（电力电子与电力传动专业论文）基于sa866的三相变频器的研究和实现.pdf

湖北3 - 业大学硕士学位论文 - - _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ - - - - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ i _ _ l - i _ - _ - - - _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ i _ a b s t r a c t s p w m 丘e q u e n e yc o n v e r s i o n ，ak i n do fn e wt e c h n i q u e ，i sr i s e ni nr e c e n tv e a r s a d o p t i n gt h i sk i n dt e c h n i q u e ，w ec a ng e tt h ev o l t a g eo u t p u tw h i c hi sc l o s et ot h es i n e w a v e w eu s ed i o d ea s c o n v e r t i n gc i r c u i tu n i t ，w h i c hm a k e sp o w e rf a c t o rc l o s et o 1 b e c a u s ew eo n l yn e e dt oc o n t r o li n v e r t e r ，t h ew h o l ec i r c u i ti s v e r ys i m p l e 1 nt h e m e a n w h i l e ，w ec a nc o n t r o lv o l t a g eo u t p u tw i t h c h a n g i n gp u l s ew i d t h , s od y n a m i c r e s p o n s ei sv e r yf a s t w h e ns w i t c hd e v i c e sa r ed e v e l o p e d ，t h et e c h n i q u eo fp u l s ew i d t h m o d u l a t i o ni su s e da b r o a d t h ep w m t e c h n i q u ei m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fp o w e r e l e c t r o n i c ss y s t e m s on o wi ti sa v e r yi m p o r t a n tp a r to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e w d i g i t a lt h r e ep h a s e si n v e r t e r t h i si n v e r t e ru s e si g b t a sp o w e rd e v i c e ，a n du s ea s i c _ s a 8 6 6a sm a i nc o n t r o l l i n gc h i p ，a n du s ei r 2 1 1 0a s d r i v e s a 8 6 6o n l yn e e d ss i m p l e p e r i l ； h e r a lc i r c u i t ，a n dh a st h r e es e l e c t a b l ep o w e r w a v e f o r m s ，a n dc a ns t a n da l o n eo p e r a t i o nw i t h o u tm i c r o p r o c e s s o r w ea d o p tt h em e a n s o fl i n e a rv f o p e r a t i o n 、d o u b l ee d g e dr e g u l a rs a m p l i n ga n dc o m p e n s a t i o ni n l o w f e q u e n c y e x p e r i m e n tr e s u l t i n d i c a t e st h ee f f e c ti s g o o d t h i ss y s t e m i n t r o d u c e s h a n g i n g b o x s t l u c t u l e i ti sn o to n l yu s e dt od r i v em o t o r ，b u ta l s o d e m o n s t l a t i n g c o r r e s p o n d i n gw a v e st ot h es t u d e n t s w ec a nm a k em a n ye x p e r i m e n t sw i t ht h i sp a r t ， i n c l u d i n g ：t h r e ep h a s e sm o t o r s i n ew a v e v f c ( v a r i a b l e f e q u e n c y c o n t r 0 1 ) ，t h r e ep h a s e s m o t o rs a d d l e b a c k e dw a v ev f c a n ds i n g l e p h a s ei n v e r t e re x p e r i m e n t t h r 0 1 j 【g ht e s t e d b y w u h a n z h o n g y o uc o ，l t d ，t h i sp r o d u c t i se l i g i b l e m o r e o v e r , t h i sp a p e ra n a l y s e sw h e t h e rs a 8 6 6i s b e i n gs i n ew a v eg e n e r a t o rf o r d o u b l y - f e d m o t o ra c a ce x c i t a t i o np o w e ra c c o r d i n gt o a m p l i t u d e 、f r e q u e n c ya n d p h a s e k e yw o r d s ：s a 8 6 6 ，v f c ，t h r e ep h a s e si n v e r t e r ，s i n ew a v eg e n e r a t o r 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 在电力电子变换和控制领域，$ p w m 逆变器的应娟非常广泛，不仅变频变压、 变速传动的交流电动机，恒频恒压交流负载等需要逆变器供电，很多直流电源变 换系统中，例如通信系统中广泛应用的直流开关电源，其中间环节通常也有一个 高频逆变器。 1 1s p w m 变频技术的发展概况及应用 1 1 1s p w m 变频技术在电气传动领域的应用 电机调速是电力电子技术应用的最大领域之一，具有极大的吸引力，同时具 有较强的挑战性。它的市场异常庞大，据报道，世界上大约有1 0 0 亿以上各种电 机在工作，近年来，我国空调一年的产量已经超过1 0 0 0 万台，仅此一项市场已非 常庞大；另外，其应用面极其广泛，例如机床、电动工具、电力机车、机器人、 家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等。 直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广 泛应用，被人们认为难以被其它电机取代，但随着电力电子技术的发展，各种新 型器件和先进的控制方法在电机调速变换器系统中的应用，在很多的场合直流电 机正逐渐被交流电机所代替，有人认为，在二十一世纪，直流电机将会在传动领 域逐渐消失，而交流异步电机和其它类型电机的应用范围将逐渐增加。同步电机 效率高，可工作在功率因数为1 的工作状况下，在响应要求不高的场合，可以采 用结构简单、成本低的变换器系统给它供电，正由于其具有上述优点，虽然同步 电机价格比较高，但仍具有相当的竞争力。永磁同步电机因为具有较高的效率， 虽然其控制需要加装轴位置传感器，并且难以工作在弱磁调速区，但对于长期运 行是有利的。无剧直流电机在近年来永磁体价格有所下降的情况下，在低惯量、 小尺寸的应用场合，优点比较显著，目前在中小功率范围应用比较普遍。另一种 开关磁阻电机，由于结构简单、价格低廉，但必须加装位墨检测装置，转矩脉动 和噪声也比较大，若对位置估测和转矩脉动和噪声问题有比较好的解决方案，这 种电机有可能是交流异步电机的竞争对手。 从前面几种电机特点的叙述我们可以看出，与其它几种电机相比，交流异步 电机结构简单，使用与维护方便，运行可靠、价格低廉，并具有比较满意的运行 湖北工业大学硕士学位论文 特性和比较高的效率，在传动领域具有重要的地位。特别是近年来，在信息产业 的推动下，微电子技术、电力电子技术和控制技术取得了翻天覆地的变化，使得 很多以前无法实现的交流异步电机控制方法均可以通过微控制器或专门的集成电 路实现，使交流异步电机的调速性能己几乎可以与直流电机的调速性能相婉美。 1 9 6 4 年，原联邦德国学者提出正弦脉宽调制技术使变频调速方法的性能指标 大大提高，减小了输出谐波含量，提高了效率，电机运转更加平稳，噪音也大大 减小，这种方法在二十世纪七、八十年代被迅速推广，提出了众多的实现模式。 现在的交流电机变频调速系统大多数是采用p w m 调制的方式来实现各种控制方 法。 交流异步电机变频调速系统种类非常多，也有着各种各样的分类方法。从控 制方法实质的角度可以将交流电机调速系统分为标量控制方法和矢量控制方法。 标量控制方法包括通常所说的电压源供电、电流源供电的转差频率控制的变频调 速系统，它比较适合于动态和静态性能要求不高的场合，而矢量控制方法是将复 杂的异步电机控制数学模型进行了解耦变换，将交流异步电机的转速和磁链控制 完全解耦，使交流异步电机控制等效于直流电机的控制，是交流异步电机调速理 论和技术上的一大进步。由于矢量控制方法需要实现转子参数辨识，控制系统比 较复杂，在近几年才逐渐进入实用。目前还有一种比较新型的调速方法直接转矩 控制，也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进 行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式， 从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助 瞬目j 空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现 磁链利转矩的直接控制。目前调速系统仍旧是以标量控制方法的系统为主。 全球性的能源危机使人们对能源的绿色利用越来越重视，对于消耗了3 0 左 右能量的电机，其驱动电源也越来越引起人们的重视，每一台电机配备一个变频 调速驱动电源，正获得越来越多的认同和采用，同时对变频调速驱动电源也提出 了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。 1 1 2s p w m 变频技术在其它领域的应用 在钢铁、制造等行业中的感应加热电源就采用了p w m 逆变技术，它根据加热 工艺方式和工件尺寸的不同，感应加热电源的频率范嗣从几百赫兹到几百千赫兹， 其中低于0 4 k h z 成为工频式低频电源，低于2 0 k h z 的称为中频电源，低于1 0 0 k h z 2 湖北工业大学硕士学位论文 的称为超音频电源，而高于l o o k t t z 地则称为高频电源。 另一个主要应用领域就是恒频恒压电源，这类电源的典型代表是不间断电源 系统。对于诸如计算机一类的负载，电源电压波动、频率飘移、瞬时干扰和突然 中断等现象都会造成损失，因此要求由优质不问断电源供电。这类电源的电压稳 定度、频率稳定度、波形失真度和不问断性都优于公共电网，尤其是电源的可靠 性。 另外，直流输电系统、通信系统中的电源也应用了这种技术，其均采用了间 接变频方式。 1 2 课题的来源、目的及意义 本课题是湖北众友科技股份有限公司和导师的合作开发项目交直流调 速综合实验台中的一个子课题。 本装置应用了导师的通用“单元一插块”组合式触发器发明专利的“单 元电路”、“插接式”和“组合化”的发明构思，将一个实验内容的主电路和控制 电路按功能划分为不同类别的电子数字化电路单元，并将各功能单元电路制成具 有“插接式”结构的模块，然后将所属的单元模块在专门设计的印刷电路“基板” 上，通过简单的“插接”操作就可以组合成该实验内容的“组件”( 本实验装置称 s p w m 调速挂箱 图l 一1 实验台系统 湖北工业大学硕士学位论文 “挂箱”) ，最后再配以“触发”或“驱动”挂箱以及相应的辅助挂箱( 如：主电 路表计电流一电压一转速表挂箱；负载电阻或电阻一电感挂箱) ，由学生通过各挂 箱面板上的模拟电路图和插接孔完成接线操作就可以进行有关的实验，如图1 1 所示。 该实验台设计新颖，造型美观，使用方便灵活，是传统机电实验室更新改造， 新建、扩建理想的替代设备。同时，它既有传统的基于晶闸管直流调速装置、交 流调压和串级调速装置，也有基于i g b t 的p w m 直流调速、s p w m 交流调速等融合 现代电力电子技术的调速装置。使学生能够对电力电子技术、交直流调速技术有 一个系统、全面的认识，使学生明确本专业的发展方向，为今后的学习打下坚实 的基础。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章s p w m 逆变器的工作原理和发展趋势 d c a c 变换电路简称为逆变电路，它能够实现直流电能到交流电能的转换， 在应用中构成静止式交流电源装置。众所周知，在已有的电能生产方式中，化学 能电池和太阳能电池都属于直流电源，当需要由这些电源向交流负载供电时便必 须经过d c a c 变换；此外，还有公共电网和各式独立电源( 其中心频率为5 0 h z ) ， 由这些电源向交流负载供电是最普遍的方式，但随着生产的发展，有相当一部分 的用电负载对供电质量有特殊要求，上述电源难于直接向这些负载供电。为满足 这些要求，历史上曾经有过旋转式变流器和静止式离子变流器，由于他们的经济 技术指标均不如目前应用的静止式半导体变流器，因而已为后者所取代。 2 1 逆变器的类型 到目前为止，已发展的多种逆变电路可大致分类如下： 按输出电能去向分，可分为有源逆变电路，无源逆变电路。当逆变电路输出 的交流电能直接用于负载时，称为无源逆变；凡输出电能馈向公共交流电网时， 则成为有源逆变。 按功率器件分，可分为半控型器件组成的电路和全控型器件组成的电路。利 用全控型器件组成逆变电路可以说是发展趋势，因为它存在功率密度高，性能好， 小型轻量化等优点，因而在不同容量范围内逐渐取代s c r 组成的逆变电路是必然 的。 按直流电源分，可分为电压源电路和电流源电路。电压源直流端并联大电容， 它既抑制直流电压纹波，减低直流电源内阻，使直流侧近似为恒压源，另一方面 又为来自交流侧无功电流的流动提供通路；电流源在直流测串联大电感，它既抑 制直流电流纹波，使直流侧近似为恒流源，另一方面为来自逆变侧的无功电压分 量提供支撑，维持电路问电压平衡，保证无功功率的流传。 按电路结构分，可分为桥式电路，非桥式电路，其中桥式电路又分为半桥和 全桥电路。 按输出相数，可分为单相电路和三相电路。 按开关方式，可分为硬开关方式，软开关方式。 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 单相s p w m 逆变器的工作原理 2 2 1 单相逆变桥的工作原理和基本结构 在本系统中，我们采厢了单相全桥s p w m 逆变器，因此主要针对这种逆变器 进行分析。 电压型单相全桥逆变电路的原理图( 如图2 一l 所示) ，它共有两个桥臂，可以 看成由两个半桥电路组合而成。把t 1 和t 4 作为一对，t 2 和t 3 作为一对，成对 + 图2 1 单相谫蛮器丰电路 的两个管子同时导通，并且各交替导通1 8 0 。 下面对阻感型的电流进行分析。设t 2 时刻以前t 1 和t 4 为通态，t 2 和t 3 为 断态。t 2 时刻给t l 和t 4 关断信号，给t 2 和t 3 开通信号，则t 1 和t 4 关断，但 感性负载中的电流i 0 不能立即改变方向，于是d 2 和d 3 导通续流。当t 3 时刻i o 降为零时，d 2 和d 3 截止，t 2 和t 3 开通，i o 开始反向。同样在t 4 时刻给t 2 和 v a b n t n 0 厂 ul 7 i l 。 甲2 2 a 伏载电压 飞，l 八 1t 2vt 5 、畸 7 t 4 图2 - 2 ( b ) g l 感负载电流波形 湖北工业大学硕士学位论文 t 3 关断信号，给t 1 和t 4 开通信号，t 2 和t 3 关断，d 4 和d l 先导通续流，t 5 时 刻t l 和t 4 才开通，波形图见图2 - 2 。 | 二述单相逆变器输出电压均为1 8 0 。宽的方波直流电压。其输出电压中基波 电压数值只由输入电压v d 唯一确定，而且输出电压中除基波外含有大量的谐波， 对其中的3 、5 、7 等低阶次谐波若采用l c 滤波器去衰减，则必须有l c 数值很大 的滤波器，而且过大的电感有负载电流流过时还会引起较大的基波压降，过大的 电容又会使通过电容的基波电流较大。在实际应用中，很多负载要求逆变器输出 电压的基波分量可控，输出电压波形中含有的谐波成分小且最低阶次的谐波阶次 高，这样仅用较小的l c 滤波器即可起到很好的滤波效果。 随着微电子技术的不断发展以及开关功率器件的诞生，使p w m 控制方式成为 了可能。采用这种控制方法，可以调控输出电压中的基波电压的大小，增大输出 电压中最低次谐波的阶次，并减小其谐波数值。 2 2 2p w m 控制基本原理 在采样控制理论中有一个结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性 的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相 同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析， 则其低频段非常接近，仅在高频段有差异。例如图2 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示的三 个窄脉冲形状不同，其中图2 3 ( a ) 为矩形脉冲，图2 3 ( b ) 为三角形脉冲，2 3 ( c ) 为正弦脓冲，2 3 ( c ) 为正弦半波脉冲，但它们的面积( 即冲量) 都等于n 时，那 么当他们分别在具有同一个惯性的环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变 为图2 3 ( d ) 的单位脉冲函数6 ( t ) 时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 图2 3 形状不同而冲罱相同的各种窄脉冲 那么如何用一系列的等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦波呢? 把图2 4 ( a ) 所示的正弦半波分成n 等份，就可把正弦半波看成是由n 个彼此 7 湖北工业大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) d t 图2 4p w m 控制的基本原理示意图 相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于n n ，但幅值不等，且脉 冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉 冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列来代替，是矩形脉冲的中点和 对应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积( 冲量) 相等，就 得到图2 - 4 ( b ) 所示的脉冲序列。这就是p w m 波形。可以看出，各脉冲的宽度是 按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，p w m 波形和正弦半波是等 效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到p w m 波形。像这种脉冲 的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p w m 波形，也成为s p w m 波形。 获得p w m 波形的方法主要有两种：计算法和调制法。计算法指的是通过软 件按照一定的算法编制程序来产生s p w m 波形，采用的方法主要有自然采样法、 规则采样法、不规则采样法等等。调制法是把希望输出的波形作为调制信号，把 接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的p c m 波形。通常采用 等腰三角形波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上 任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调 制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得 到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合p i b t 控制的要求。在调制信号波为 湖北工业大学硕士学位论文 0 。 图2 - 5 单相逆变器s p w m 控制原理 正弦波时，所得到的就是s p w i 波形。图2 5 就是p w m 控制方式的原理。 除了上述的两种方法产生s p w m 的方法夕 ，专门用来产生s p w m 波形的大 规模集成电路芯片也得到了较多的应用。较早推出的这类专用芯片时h e f 4 7 5 2 。 这种芯片可以输出三对互补的s p w m 信号用来驱动三相桥式逆变电路，从而实现 交流电机的变频调速。芯片的输入控制信号全为数字量，适合于微机控制。 s l e 4 5 2 0 是另一种专用s p w m 芯片，其开关频率和输出频率分别可达2 0 k h z 和 2 6 k h z ，有三个输出通道提供三相逆变桥六个2 0 m a 电流的驱动信号，可用来驱 动i g b t 逆变电路。采用专用芯片可简化硬件电路和软件设计，降低成本，提高 可靠性。本系统采用的9 0 年代末推出的变频调速专用芯片s a 8 6 6 a e ( 详细介绍见 第四章1 。 2 3 三相逆变器的工作原理 三相交流负载需要三相逆变器，三相逆变器有两种电路结构，其一为由三个 单相逆变器组成一个三相逆变器，每个单相逆变器可以是半桥式、也可以是全桥 式电路。采用这种结构的三相逆变电路所用元器件比较多，适用于高压大容量的 逆变器。通常使用更多的是如图2 - 6 所示的三相桥式逆变电路。 当t 1 导通时，节点a 接于直流电源正端，v a o = v d 2 ；当t 4 导通时，节点 a 接于直流电源负端，v a 0 = 一v d 2 。同理，b 和c 点也是根据上下管导通情况 决定其电位的。按图2 - 6 中依序标号的开关器件其驱动信号彼此间相差6 0 。若 湖北工业大学硕士学位论文 每个开关管的驱动信号持续1 8 0 。，则任何时刻都有三个开关管导通，并按1 、2 、 3 ，2 、3 、4 ，3 、4 、5 ，4 、5 、6 ，5 、6 、1 ，6 、1 、2 的顺序导通。从而得到输 出的线电压为： v a b - - - - - v a o v b o v b c = v a o - v c o ； v c a = v c o - v a o ； 其基波分量彼此之间相差1 2 0 。 图2 - 6 三相逆变器主电路 但这种逆变器每个开关器件在一个开关周期中仅通、断状态转换一次，输出 线电压每半周中仅一个脉波电压( 1 2 0 。方波) ，相电压为阶梯波，逆变器输出电 压中的基波仅取决于直流电压v o 的大小而不能调节控制，最低谐波阶次为5 ，且 谐波含量大。 对于三相逆变器也可以采用s p w m 控制方式。在输出电压的每一个周期中， 各开关器件通、断转换多次，既可实现调节、控制输出电压的大小，又可消除低 次谐波而改善输出电压波形。通常采用三相调制参考正弦波电压与三角载波相比 较产生驱动信号去控制六个全控开关器件，从而控制逆变器输出的三相交流电压 的瞬时值。a 、b 、c 三相相电压波形如图2 7 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 ，1 0 猢一“ 戡剧刻燃铡嘲渊崮 ，训捌谯 铲需臀寅霈擀别 。獬翠 鼙譬阿吲 警罄刚r 岫l ! 川 l88 国暴尉崮尉恩8 o li 溺溺藕圈嗣围目i8 胬 。 图2 7 三相逆变器s p w m 控制原理 2 4 其它控制方式的逆变器 上面我们主要分析了双极性s p w m 控制方式。近年来，随着研究的深入，许 多其它控制方式的逆变器也逐渐兴起。 注入三次谐波的s p w m 逆变器，是向相电压中注入三次谐波分量。因为三相 逆变器中，a 、b 、c 三相基波相差1 2 0 。，故3 次、9 次等谐波相位相差3 6 0 。， 即3 、9 等次谐波同相，所以当三相负载为星形联结时，即使逆变器输出电压中含 有3 次谐波，线电压中不含3 次谐波，故负载电压中也不含3 、9 次谐波，这样就 可以改善输出电压的波形。 三相电压空间矢量逆变器，这是源于交流电机变频传动控制的电压空间矢量 p w m 控制技术。它是采用从逆变器的6 个处于空间特定位置的开关状态矢量中， 选择两个相邻的矢量与零矢量合成一个等效的旋转空间矢量y ，调控矿的大小和 相位，来实现三相逆变器输出电压的调控。采用电压空间矢量p w m 控制，通过 精心安排适当的零矢量，可以免除不必要的开关动作，降低开关频率，减少开关 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 _ - _ - - - _ - _ l _ _ _ _ - - - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ - - - _ _ - _ _ l _ _ - _ _ _ _ - - - - _ - - - - _ _ - 一i i i i i - - _ - _ - _ _ - - - 损耗，提高直流电压利用率。 多电平逆变器的研究近年来也受到广泛重视，并得到一定的应用。多电平逆 变器输出端可以有更多级( 大于2 ) 的输出电压波形，谐波含量小，波形更接近 正弦，逆变器性能更好，更适用于高压大容量的电力电子变换。 图2 8 是单相多电平逆变器的一个示例。四个电容c 1 c 4 ( c 1 = c 2 = c 3 = c 4 ) 组成一个直流电压分压环节，分压电容c 1 、c 2 、c 3 、c 4 的中点与负载的一端共 地。任何时刻，5 个开关s 1 一s 5 中只有一个导通，将5 种分压值v i v 5 中的一 种电压输出到负载的a 点。这样，输出电压v o 就可以取到5 个不同值，包括v o = v 3 = 0 。但逆变器输出电压的绝对值只有三级( o ，v d 2 ，v d 4 ) 。请注意，将 图2 8 中多电平逆变器中的s 2 、s 3 、s 4 取消则变成一个二电平的单相半桥式逆变 器。 v d 图2 - 8 多电平单相半桥逆变器 目前应用的三电平逆变器大都采用速度较慢但电流、电压额定值最高的g t o 器件，当然使用半导体器件较多也是它的一个缺点。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章基于s a 8 6 6 的s p w m 变频器的原理 在变频器技术中最重要的是s p w m 脉冲的产生，通常采用的方法有模拟法和数 字法，数字法的实现一种是利用微处理器计算查表得到，常需复杂的编程，另一 种是利用专用集成电路( a s i c ) 来产生p w m 脉冲，不需或只需少许编程。使用起来 极为方便。根据厂家的要求和系统本身的性能特征，经过反复权衡，我们决定采 用专用集成电路作为主控芯片来设计整个系统。实践证明，在不长的时间内，完 全可以设计出一台符合要求的变频器。 整个系统包括一个三相变频器和一个单相逆变器，三相变频器用于对交流异 步电机进行调速，单相逆变器则针对阻感负载。 3 1三相s p w m 变频调速系统的工作原理 交流异步电机调速方式是按照交流电机转速公式建立的，其转速为： h ；6 0 f 0 一s 、，s 为转差率 ( 3 1 ) p 从式( 2 - 1 ) 可以看出，改变极对数p 、改变转差率s 和调节频率f 均可以调 速，但是变极调速是有级调速，无法实现无级调速，只有调节转差率或调节频率 才能够无极调速。调节转差率的调速方法有很多种，例如：定子调压调速、电磁 调速( 滑差电机) 、转子变电阻调速等等，但是这些调速方法多数是耗能型调速方 法，或者可靠性比较差。只有变频调速方法调速范围宽，性能良好，并且具有较 高的力能指标，是一种比较理想的调速方法。 但是我们必须注意到变频调速一个特殊之处：在单纯调节频率的情况下，调 节行为是在输入侧进行的，但其结果却是：输出功率减小了( 频率下调时) ，而 输入功率则不变。这就必然在传递能量的中间环节上形成能量的“堆积”磁 通增加、磁路饱和。 由式( 3 - 2 ) 所示， e l k f l ，l 中 i i f ( 3 - 2 ) 式中k 。，常数，k 。= 4 4 4k r 。n 。， k ，广与电动机绕组结构有关的常数。 可见，频率下降时，如果e 。保持不变，则巾。会增加，从而使电机的磁密度增 湖北工业大学硕士学位论文 加，烧毁电机。 上述分析表明：在变频调速过程中，必须随时保持中。的平衡，即b f f 恒 值。但e 1 的大小无法进行控制。作为其近似的替代方法，根据在电动势平衡方程 中，e l 的主导地位不变的实际情况，用式( 2 - 2 ) 代入，则 卟k 。百e 1 吨鲁 ( 3 - 3 ) 式中k 。常数，k = k 。 式( 2 - 3 ) 表明，如果在变频过程中使u 。f 。= 恒值，则磁通巾。可保持基本不 变。所以，在变频的同时也要变压，常用v v v f 表示。 3 2系统的设计 3 2 1 系统工作原理 整个系统采用三相全桥整流，然后通过三相逆变器将整流后的直流电转换为 可进行压频协调控制交流电压。系统通过手动给定频率来调节电机的转速，并具 有单三相切换选择，正弦波马鞍波切换选择，电机运行波形演示切换选择，采 用过流、超速保护，使得系统工作更稳定、可靠。系统框图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 系统框图 在作为三相变频器使用的时候，s p f f m 控制电路输出六路p w m 波形，分剐控制 湖北工业大学硕士学位论文 三相逆变桥的六个i g b t 。调节给定频率，电机的转速就会随之变化。变频器1 作 在o 8 0 h z 的范围内，其中设定5 0 h z 为基频，即电机从o h z 到5 0 1 1 z 变化时，输 出电压是遵循压频比协调变换的，此时系统工作在恒转矩区；当频率超过5 0 h z ， 输出电压不再上升，此时系统工作在恒功率区。 在作为单相变频器使用的时候，我们关闭其中一相( 上下桥臂) 的输出，使 其工作在单相全桥逆变状态，此时负载为电阻电感负载。 3 2 2 整流电路的设计 通常懿流电路可分为可控整流和不可控整流。可控整流可以使系统的功率因 数接近l ，并且具有较小的纹波，频率高，可降低较小幅值的滤波电容。但是采 用可控整流电路会使得系统成本上升，并且控制电路复杂。 在本系统中，我们采用了三相二极管不可控整流，采用它无需控制电路驱动， 电路简单、可靠，成本低，缺点就是纹波较大，需采用较大幅值的滤波电容。 如果电源的线电压为u 。，则三相全桥整流后平均直流电压u 。的大小是 u 。= 1 3 5 u 。( 3 - 4 ) 在本系统中，我们采用工频变压器将三相交流电降为相电压为1 2 7 v 的交流 电，故全桥整流后的平均电压是 u d = 1 3 5 x i 7 3 2 x 1 2 7 = 2 9 7 ( v ) 在整流电路后面，我们并了一个大电容，它的作用主要有两个： ( 1 ) 滤平全桥整流后的电压纹波； ( 2 ) 当负载变化时，使直流电压保持平衡。 为此我们在实际应用中采用的电容值是1 0 0 0 u f 4 5 0 v 。在变频器停止工作后， a b c d 1d 3d 5 【】 【】【 土 卜 、c l 1 0 0 0 u f 4 5 0 v 【 d 4d 6d 2 】【】【2【 图3 - 2 交盲蛮换电路 湖北3 - 业大学硕士学位论文 由于电容容量较大，如果没有泄放回路的话，储存的能量释放很慢，往往达数分 钟之久。为此我们在电容两端并联了一个i o o k 3 w 的电阻，构成一条泄放回路， 使得电荷能较快泄放。电路图如图3 2 所示。 3 2 3 逆变电路的设计 逆变电路中，我们选用的是三相全桥逆变电路，如果用作单相逆变器时，不 驱动其中一个桥臂即可。 在逆变器中，我们选择的开关器件为i g b l l 。绝缘栅双极型晶体管i g b 2 是由 m o s f e t 和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为m o s f e t ，输出极为p n p 晶体管，因此，可以把其看作是m o s 输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优 点，既具有m o s f e t 器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点， 因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。 i g b t 的等效电路如图3 - 3 所示。由图3 3 可知，若在i g b t 的栅极和发射极 之间加上驱动正电压，则b l o s f e t 导通，这样p n p 晶体管的集电极与基极之间成低 阻状态而使得晶体管导通；若i g b t 的栅极和发射极之间电压为o v ，则m o s f e t 截 止，切断p n p 晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。 c e 图3 - 3i g b t 等效电路 i g b t 作为一种大功率的复合器件i 存在着过流时可能发生锁定现象而造成损 坏的问题，在过流时如果采用一般的速度封锁栅极电压会困过高的电流变换率引 起过电压，从而需要关断等特殊要求，因而掌握好i g b t 的驱动和保护特性是使用 好它的关键。只有在充分利用和满足其特点、要求的情况下，才能使i g b t ，展现 湖北工业大学硕士学位论文 出优点并获得较高的可靠性。 栅极驱动电压的上升、下降速率对i g b i 的开通及关断过程有较大的影响。 i g b t 的m o s 沟道受栅极驱动电压的直接控制，而m o s f e t 部分的漏极电流又控制 着双极部分的基极电流，使得i g b t 的开通特性主要决定于它的m o s f e t 部分，所 以i g b t 得开通受栅极驱动波形的影响较大。 i g b t 的关断特性主要取决于内部少数载流子的复合速率，少数载流子的复合 受m o s f e t 部分的关断影响，使得栅极驱动对i g b t 的关断也有一定的影响。栅极 驱动回路的阻抗延长米勒效应时间，使集电极电流的下降延迟。 栅极驱动电路的阻抗，包括栅极驱动电路的内阻抗和栅极串联电阻两个部分。 它们影响着驱动波形的上升、下降速率。 在高频应用时，驱动电压的上升、下降速率应快一些，以提高i g b i 的开关速 度并降低开关损耗。在运行频率较低时。开关损耗所占比例较小，驱动电压的上 升、下降速率可减慢些。 在正常状态下i g b t 开通越快，开通损耗也越小。但在开通过程中如存在续流 二极管的反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，则开通越快i g b t 承受的峰值电 流也就越大，甚至急剧地上升导致i g b t 或续流二极管损坏。此时应有目的降低栅 极驱动脉冲的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，控制该电流的峰值。其代 价是要付出较大的开通损耗。利用此技术，开通过程中的峰值电流可以通过改变 栅极串联电阻控制在任意的值。 由以上分析可见，栅极串联电阻对i g b t 的开通过程影响较大。栅极串联电阻 的阻值应根据电路和系统的情况折中考虑，选择合适的值。 栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对i g b t 关断过程的影响对于开通来说要小 一些。栅极串联电阻小有利于加快关断速度和减小关断损耗，也有利于避免关断 时集电极电压的d r d r 造成i g b t 误开通。但栅极串联电阻过小会由于集电极电流 下降的d i d t 过大，产生较大的集电极电压尖峰，因此对于i g b t 关断过程中的栅 极串联电阻的组织也需折中考虑。 栅极串联电阻对于驱动脉冲的波形也有较大的影响，电阻值过小时会造成驱 动脉冲振荡，过大时驱动波形的前后沿会发生延迟和变缓。i g b t 的输入电容c 。 随着其额定电流容量的增加而增大。为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率，对于 电流容量较大的i g b t 元件，应提供较大前后沿充电电流。为此，栅极串联电阻的 电阻值应随着i g b t 电流容量的增加而减小。i g b t 的栅极串联电阻通常采用表3 一l 湖北工业大学硕士学位论文 - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ - - _ _ - _ - - _ _ l 一i i i i l - - - _ - l - _ 表3 一l 推荐的栅极电阻值 所推荐的值，如工作频率较低也可采用前一挡电阻值加大的电阻。 i g b t 关断时由于回路中原来流通电流的电感储存的磁场能量需转换为电能 能量，使得回路的电压升高，产生过压。过电压的值由下式得出： a u u m u f = 0 l i j7 c u ：一u t t 3 - 5 ) 式中u 一一过电压的值( v ) u m 一一电压的峰值( v ) u d 一一电源电压( v ) l 一一回路的杂散电感( t t ) i o 一一回路关断前的电流( a ) c - - 吸收电容器的电容量( f ) 式( 3 - 5 ) 中的u d 、l o 由电路的运行条件决定，故影响电压的主要因素是回 路的杂散电感l 。当回路的杂散电感l 较大时，为了抑制过电压只有增加吸收电 容器的电容量这个办法。增加吸收电容器的电容量会导致吸收回路的损耗加大， 效率降低，故尽量减小回路杂散电感是抑制换相过电压的最佳方法。我们在实际 操作中选用的是r c 吸收器，这种吸收器比较简单，但缺点是电阻的损耗较大。其 工作轨迹接近安全工作区的边沿，使i g b t 产生较大的开关损耗，由于本系统功率 较小，频率也不是很高，所以可以满足系统要求。r 值通常取5 3 0 q ，r 值过大 吸收效果会变差，过小会产生较大的放电电流对i g b t 开通不利。电阻r 的功率为 品= f ( u 0 2 2 + c u 2 2 ) ( 3 - 6 ) 由式( 3 - 6 ) 可见，随着工作频率的增加，电阻的功率与f 成正比。 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章控制电路的实现 三相s p w m 发生器是变频器的核心部分，它的性能好坏，直接关系到整个变 频器的工作状况。在本系统中，我们选用了英国m i t e l 公司的s a 8 6 6 芯片作为 波形发生器，实践证明这块芯片性能良好，工作一直比较稳定。 4 1 三相p w m 发生器s a 8 6 6 a e 简介 4 1 1 功能特点 s a 8 6 6 是专为感应电机的p w m 控制设计的一款集成电路。它除了能产生合乎要 求的p w i f i 脉冲外，还集成了完备的过流、过压保护功能，并可在紧急情况如短路、 过热时快速关断p w m 脉冲，保护逆变器和电机。它的最大特点是可以独立运行， 无需微处理器。它的输出频率以及加速减速的快慢都可由外接电位器在线连续调 节。所有需定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、v f 曲线 v f t t f i n v m o m h o e c ? 西蕊、h a y , p 甾西 图4 - 1s a 8 6 6 内部功能框图 s f 1 一驴 湖北工业大学硕士学位论文 等均存储在外接的串行e e p r o m 中，上电时自动读入s a 8 6 6 中。s a 8 6 6 有6 种工作 模式，它可以变频变幅，也可以定频变幅；可以独立运行，也可与微处理器配合 使用，基本做到了低价格多功能，在许多逆变领域均可采用。它采用双缘调制技 术，脉冲产生精确，它的工作频率范围很宽，时钟频率为2 5 m h z 时，载波频率可 达2 4 k h z ，输出频率可达4 k h z 。它还可以提供两种v f 曲线：恒转矩的v f 线 和负补偿的v f 线，后者即针对风机类负载而设。其内部功能框图如图4 一l 所 不。 4 1 2 管脚说明 采用p l c e 封装，共有3 2 个管脚，管脚图如图4 - 2 所示。 卜借- 口”； 霆蒌娄嚣妥 i p 3 空 p l e c 图4 2s a 8 6 6 管脚图 ( 1 ) 对外串行接口s d a 、s c l 、c s 为s a 8 6 6 与e e p r o m 或微处理器的串行接口，s d a 为数据总线，s c l 为时钟信 号，c s 为片选信号。 ( 2 )工作状态选择s e r i a l 决定与s a 8 6 6 连接的是e e p r o m 还是微处理器，高电平表示与e e p r o m 连接， p a g e 0 、p a g e i 决定采用的是e e p r o m 中的哪一页参数。 ( 3 )控制及输出s e t p o i n t 决定稳定运行频率，r a c c 、r d e c 决定加速减速的快慢，也可用来选择6 种工 作模式中的一种。r p h t 、r p h b 、y p h t 、y p h b 、b p h t 、b p t t b 为三相p w b l 脉冲输出端， 可直接驱动光耦。d i r 控制三相顺序，高电平表示正向旋转。 2 0 t1臼， e f嚣蓑嚣瓣登嚣譬尝峨蒜糕惑峨 湖北工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 保护o n 、i m o n v m o n 为过电压信号输入端，减速过程中此端电平若大于2 5 v ，就起动过电压 保护动作，将输出频率固定在当前值。i m o n 为过流信号输入端，升速过程中端电 平若大于2 5 v ，内部过流保护就动作，不再继续升速，直到过流信号消失才继续 升速。s e t l l r i p 为紧急停机信号，可快速禁止p w m 脉冲输出，t r i p 端表示输出禁 止状态，低电平有效，该信号只有在复位信号下才能被解除。 ( 5 ) 电源 v 。为数字电源，v d 。为模拟电源，v 。是a d 转换电源，均接同一个+ 5 v 电源，v 。、v s 。分别是数字地及模拟地，v 。是a d 转换参考电压，为+ 2 5 v 。 4 1 3s a 8 6 6 的控制方式 所有可编程参数都存储在e e p r o m 中，并在r e s e t 信号后自动装入s a 8