩。由式 2-10 推断，若不变，当定子电源频率增加，将引起气隙磁通减小；而由式 2-11 可知，减小又引起电动机电磁转矩减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在不变时，而定子电源频率减小，又将引起增加,增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电

21、动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:变频调速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。1.基频以下调速由式 2-10 可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低,使 常值只要保持为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。根据电机端电压和感应电势的关系式： 2-12 式中: -定子相电压； -定子电阻； -定子阻抗； -定子电流。当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，和可以看成近似相等，所以保持 常数即可。由于比

22、恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，与 都变小，定子漏阻抗压降 主要是定子电阻压降 不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。变频后的机械特性如图2.4所示。图2.4 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性从图2.4中可以看出，当电动机向低于额定转速方向调速时,曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量保持恒定，调速时就要求感应电动势与电源频率的比值不变，为了使控制容易实现，采用

23、电源电压来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。显然，被忽略的定子阻抗压降在电压中所占的比例大小决定了它的影响。当的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压中所占的比例相对较小，所产生的误差较少；当的数值较低时，定子阻抗压降在电压中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻抗压降在电压中的比例增大，已经不能再满足。此时如果仍以代替，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动势减小，的比值减小，造成磁通量减小，因而导致电动机的临界转矩的下降。变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解

24、决方法就是所示的转矩补偿法。转矩补偿法的原理是：针对频率降低时，电源电压成比例地降低引起的的下降过低，采用适当的提高电压的方法来保持磁通量恒定，使电动机转矩回升，因此，有些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost）。带定子压降补偿的压频比控制特性示于图2.5中的b线，无补偿的控制特性则为a线。定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。图2.5 压频比控制特性曲线补偿后的机械特性曲线如图2.6所示。图2.6 补偿后的机械特性曲线2.在基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从额定频率向上增高，但是电压却不能超出额定电压，由式

25、（2-10）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。变频后的机械特性如图2.7所示。图2.7 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性当电动机向高于额定转速方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。造成这种现象的原因是：当频率升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量将随着频率的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。以上调速方式相应的特性曲线如图2.8所示。图2.8整个频率调速的特性曲线注：图中曲线

26、1在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。第三章 变频器主电路设计3.1 主电路的工作原理变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个

27、功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电，再将直流电转变为频率可调的交流电。图3.1 电压型交直交变频调速主电路 主电路各部分的设计1.交直电路设计选用整流管组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的电压为 1.35380V 513V。滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻，从而使电容的充电电流限制在允许的范围内。当充电到一定程度，使闭合，将限流电阻短路。在许多下新型的变频器中，已有晶闸管替代。电源指示

28、灯HL除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电压会威胁人员安全。因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。为制动电阻，和的作用就是消耗掉这部分能量。如图3.1所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管导通，将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。2.直交电路组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电，逆变管在这里选用IGBT。的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生

29、电流提供通道，使其回流到直流电源。，电容，二极管组成缓冲电路，来保护逆变管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流和集电极与发射极间的电压的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时，迅速上升，迅速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电容（）来减小电压增长率。当逆变管开通时，迅速下降，迅速升高，并联在逆变管两端的电容由于电压降低，将通过逆变管放电，这将加速电流的增长率，造成IGBT的损坏。所以增加，限制电容的放电电流。可是当逆变管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管（），使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。放电时，通过电阻

30、放电，实现缓冲功能。 变频器主电路设计的基本工作原理1.整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1，由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍5。2.逆变的基本工作原理将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下：（1）单相逆变电路在图3.2的单相逆变电路的原理图中：当、同时闭合时，电压为正；、同时闭合时，电压为负。由于开关的轮番通断，从而将直流电压逆变成了交流电压。可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如：、交替导通，每个开

31、关导通电角度。因此交流电的周期（频率）可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值。图3.2 单相逆变器原理图（2）三相逆变电路三相逆变电路的原理图见图3.3所示。图3-3中，组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在输出端得到一个相位互相差的三相交流电压。当、闭合时，为正；、闭合时，为负。用同样的方法得：当、同时闭合和、同时闭合，得到,同时闭合和、同时闭合，得到。为了使三相交流电、在相位上依次相差；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图3.3b中已标明。根据该规律可得、波形如图3.3c 所示。结构图 b 开关的通断规律 c 波形图图3.3 三相逆变器原理

32、图观察6个开关的位置及波形图可以发现以下两点：各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如、。各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差电角度。如比,滞后，比滞后。上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过的大小来调节。3.2 主电路参数计算根据前面所给出的原始参数，主电路各部分的计算如下6：1.整流二极管的参数计算（峰值电流） 15.6 22.06A（有效值） （1.52）Id/1.57 （23） （23）3802.滤波电容系统采用三相不控整流，经滤波后 1.13803.制动部分击穿电压：当线电压为380V时，根

33、据经验值选1000V。集电极最大电流：按照正常电压流经电流的两倍来计算 2591.05/18.94 62.41A4.IGBT的选用 （22.5）1.1380 （1.22） （1.22）-发射极额定电压1477.63V 1773.16V第四章 控制回路设计控制回路是为变频器的主电路提供通断信号的电路，其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制。控制方式有模拟控制和数字控制两种，本设计中采用的是以微处理器为核心的全数字控制，优点是它采用简单的硬件电路，主要依靠软件来完成各种控制功能，以充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的特点来完成许多模拟量难以实现的功能。设计控制电路如下：4.1 驱动电路

34、设计驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。主电路逆变电路设计中采用的电力电子器件是IGBT，故称为门极驱动电路。以下将介绍SPWM技术工作原理和设计中所选用能产生SPWM波芯片SA4828的基本结构和工作原理。 SPWM波生成芯片特点和引脚功能1.SA4828的特点全数字控制，兼容Intel等多系列单片机，输入调制波频率范围04kHz，16位调速分辩率，载波频率最高可达24kH，内部ROM 固化3种可选波形，最小脉宽和延时时间可调，可单独调整各相输出以适应不平衡负载，具备看门狗定时器功能等。SA4828采用28脚封装。下图给出了其引脚排列示意图和原理框图图4.2 SA4828

35、引脚排列示意图（1）输入类管脚说明AD0AD7：8位地址与数据复用总线。SET TRIP：复位端，低电平有效。CLK：时钟信号输入端。MUX ：总线选择端。MUX为高电平时，使用地址和数据共用的总线，这时，地址/数据管脚RS不用；当MUX为低电平时，使用地址和数据分开的总线，这时，地址锁存器ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。：片选输入该控制线可使SA8282与其他外围接口芯片共享同一组总线，低电平有效。：Intel Motorola 总线控制write、read信号。ALE：地址锁存允许。VDD供电电源正端 +5

36、V 。Vss：供电电源负端 0V 。：输出封锁状态指示，低电平表示禁止输出。ZPPR：零相位脉冲输出端。Wss：波形采样同步端口。RS：寄存器选择端。 SA4828内部结构及工作原理SA4828为28引脚的DIP或SOIC封装的控制芯片，内部具有总线控制及译码电路，有多种寄存器和相控逻辑电路。外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所选定的片内三种调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲，然后通过脉冲删除电路删除窄脉冲（图4.3 脉冲序列中的窄脉宽因为这种脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗通过脉冲延迟电路生成死区，从而保证桥上的管子不会在状态转换期间导通短路。看门

37、狗定时器用来防止程序跑飞，当条件满足时快速封锁输出。原理框图SA4828的设置是通过单片机接口将数据送入SA4828芯片内的两个寄存器 初始化寄存器和控制寄存器 来实现的。初始化寄存器用于设定与交流电动机有关的基本参数，这些参数要在PWM输出端允许输出前设定，系统工作以后不允许改变。控制寄存器是在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进一步控制交流电动机的运行状态，通常在工作时，该寄存器的内容常被改写，以实现实时对交流电动机的速度进行控制。参数的设定是通过8个暂存器、来传送的。其中和是两个虚拟的寄存器，实际上并不存在。初始化参数要先写入，然后通过对的写操作将参数送入初始化寄存器，再将控制参数

38、写入，并通过对的写操作将参数送入控制寄存器。SA4828各控制寄存器的地址见表AD3AD2AD1AD0地址 R0000000 H R1000101 H R2001002 H R3001103 H R4010004 H R5010105 H R1411100E H R1511110F H4.2 保护电路保护电路的主要功能是对检测电路得到的各种信号进行运算处理，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到异常时，进行各种必要的处理12。 过、欠压保护电路设计过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通用变频器输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士10%。通常情况

39、下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。过高的直流电压对IGBT的安全构成威胁，很可能超过IGBT的最大耐压值而将其击穿，造成永久性损坏。当输入电压过低时，虽不会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常，而使系统紊乱，导致输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧坏IGBT。而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此有必要对系统的电压进行保护。图为本文介绍的变频器过压保护电路。直接对直流侧电压进行检测其中电压信号的取样是通过电阻和分压得到的，电容起滤波抗干扰作用，防止电路误动作。过压设定值从电位器上取出。运放接成

40、比较器的形式。当取样电压高于设定值时 异常情况下 ，比较器输出高电平，光器件导通，输出低电平保护信号。其中电阻是正反馈电阻，它的接入使正反馈有一定回差，防止取样信号在给定点附近波动时比较器抖动，这里将过压保护的动作值整定为额定输入电压的110%上取出。运放接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时 正常情况下 ，比较器输出高电平，光耦器件不导通，输出高电平。当取样电压低于设定值时 欠压情况下 ，比较器输出低电平，光器件导通，输出低电平保护信号。其电路所示。动作值整定为输入电压的85%图4.6欠压保护电路本系统的故障自诊断是指在系统运行前，变频器本身可以对过载、过压、欠压保护电路进行诊断，检测其保

41、护电路是否正常。因此故障自诊断功能就是由单片机控制发出各种等效故障信号，检测对应的保护电路是否动作，若动作则说明保护电路正常，反之说明保护电路本身有故障，应停机对保护电路进行检查，直到显示器显示正常为止。故障自诊断电路工作过程如下：单片机控制HSO.2口发出一高电平，经非门整形后输出低电平，光耦器件导通，有电流流过三极管的基极，三极管导通输出低电平，输出的低电平自诊断信号分别送至过压、欠压保护电路。因SA4828的SET TRIP端为高电平有效,所以应加上一个反相器,使其反相后输出高电平。以下的过流信号13：图4.7 故障自诊断电路 过流保护设计变频器在诸如直流短路、桥臂短路、输出短路、对地短

42、路等情况下，电流变化非常迅速，元件将承受极大的电压和电流，而IGBT器件的内部结构决定了它在足够大的电流下会出现锁定现象，造成管子失控无法关断，以至烧坏，所以过流之前必须使IGBT关断以切断电流，虽然在IGBT的驱动模块EXB84中已经有过流保护，但考虑到过大时IGBT还未来得及关断已经发生锁定现象的可能性，必须采取辅助断流措施。这里采用瑞士LEM 公司生产的霍尔效应磁场补偿式电流传感器来进行电流的检测。在此传感器的输出端串电阻R，则R上的压降反应了被测的电流过流发生时，上的压降大于过流保护动作整定值，比较器LM324输出低电平去封锁IGBT的驱动电路的输入信号即可使桥臂上的所有IGBT处于截

43、止状态实现过流保护的功能。过流保护的电路示意图如所示4.3 控制系统的实现单片机在整个控制系统中起着核心作用，从电流电压的检测到参数的计算、存储和传送，再到人机接口的实现，都是单片机在其中穿针引线，控制、协调各部分的工作。它的性能的好坏及工作的正常与否对整个控制系统有着重要的影响。在本设计中选用单片机课程学习到的Intel公司的8051单片机。8051是高性能的单片机，因受到引脚数目的限制，它属于地址与数据复用的单片机，可以与SA4828直接接口。其内部有4KB的ROM，以下是它的引脚图14。图4.9 8051引脚图因8051已经比较常见和熟悉，这里不再详细介绍。图4.10是单片机的系统图15

44、。 模拟量的频率给定通过ADC0809模数转换器读入8051，转化为SA4828的控制字，以控制触发信号的波形。ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近型A/D转换器件，电位器的输出接其输入IN0（当51单片机没有当5l单片机没有外扩RAM和I/O口时，ADC0809就可以在概念上作为一个特殊的唯一的外扩RAM单元。因为它是唯一的，就没有地址编号，也就不需要任何地址线或者地址译码线。只要单片机往外部RAM写入，就是写到ADC0809的地址寄存器中。只要单片机从外部RAM读取数据，就是读取ADC0809的转换结果。）EOC转换结束信号经一非门接8031外部中断1（P3.3）。8051通过地

45、址线P2.0和读写信号来控制转换器的模拟量输入通道地址锁存，启动允许输出。图4.10 单片机系统图因8051的复用总线结构，SA4828的MUX引脚应该接高电平或悬空不接。8051的P0口与SA4828的AD口连接，提供8位数据和低8位地址，SA4828芯片中的地址锁存器可以锁存来自8051的低八位地址，从而将AD口输入的地址和数据分开，SA4828的地址锁存器由8051的ALE引脚控制，同时连接的控制信号还有读，写信号,.SA4828的片选信号用8051的P2.7引脚来控制，这样SA4828的8个寄存器的地址为：寄存器R0）,测量调试波的频率，用于显示。因8051的复位端为高电平有效，而SA

46、4828为低电平有效，所以在两者中间需要加上反相器。SA4828的引脚接一个发光二极管，当SA4828的输出被封锁时，发光二极管亮，用于指示封锁状态。SA4828的六个输出引脚分别通过各自的驱动电路来驱动逆变桥的六只开关管。总结本文以SPWM方法为理论基础，以8051,SA4828为核心器件，在分别讨论了它们的原理和特点后，设计了一种电压型交直交变频器，本设计有以下特点: 1 选用的变频调速控制方式是比恒定控制，从而实现了恒磁通变频调速即恒转矩调速。 2 选用了芯片生成SPWM方法，此法不仅思想先进、实现方法简便易行，而且减轻了单片机的负担，直流电压利用率高、输出电流谐波成分小。 4 主回路采用交直交电压型结构，非常适用于中、小容量的交流调速