交流部分课程设计讲座2017

1、运动控制系统课程设计讲座交流调速系统部分交流调速系统部分 设计题目：设计题目：SPWM变频调速控制系统设计专题变频调速控制系统设计专题 11 阮毅阮毅，陈伯时，陈伯时. . 运动控制系统（第运动控制系统（第4 4版）版）. . 机械工业出版社机械工业出版社. .2 2 王兆安王兆安, , 刘进军刘进军. . 电力电子技术（第电力电子技术（第5 5版）版）. . 机械工业出版社机械工业出版社. .3 3 童福尧童福尧. . 电力拖动自动控制系统习题例题集电力拖动自动控制系统习题例题集. . 机械工业出版社机械工业出版社. . 设计交设计交-直直-交交电压源型三相电压源型三相SPWM变频器，变频器

2、，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由6个电个电力晶体管力晶体管GTR和和6个续流二极管组成，并由个续流二极管组成，并由8051和大规模集成电路和大规模集成电路HEF4752组成组成SPWM变压变频调速系统的控制电路。变压变频调速系统的控制电路。 基本设计参数：基本设计参数： 异步电动机额定功率异步电动机额定功率11kW，额定电流，额定电流22A，线电压线电压380V，允许过载倍数，允许过载倍数l l=1.5，泵升电，泵升电压压D DUs=150V，逆变器输出频率范围，逆变器输出频率范围

3、460Hz，额定输出频率额定输出频率f1e=50Hz，负载功率因数，负载功率因数cosj j0.5，负载引起直流电压脉动百分比，负载引起直流电压脉动百分比K5%，Uin(max)=10V，设计任务设计任务 设计主电路：选择设计主电路：选择GTR开关管以及滤波电容；开关管以及滤波电容； 设计控制电路：采用大规模集成电路设计控制电路：采用大规模集成电路HEF4752，并设并设 fsmax=1000Hz，计算，计算8253分频系数；分频系数； 设计驱动电路：设计驱动电路：采用分立元件采用分立元件或或集成电路模块集成电路模块均可；均可； 画出系统原理图、控制电路图、驱动电路图、画出系统原理图、控制电路

4、图、驱动电路图、保护电路图保护电路图（过压保护和过流保护二选一）（过压保护和过流保护二选一） ； 写出心得体会。写出心得体会。变频器的三个主要组成部分变频器的三个主要组成部分一一主电路主电路二二驱动电路驱动电路三三控制电路控制电路一、主电路设计一、主电路设计原理原理 变频器分类变频器分类1. 主电路设计主电路设计2. 参数计算（参数计算（GTR参数、滤波电容）参数、滤波电容）交交-交交电流源型电流源型整流部分整流部分逆变部分逆变部分滤波滤波电容电容限流电阻限流电阻直流部分直流部分均压电阻均压电阻直流电流直流电流互感器互感器交流电流交流电流互感器互感器泵升电压泵升电压吸收电路吸收电路毛刺吸收毛刺

5、吸收电路电路交交- -直直- -交电压源型变压变频主电路设计交电压源型变压变频主电路设计1、GTR参数计算参数计算 电压额定值的计算电压额定值的计算 UVT=(1.52) (2.34220KA+D DU)K电网电压升高系数，一般取电网电压升高系数，一般取K=1.1A电容滤波时电压升高系数，一般取电容滤波时电压升高系数，一般取A=1.04D DU(可能的可能的)泵升电压泵升电压(根据设计要求取根据设计要求取150V) 电流额定值的计算电流额定值的计算F冲击电流系数，一般取冲击电流系数，一般取F=1.4l l电流过载倍数电流过载倍数Ie额定电流额定电流eIFIl22、滤波电容的计算、滤波电容的计算

6、A与负载阻抗角与负载阻抗角j j有关的系数有关的系数I逆变器输出相电流逆变器输出相电流(A)K由负载引起的直流电压脉动百分比由负载引起的直流电压脉动百分比w w逆变器逆变器输出最低角频率输出最低角频率(s-1)Ud直流侧电压直流侧电压(V)FUKAICdw610j010153045607590A0.02550.03890.05350.0970.1350.1640.1830.189二、驱动电路二、驱动电路1. 辅助电源电路设计辅助电源电路设计2. GTR驱动电路设计驱动电路设计1辅辅助助电电源源电电路路2、驱动电路设计、驱动电路设计u方案一：分立元件方案一：分立元件u方案二：驱动模块方案二：驱动

7、模块GTR理想驱动波形理想驱动波形tib强导通强导通(23)ib迅速关断迅速关断维持一段时间维持一段时间确保可靠导通确保可靠导通(1.52)ib尾流控制尾流控制(12)ib方案一：分立元件构成的驱动电路方案一：分立元件构成的驱动电路输入端输入端A:接收来自控接收来自控制器的制器的PWM信号信号VD2:嵌位二极管嵌位二极管VD3:电位补电位补偿二极管偿二极管使使GTR导通后始终处导通后始终处于临界饱和状态于临界饱和状态,而不而不进入深饱和区进入深饱和区17方案一：分立元件构成的驱动电路方案一：分立元件构成的驱动电路使使GTR截止时截止时b和和e之间承受反之间承受反压压, 加速关断加速关断稳压值稳

8、压值23V,反偏压过反偏压过低效果不明显低效果不明显,过高可过高可能损坏能损坏GTR消除消除VT4和和VT5产生产生的高频寄生振荡的高频寄生振荡18i方案一：分立元件构成的驱动电路方案一：分立元件构成的驱动电路该回路放电电流时该回路放电电流时间短暂间短暂, 一旦一旦GTR完完全截止全截止, 电流就为电流就为0VST导通导通, GTR be结承受反偏压结承受反偏压, 保证保证GRT可靠截止可靠截止向向VT6提供基极电流提供基极电流, 利用利用VT6的正向的正向eb结电结电压使压使VT4、VT5反偏反偏方案二：驱动模块方案二：驱动模块M57215BL 输入和输出之间通过光耦电气隔离输入和输出之间通

9、过光耦电气隔离 具有大的驱动电流和关断电流能力具有大的驱动电流和关断电流能力 低损耗、体积小、与低损耗、体积小、与TTL兼容兼容M57215BLM57215BL驱动电路原理图驱动电路原理图Uin为低电平为低电平(01V)，GTR模块的基射极被模块的基射极被UEE反向偏置，反向偏置，GTR可靠截止。可靠截止。Uin为高电平为高电平(45V)，GTR模块正向偏置，产生驱动电流模块正向偏置，产生驱动电流 ib。三、控制电路三、控制电路 HEF4752介绍介绍 功能原理功能原理 基本结构及工作原理基本结构及工作原理 HEF4752控制功能控制功能4752器件介绍器件介绍主激励输出主激励输出（逆变器驱动

10、输出）（逆变器驱动输出）1.接到三相逆变器接到三相逆变器6个个开关器件的驱动电路开关器件的驱动电路输入端。输入端。2.第一个字母表示相序第一个字母表示相序3.数字数字1、2分别表示上、分别表示上、下桥臂开关元件的下桥臂开关元件的PWM激励信号。激励信号。AM1AM2CM2CM1BM2BM1辅助激励输出辅助激励输出（换向开关驱动输出）（换向开关驱动输出）1. 当逆变器由当逆变器由晶闸管晶闸管作作开关器件时，提供强开关器件时，提供强迫换流信号。迫换流信号。2. 第二个字母第二个字母C表示辅表示辅助输出。助输出。AC1AC2BC1BC2CC1CC2AM1AM2CM2CM1BM2BM14752器件介绍

11、器件介绍4个时钟输入个时钟输入1. FCT：频率控制时钟频率控制时钟：控制逆控制逆变器输出变器输出（基波）（基波）频率频率fOUT ，控制转速。，控制转速。fFCT = 3360 fOUTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCTHEF4752能自动使输出电压能自动使输出电压与频率成线性关系。与频率成线性关系。直到直到100%调制发生时调制发生时:相邻脉冲开始合并，输出相邻脉冲开始合并，输出电压有效值为电压有效值为 0.624Vd。 fout(nom)=0.624Vdf1e/V1e4752器件介绍器件介绍VCTfVCT(nom)= 6720 fOUT(nom

12、)AM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4个时钟输入个时钟输入2. VCT电压控制时钟电压控制时钟：决定决定PWM调制深度，从而控调制深度，从而控制制SPWM调制波调制波平均电平均电压压，实现恒，实现恒Eg/f1控制。控制。减小减小fvct导致输出电压增加，导致输出电压增加，实为实为“V/f ”比增加。比增加。4752器件介绍器件介绍4个时钟输入个时钟输入3. RCT频率参考时钟：频率参考时钟：用于控用于控制逆变器载波最高频率制逆变器载波最高频率 fs(max) （固定值）（固定值）fRCT = 280 fs(max)载波最低频率载波最低频率fs(min

13、)由由4752内部设定内部设定fs(min) = 0.6 fs(max)RCTVCTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4752器件介绍器件介绍4个时钟输入个时钟输入4. OCT输出延时时钟输出延时时钟：设置互设置互锁延迟间隔时间，避免锁延迟间隔时间，避免同一桥臂上下两管同时同一桥臂上下两管同时导通。导通。与与 K 配合使用配合使用 延时时间延时时间 T = 8/fOCT K=“0” 16/fOCT K=“1” 通常通常 fOCT = fRCT OCTKRCTVCTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4752器

14、件介绍器件介绍7个控制输入个控制输入13. A、B、C测试端测试端工作时接地工作时接地ABCOCTKRCTVCTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4752器件介绍器件介绍7个控制输入个控制输入4. I驱动晶体管或晶闸管选择驱动晶体管或晶闸管选择I=“0”驱动晶体管驱动晶体管逆变器逆变器“1”驱动晶闸驱动晶闸管逆变器管逆变器IABCOCTKRCTVCTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4752器件介绍器件介绍7个控制输入个控制输入5. K 延时时钟选择延时时钟选择 (与与OCT配合配合)6. L 起动起动/

15、/停止控制停止控制L=“0”输出调制信输出调制信号被号被封锁封锁“1”输出输出SPWM调制信调制信号号LIABCOCTKRCTVCTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4752器件介绍器件介绍7个控制输入个控制输入7. CW 相序选择相序选择CW=CWLIABCOCTKRCTVCTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4752器件介绍器件介绍3个控制输出个控制输出RSYN：(R相相)示波器同示波器同步信号步信号，供示波器外，供示波器外同步用。同步用。VAV：输出电压模拟信号输出电压模拟信号，数字信号数字信号, 模

16、拟输出电模拟输出电压平均值。压平均值。CSP：逆变器开关频率逆变器开关频率输出输出，两倍于逆变器，两倍于逆变器开关频率的脉冲串。开关频率的脉冲串。RSYNVAVCSPCWLIABCOCTKRCTVCTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4752器件介绍器件介绍2个电源线个电源线UDD 正电源线正电源线 +10V USS 地线地线UDDUSSRSYNVAVCSPCWLIABCOCTKRCTVCTAM1AM2CM2CM1BM2BM1AC1AC2BC1BC2CC1CC2FCT4752器件介绍器件介绍4752调制方式调制方式u不同于三角波不同于三角波-正弦波调

17、制法。正弦波调制法。采用从载波脉冲两端改变脉冲宽采用从载波脉冲两端改变脉冲宽度的双边缘正弦调制。度的双边缘正弦调制。u优点：在于可获得两倍载波频率优点：在于可获得两倍载波频率的输出线电压脉冲，从而可减小的输出线电压脉冲，从而可减小低速时的脉动转矩。低速时的脉动转矩。l U为逆变器输出线电压有效值为逆变器输出线电压有效值l UAB为电动机额定线电压有效值为电动机额定线电压有效值v 改变调制比改变调制比h hV，就可以改变逆变器输，就可以改变逆变器输出电压出电压UABVUUh4752调制比调制比h hV 定义：定义：lV与时钟与时钟FCT和和VCT的的“频率比频率比”成正比成正比l如满足：如满足：

18、5 . 0VCTFCTffVCTFCTVff2h00.5100%h hVl可见：可见：当固定当固定fVCT时，调制比时，调制比V与与fFCT成正比关系，而成正比关系，而fFCT又与逆变又与逆变器输出频率器输出频率fout成正比关系。成正比关系。l所以：所以：调节调节fFCT可调电机转速，并可调电机转速，并实现实现U/fout =常值的常值的“恒磁通控制恒磁通控制”。4752调制比调制比h hV 37=3360fOUT(nom)UsfVCT(nom)(UsN)OfFCT(f1)fVCT(Us)fFCT(nom)(f1N)=6720fOUT(nom)%100ff25 . 0ffVCTFCTVVCT

19、FCTh恒压频比控制恒压频比控制%100ff25 . 0ffVCTFCTVVCTFCTh带低频定子电压补偿带低频定子电压补偿5 . 0ffffVCTFCTnomVCTVCT基频以上基频以上F F 控制电路原理控制电路原理 控制电路采用控制电路采用8051+HEF4752 其它主要器件：其它主要器件： 8253 可编程定时可编程定时/计数器计数器 ADC0809 逐次比较式逐次比较式8位模位模/数转换器数转换器 74LS373 8位地址锁存器位地址锁存器 27256 32K8位位EPROM存储器存储器 CD4527 十进制比例乘法器十进制比例乘法器OUTN40 上图为控制电路原理图，没有给出具体

20、上图为控制电路原理图，没有给出具体的连接，请同学们在设计中认真思考，并作的连接，请同学们在设计中认真思考，并作出详细的电路连接图纸。出详细的电路连接图纸。8253可编程计数器可编程计数器/定时器定时器CLK=2M，设为，设为工作方式工作方式3（分频（分频, 方波发生器方波发生器）sfTKMfCLKZHzfffHzfOCTRCTsOCTRCTs572800001616, 172800002280000100028028010002(max)(max)延时时间当设【PWM载波频率载波频率】【通道通道2分频系数分频系数Z2】8253通道通道2，参考时钟，参考时钟RCT与延迟时钟与延迟时钟OCT：CL

21、K=2M，设为，设为工作方式工作方式3（分频（分频, 方波发生器方波发生器）()11()()1()0.6246720dout nomeeVCT nomout nomVCT nomVffVffCLKZf【通道通道1分频系数分频系数Z1】8253通道通道1，电压控制时钟，电压控制时钟VCT ：Vd: 直流侧电压直流侧电压f1e:电机额定频率电机额定频率V1e:电机额定电压电机额定电压8253可编程计数器可编程计数器/定时器定时器63360002596336023360,1001(max)min0(min)max0MfCLKZMfCLKZffHzfFCTFCTOUTFCTOUT频率控制通道设【通道通

22、道0：最大、最小分频系数：最大、最小分频系数5966】0：8253通道通道0，频率控制时钟，频率控制时钟FCT：8253可编程计数器可编程计数器/定时器定时器4527比例乘法器比例乘法器 若输出频率在若输出频率在1100Hz之间变化时，计之间变化时，计算机控制算机控制8253的的0通道（分频系数）从通道（分频系数）从6596变化。但变化的台阶较大，故增变化。但变化的台阶较大，故增加加细分电路细分电路。 频率将受到频率将受到8253和和4572数字比例乘法器数字比例乘法器的双重制约，使输出更为精密。的双重制约，使输出更为精密。45 CD4527 是低功耗是低功耗4 位数字比例乘法器，位数字比例乘法器，其主要功能是输出的脉冲数等于时钟脉冲乘其主要功能是输出的脉冲数等于时钟脉冲乘以某一系数，该范围为以某一系数，该范围为0.10.9，由，由BC