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1、1 前言1.1 交流调速的意义电动机及其控制在国民经济中起着至关重要的作用。无论是在工农业生产、运输、国防宇航、医疗卫生、商务办公设施还是日常生活中的家用电器，都广泛地使用各种各样的电动机。电动机是电能应用的主要形式，是应用最广泛的电能到机械能的变换装置，世界上超过60%的发电量用于驱动各种各样的以电动机为基础的电力传动装置与系统。其中许多的机械能有着调速的要求，如车辆、机床、纺织机械等。另一类设备如风机、水泵等为了减少运行的损耗节约电能，满足生产工艺等要求为目的，也需要对电动机进行调速控制。鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速系统一般采用直流电动机。在过去，直流电动机调速系统占据主导
2、地位。但是直流电动机本身在机构上存在严重的问题，它的机械接触式换向器不但结构复杂、制造复杂、生产周期长、价格昂贵，而且运行中容易产生火花，以及更换机械强度不高，电刷易于磨损等。在运行中需要有经常性的维护，同时对环境的要求也比较高，不能适用于化工、矿山等周围环境中，以及有粉尘、腐蚀、易燃易爆气体的场合。即便应用于车辆千引上，也感到维护检修不便，特别是由于换向问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组，目前高速直流电动机所能做到的最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，容量较大的直流电机往往要做成双电枢，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。众所周知，直流他励电动机是一种
3、控制性能非常优越的电动机，因为在几何中性线上，电机的励磁回路所产生的励磁电流与电枢回路所产生的电枢在空间是垂直的。若不考虑磁路饱和的影响，他们之间没有耦合关系，互不影响，可以分别独立进行调节，所以它调速方便，只要改变电机的输入电压电流，就可以在宽广的范围内实现无级调速，而且在磁场一定的条件下它和电枢电流成正比，它的转矩易于控制，因此直流电动机调速系统比较容易得到良好的动态特性，所以过去直流电动机调速系统一直在变速传动领域占主导地位。而交流电机早在十九世纪八十年代中期就已问世，由于它具有消耗原材料少、制造成本低、结构牢固、运行安全可靠、环境适应性强以及易于向高压、高速度和大容量方向发展的特点，迅
4、速得到广泛的应用。这种所谓的不变速系统是指交流电机本身不进行调速，而为了达到对整个系统的控制又不得不采用其它的措施进行调速，从而白白消耗了大量的电能。这样，如何从本质上改变交流电机调速控制特性，使之具有直流电机的调速性能，便成为近几十年来电气传动研究工作者努力研究的主要课题之一。交流调速系统具有以下几个主要优点：交流电机的价格远低于直流电机，而且结构简单、重量轻、制造简单、可靠性和运行效率高，不易出故障，维修工作量小，适用场合几乎没有限制，并且单机容量远大于直流电动机。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机要广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80%以上。在整个
5、电机调速中有重要的地位。然而，由于交流电机是高阶、多变量、强耦合、非线性系统等原因，与直流电机相比，转矩难以控制。这也严重制约了交流调速的发展。交流变频调速技术是集电力电子技术、微电子技术、电机学及自动控制于一身的一项技术高度发展的产物，它通过改变电动机定子供电频率来控制转速，从而实现交流电动机调速的一种方法。交流变频调速以其调速范围广，平滑性好，具有优良的动静态特性，显著地节能效果和广泛的适用性被公认为应用性好、效率高，是理想的电气传动方案。随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体交流技术的交流调速系统得以实现，特别是大规模集成电器和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的不断创新，为
6、交流电力传动的开发创造了有利条件，使得交流电力传动加宽了调速范围、提高了问素精度、很快的动态响应以及在四象限作可逆运行的技术性能。随着各种功率半导体开关器件的相继问世，使得长期阻碍变频技术推广应用的关键问题得到解决，从而使变频调速方式在工业应用中显示出强大的生命力。今年来，随着数字化控制的变频调速系统获得巨大发展，先进的控制理论（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）被广泛应用，变频装置中的电器件如IGBT、IGCT等性能的大大提高，以及现代数字化控制变频调速系统噪声大大降低，耗电量大幅减少，并且可以得到良好的电流波形，从而使系统更加可靠。同时调速范围、调速精度、动态响应、功率因数、运行效率和使用
7、性能等方面的提高使交流调速系统发生了质的飞跃，逐步取代直流调速系统，成为主要传动装置。1.2 国内外交流调速现状1.2.1 国外现状在大功率交-交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子的SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10-2600KVA，其控制系统已实现全数字化。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器单机容量可达700KVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全
8、数字化。1.2.2 国内现状从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在80年代，已经成功引进了矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦合的方法，探讨交流电机变频调速的控制策略。进入90年代随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入SPWM和空间磁通矢量PWM等方法，控制算法采用模糊控制、
9、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无转速传感器交流变频调速系统的研究上作了大量有益的基础研究。在新型电力电子器件应用方面由于GTR、GTO、IGBT等全控器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大简化，并使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。但由于半导体功率器件和控制器件等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形成产业化与国外的知名品牌相抗衡，并且品质与质量还不能满足市场需要，每年还要大量进口高性能的变频器。2 变频调速的原理与方法2.1异步电动机调速原理概述 在进行电机调速时，总是希望每极磁通量为额定值。如果磁通太弱，则没有充分利用铁心；如果磁通过大
10、，则容易导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。而交流电机只有一个供电回路，一个定子绕组，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，这就是它的控制比较困难。由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是： （2-1） 由式2-1可知，只要适当控制和，便可达到控制磁通的目的，在确保不变的情况下，分两种情况考虑：(1)基频以下调速要保持不变，当从额定值向下调节时，必须同时降低，使/为常值，即采用恒定的电动势频率比控制方式。然而绕组中的感应是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降。但是在低频时，和都很小，定子阻抗压降不可再忽略。于是这是可以采取将电压曲线向上抬高的措施，以便补
11、偿定子压降。恒压频比控制特性如图2-1。其中a为无补偿特性曲线，b为带定子压降补偿特性曲线。图2-1 恒压频比控制图 图2-2 异步电动机变压变频调速控制特性（2）基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从额定值往上增高，但电压却不能增加到比额定电压还要大，最多二者相等。由式2-1知磁通将随着的增加而降低，相当于直流电动机的弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图2-2所示的异步电动机变压变频调速控制特性。根据电机原理，在基频以下磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”的性质；在基频以上，转速升高，转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。2.2 PWM脉宽调制技术简介为了对所设
12、计的驱动保护电路进行试验，在驱动保护电路之前必须有PWM信号形成电路，属于主回路开关器件的控制信号，是进行试验的基础，PWM信号的形成也是目前电力电子研究领域的热点。本文主要对正弦波脉宽调制信号（SPWM）进行研究。2.3 正弦波脉宽调制（SPWM）的原理及其特点根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越窄，输出的差异越小。换句话说，如果把各输出波形用傅里叶变化分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。这是一个非常重要的结论，它表明惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关。对上述等效调宽脉冲，在选定了
13、等分数k后，可以借助计算机严格的算出各段矩形脉冲的宽度，以作为控制逆变器开关元件通断的依据。这种由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法，称作逆变器的正弦波脉宽调制方法（SPWM）。(a)(b)图2-3（a）电路原理图 （b）SPWM脉冲的形成在实际应用中，人们常采用正弦波与三角波相交的方法来确定各段矩形脉冲的宽度。三角波是上下宽度按线性变化的波形，任何一条光滑的曲线与三角波相交，如果令该曲线大于三角波时输出高电平，小于三角波时输出低电平，就能够得到一组等幅的、脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。依据这一理论，可由载波调制正弦波而获得脉冲
14、宽度按正弦波规律变化又和正弦波等效的脉冲宽度调制波形，称为正弦波脉宽调制。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号对三角载波进行调制，达到调节脉冲宽度的一种方法，图2-3中可看出三角波调制法原理。它是利用三角波电压与参考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。为了减少谐波影响，要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电，因此广泛应用的是采用正弦波作为PWM逆变器的参考信号，即逆变器称为SPWM逆变器。SPWM逆变器的两个重要的性能参数，调制比（即调制深度）m=U1/U2和载波比N=f1/f2。其中U1、f1为正弦波（调制波）信号的幅值和频率；U2、f2为三角波（载波）信号的幅值和频率。在
15、SPWM控制方式中，U2的值保持不变，m值的改变通过改变U1来实现。改变参考信号的频率f1时，可以改变输出基波的频率，当改变参考信号U1的幅值时，输出脉冲的宽度随之改变，从而可以改变基波电压的大小。2.4逆变原理及其电路简图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(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。在本设计中采用图2-4的主电路，这也是变频器常用的格式。图2-4 电压型交直交变频调速主电路2.4.1主电路设计1.交直电路设计选用整流
16、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=1.35=1.35380V=513V。滤波电容滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，滤波电容的充电电流很大，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，在变频器的
17、交流调速中，电动机的减速是通过降低变频器的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉这部分能量。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.直交电路设计选用逆变开关管组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电，逆变管在这里选用IGBT。续流二极管的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变
18、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，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。电阻，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。所以增加电阻，限制电容的放
19、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，通过电阻放电，实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。2.4.2变频器主电路逆变原理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。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
20、部分。在三相逆变电路中，应用的最多的是三相桥式逆变电路。电压型三相桥式逆变的工作原理如下：逆变电路基本工作方式是180度导电方式，即每个桥臂的导电角度为180度，同一相上下两个臂交替导电，每相开始导电的时间依次相差120度，如此每一瞬间，将有三个桥臂同时导通。对于U相，当V1导通时，uN=d/2，当V4导通时，uN=-d/2。uN的波形是幅度为d/2的矩形波。V相和W相的情况和U相类似，只是相位依次相差120度。UN、VN、WN的波形图如图2-5所示。图2-5UN、VN、WN波形3 变频调速系统的硬件电路 3.1 系统原理及组成变频调速一般可分为基频以下的恒磁通变频调速和基频以上的弱磁通变频调
21、速。由于磁通比较难以准确的控制和调节，故基频以下的恒磁通变频调速应用的较多。实现这种变频调速需要对两个量进行有效的调节，定子电压和频率。鉴于定子电压和频率之间有固定的比例关系，于是通过对一个信号的控制就可以实现同时对定子电压和频率两个信号的而调节，从而达到实现变频调速的目的。本设计是先把工频的三相交流电经三相整流桥整流后变成直流电，通过大电容对整流后的直流电进行滤波，使直流电压变化趋于平稳。然后用三相逆变桥对平稳的直流电进行逆变，从而转化成可调节的交流电。在整个变换过程中，通过对逆变器的开关控制，有规律的控制逆变器中主开关的通和断，可以输出任意频率的三相交流电，来实现对异步电动机的变频调速。系
22、统采用SPWM技术。主要依靠SA4828产生三相六路互差120的SPWM波，然后这些脉冲经过驱动隔离电路来控制逆变桥的开关器件。通过控制开关器件通断的时刻和频率来控制逆变桥输出的电压和频率。系统设计电路可分为驱动电路、保护电路、控制电路等。3.2 驱动电路3.2.1 IGBT简介及驱动要求变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT等。IGBT集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用变频器中使用的主流功率器件。IGBT作为第二代电力电子器件，它的应用使变频器的性能有了很大的他高，主要表
23、现为：（1）发热减少，将曾占主回路发热50-70%的器件发热降低了30%；（2）高载波控制，使输出电流波形有明显改善；（3）提高开关频率，实现了电机运行的静音化；（4）驱动功率减少，体积趋于更小；它的图形符号及简化的等效电路如下图3-1： (a) （b）图3-1 IGBT简化等效电路(图a)及图形符号（图b）IGBT是压控器件，栅极输入阻抗高，并且栅极电压进入稳定阶段，栅极几乎不从驱动电路取电流，因此所需要驱动功率小，驱动较为容易。但必须注意，IGBT的特性与栅极驱动条件密切相关，随驱动条件的变化而变化。(1)随着栅极正向电压的增加，通态压降减小，开通损耗也减小.若固定不变时，通态压降随集电极
24、电流增大而增大，开通损耗随结温升高而增大。(2)随着栅极反向电压的增加，集电极浪涌电流减小，而关断损耗变化不大，IGBT的运行可靠性提高。(3)随着栅极串联电阻增加，将使IGBT的开通和关断时间增加，从而使IGBT开关损耗增加；而减小，则又将使增大，从而使IGBT在开关过程中产生较大的电压或电流尖峰，降低IGBT运行的安全性和可靠性。通过以上分析可以看出，一个理想的IGBT驱动电路应具有以下基本性能:(1)通常IGBT的栅极电压最大额定值为20V，若超过此值，栅极就会被击穿，导致器件损坏。为防止栅极过压，可采用稳压管作保护。(2)IGBT存在2.56V(T=25C)的栅极开启电压，驱动信号低于
25、此开启电压时，器件是不导通的。要使器件导通，驱动信号必须大于其开启电压。当要求IGBT工作于开关状态时，驱动信号必须保证使器件工作于饱和状态，否则也会造成器件损坏。正向栅极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一定过载情况下器件不退出饱和的前提，正向栅极电压越高，则通态压降越小，通态损耗也就越小。对无短路保护的驱动电路而言，驱动电压高一些有好处，可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。通常，正向栅极电压取15V。在有短路保护的场合，不希望器件工作于过饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流，对短路保护有好处。此时，栅极电压可取为13V。另外，为减小开通损耗，要求栅极驱动信号的前沿要
26、陡。IGBT的栅极等效为一电容负载，所以驱动信号源的内阻要尽可能小，以提供足够大的充放电电流，缩短开关时间和降低开关功耗。(3)当栅极信号低于其开启电压时，IGBT就关断了。为了缩短器件的关断时间，关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。器件关断时，驱动电路应提供低阻抗的放电通路。一般栅极反向电压取为-(50)V。当IGBT关断后在栅极加上一定幅值的反向电压可提高抗干扰能力。(4)IGBT栅极与发射极之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由于存在栅极输入电容，所以驱动电路需要提供动态驱动电流。器件的电流、电压额定值越大，其输入电容就越大。当IGBT高频运行时，栅极驱动电流和驱动功率也是不小的，
27、因此，驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。(5)IGBT是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间不宜过短，否则会产生过高的集电极尖峰电压。栅极电阻对IGBT的开关时间有直接的影响。栅极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，会对器件造成损坏，所以栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。栅极电阻过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大，也会降低其工作效率和对其安全运行造成危险，所以栅极电阻的上限受到开关损耗的限制。对600VIGBT器件，栅极电阻可据下式确定：=(I10)625/式中，为IGBT的额定电流值. 栅极电阻的下限取系数为1，限取系数为10。对于1200V的IG
28、BT器件，栅极的电阻值可取相同电流额定值的600V器件阻值的一半。(6)驱动电路和控制电路之间应隔离。在许多设备中，IGBT与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。驱动电路具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时也有利于维修调试人员的人身安全.驱动电路和栅极之间的引线应尽可能短，并用绞线，使栅极电路的闭合电路面积最小，以防止感应噪声的影响。采用光耦器件隔离时，应选用高的共模噪声抑制器件，能耐高电压变化率。(7)输入输出信号传输尽量无延时。这一方面能够减少系统响应滞后，另一方面能提高保护的快速性。(8)电路简单，成本低。(9)当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内
29、通过逐渐降低栅极电压自动抑制故障电流，实现IGBT软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过离的。在杂散电感的作用下，过高的会产生过高的电压尖峰，使IGBT承受不住而损坏。同样的，驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响，即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时，无论此时有无输入信号，都应无条件地实现软关断.在各种设备中，二极管的反向恢复、分布电容及关断吸收电路等都会在IGBT开通时造成尖峰电流，驱动电路应具备抑制这一瞬时过流的能力，在尖峰电流过后，应能恢复正常栅压，保证电路的正常工作。(10)在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号，供控制电路处理。3.2.2 EXB8
30、40简介基于以上的驱动要求，在设计中采用EXB840,它是一种高速驱动集成电路,最高使用频率为40KHz驱动150A/600V或者75A/1200V的IGBT,驱动电路信号延迟小于1.5s采用单电源20V供电。EXB840的内部引脚框图如图3-2所示。它主要由输入隔离电路，驱动放大电路,过流检测急保护电路以及电源电路组成。其中输入隔离电路由高速光电耦合器组成,可隔离交流2500V的信号。过流检测及保护电路根据IGBT栅极驱动电平和集电极电压之间的关系,检测是否有过电流现象存在,如果有过电流,保护电路将迅速关断IGBT,防止过快的关断时而引起因电路中电感产生的感应电动势升高,使IGBT集电极电压
31、过高而损坏IGBT,电源电路将20V外部供电电源变成15V的开栅电压和-5V的关栅电压。EXB840引脚定义如下:引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容,引脚2和9分别是电源和地,引脚3为驱动输出,引脚4用于连接外部电容器,防止过流保护误动作(一般场合不需要这个电容),引脚5为过流保护输出,引脚6为集电极电压监视端,引脚14和15为驱动信号输入端,其余引脚不用。图3-2 EXB840的引脚图3.2.3 采用EXB840组成的IGBT驱动电路采用EXB840集成电路驱动的IGBT的典型应用电路如图3-3所示。其中ERA34-10是快速恢复二极管。IGBT的栅极驱动连线应该用双绞线,长度应该小于1m,
32、以防止干扰,如果IGBT的集电极产生大的电压脉冲,可增加IGBT的栅极电阻。图3-3 EXB840组成的驱动电路3.3 保护电路 对于不同类型的装置，其保护电路的要求和功能不尽相同。就高频逆变器而言主回路的保护电路主要有：过流保护、过压保护和过热保护。主回路选择的器件为IGBT，根据器件种类的不同在设计以及应用线路设计时有不同的要求和特点，因此驱动电路的保护特性必须与器件和电路相适应才能进行可靠有效的保护。不同的器件对保护电路的要求也不尽相同，下面就主回路开关器件选择IGBT时，高频逆变器对各种保护电路的要求做一详细分析。3.3.1 过、欠压保护电路过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过
33、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SA4828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 3-4为本文介绍的变频器过压保护电路。图3-4过压保护电路
34、它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，光耦器件导通，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%。 欠压产生的原因有两种：一是输入的交流电压长时间低于标准规定的数值。另一种是瞬时停电或瞬时电压降低。欠电压导致逆变器开关器件驱动功率不足而烧坏开关器件。一般欠压信号从直流端取样，这样既能在欠电压，过电压时检测出
35、信号进行保护，又不会因为短时间因为在欠电压，过电压并未构成危险时而保护误动作。欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。其电压取样与过压取样相同，欠压设定值由上取出。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，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其电路如图3-5所示。动作值整定为输入电压的85%。图3-5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
36、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。以下的过流信号也是如此.故障自诊断电路如图3-6所示： 图3-6故障自诊断电路3.3.2过流保护随着器件容量的不断增大装置的容量也不断增大，IGBT通常工作于高压大电流的恶劣条件之下
37、，在开发使用过程中经常遇到过流损坏的问题，严重影响其应用，这时必须迅速切断驱动信号。IGBT驱动模块EXB系列、M579系列等都集成有过流保护电路。IGBT过载能力比较差，承受短路电流的时间很短，一般只有十几毫秒或几毫秒，因此当负载发生短路或故障过流时必须马上关断IGBT 。IGBT过流保护的关键在于快速检测过流，在IGBT还没损坏之前将其关断。IGBT的特点之一是其通态压降与集电极电流之间呈现近似线性关系，当电路过流时，IGBT的通态饱和压降将会升高很多，所以IGBT的过流检测可以通过检测其集电极电压来实现。这种方法的另一优点是可防止IGBT工作时的退饱和，若正常工作时IGBT的驱动电压过低
38、则会使IGBT退出饱和区而进入放大区，使集电极功耗急剧增大造成器件热损坏，采用检测VCE的方法可避免出现这种情况。驱动电压过低时，导致IGBT的通态压降上升，保护电路将其判断为过流而关断IGBT，因此这种检测方法也称为退饱和检测检测电路。电路在正常工作时有可能因为干扰而造成瞬时过流或瞬时过压，这种过流过压只是瞬时的，时间很短，在IGBT承受范围之内，如果此时驱动电路检测到过流后也封锁驱动信号，那么就会导致没有必要的关断，影响装置的正常运行，所以在电路检测到过流对IGBT进行慢关断的同时，要有一个延时判断过程，以判别真伪过流以免误动作。另外，有些集成驱动电路中没有封锁电路，当保护动作后器件恢复正
39、常，此时驱动信号会恢复正常，若此时故障还没有消除则保护电路又会动作，那么电路就会进入一种过流保护，过流的重复状态可能导致器件的损坏，所以过流保护电路中应有延时判断和封锁电路来判断真假过流和彻底封锁驱动信号。3.3.3 过热保护在IGBT的保护中散热技术和过热保护也是其中之一，当IGBT工作时自身也要消耗功率，其耗散功率主要包括通态损耗和开关损耗，其结果使基板温度和工作结温上升，随着IGBT基板温度的上升IGBT的耗散功率和集电极电流急剧下降，因此最高基板温度不能超过一定的极限值。所以为了防止器件温度过高而损坏保证其稳定可靠工作，电路中需采取适当的散热措施，放置检测IGBT温度的元件加强IGBT
40、过热检测保护。IGBT的过热保护主要包括散热器设计和过热检测保护电路。本电路采用温度传感器AD590，它的测温范围为-55度+150度，可承受的电压为-20V+40V，输出电阻为710毫欧，误差仅为+-0.3度。测得的温度经放大、ADC0804模数转换后送单片机控制。ADC0804是一种单通道模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器，共有20个引脚，采用双插直列式封装，其引脚主要功能如下：1.PIN1 (CS )：Chip Select，与RD、WR 接脚的输入电压高低一起判断读取或写电子元器件符入与否，当其为低位准(low) 时会active。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术
41、应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号2. PIN2 ( RD )：Read。当CS 、RD 皆为低位准(low) 时，ADC0804 会将转换后yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号的数字讯号经由DB7 DB0 输出至其它处理单元。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号3. PIN3 (WR )：启动转换的控制讯号。当CS 、WR 皆为低位准(low) 时yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修
42、-作用-参数-电子元器件符号ADC0804 做清除的动作，系统重置。当WR 由01且CS 0 时，ADC0804yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号会开始转换信号，此时INTR 设定为高位准(high)。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号4. PIN4、PIN19 (CLK IN、CLKR)：频率输入/输出。频率输入可连接处理单元yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号的讯号频率范围
43、为100 kHz 至800 kHz。而频率输出频率最大值无法大于yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。若在CLK R 及CLK IN 加上电yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号阻及电容，则可产生ADC 工作所需的时序。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号5. PIN5 ( INTR )：中断请求。转换期间为高位准(high)，等到转换完毕
44、时INTR 会yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号6. PIN6、PIN7 (VIN(+)、VIN(-)：差动模拟讯号的输入端。输入电压VINVIN(+)yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号VIN(-)，通常使用单端输入，而将VIN(-)接地。yc3838电子-技术资料-电子元件-
45、电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号7. PIN8 (A GND)：模拟电压的接地端。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号8. PIN9 (VREF2)：模拟参考电压输入端。VREF 为模拟输入电压VIN 的上限值。若PIN9空接，则VIN 的上限值即为VCC。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号9. PIN10 (D GND)：数字电压的接地端。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原
46、理-维修-作用-参数-电子元器件符号10. PIN11 PIN18 (DB7 DB0)：转换后之数字数据输出端。yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号11. PIN20 (Vcc)：驱动电压输入端。ADC0804组成的模数转换电路如图3-7所示 图3-7 ADC0804组成的模数转换电路yc3838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号AD590温度测量图如图3-8所示。图3-8 AD590温度测量图3.4 控制电路及产生SPWM脉冲的方法3.4.1 SPWM波的生成
47、生成SPWM脉冲的方法主要有模拟电路生成和数字化SPWM技术生成二类。由于模拟电路存在着一定的缺陷，目前在电气性能要求较高的场合大都采用专用集成芯片，以微机控制的SPWM技术已成主导地位。用于生成SPWM波形的专用集成芯片很多，如有SA8282、SLE4520和GMS97C2051等，以下主要介绍用专用集成芯片SA4828构成的SPWM波生成电路。1. SA4828主要特点：全数字控制，能产生三对相位差120度的互补的SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器。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24kHz，内部ROM 固化3种可选波形
48、，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芯片采用简化的规则采样法，其效果接近自然采样法，而运算量则小得多，这样就解决了实时快速产生SPWM信号的问题。2. SA4828引脚功能SA4828采用28脚封装。图3-9给出了其引脚排列示意图和原理框图。图3-9 SA4828引脚排列示意图各引脚的功能说明如下：（1）输入类管脚说明AD0AD7：8位地址与数据复用总线。SET TRIP：通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，高电平有效。：复位端，低电平有效。CLK：时钟信号输入端。MUX：总线选择端。当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
