异步电动机变频调速控制系统设计

1、毕业论文（设计）材料题 目： 异步电动机变频调速控制系统设计 学生姓名： xxx 学生学号： xxxxxxxxx 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 自动化 届 别： 2012届 指导教师： xxx 异步电动机变频调速控制系统设计学生：xxx指导教师：xxx摘 要：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

2、制上采用恒控制，同时，软件程序使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。此外，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。关键字：变频调速；正弦脉宽调制；控制；SA4828波形发生器Induction motor speed-adjusted system designThe student：xxxThe teacher：xxxxxxElectronic information and engineering institute from Huainan Normal UniversityAb

3、stract:This thesis has a research on these technologies: Variable Voltage Variable Frequency motor drive, inverter, and the creation principle of SPWM, Based on the results of the study, I designed a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 controlled by 8051

4、 as main controlling core, it uses IGBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting circuit unit, which makes power factor close to 1. Because I only need to control inverter, the whole circuit is very simple.I adopt the means of linear operation. At the same time, it is

5、very convenient to input parameters or change the drives operating mode due to the software procedure. Moreover, owing to the advantages of the new integrated parts, it costs less time to develop this motor drive.This thesis has also detail introduced the method of the usage and the programs of the

6、three phases SPWM wave generator SA4828. The software and the hardware of the control part in system have been completed.Keywords: variable frequency speed control；Sine Pulse Width Modulation (SPWM)；operation； SA4828 Wave Generator目 录第一章 绪论31 课题的研究现状和意义32 变频器的动态发展趋势4第二章 方案设计52.1 变频器的主电路方案52.2 系统的原理框

7、图62.3 电动机原始参数72.4 异步电机的工作原理82.4.1 异步电机的等效电路82.4.2 异步电机的转矩92.4.3 异步电机的机械特性102.4.4 异步电机变频调速原理112.5 变频调速的控制方式122.5.1 比恒定控制12第三章 变频器主电路173.1主电路的工作原理173.2主电路各部分设计183.2.1交直电路设计183.2.2 直交电路设计183.2.3主电路工作原理193.2.4 主电路参数计算213.3 IGBT及驱动模块介绍223.3.1 IGBT简介及驱动223.3.2 EXB840的内部结构233.3.2 IGBT驱7动电uu路24第四章 控制回路254.1

8、 驱动电路254.1.1 SPWM调制技术254.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚274.1.3 SA4828结构及工作原理284.2 保护电路304.2.1 过、欠压保护电路设计304.2.2 过流保护设计324.3 控制系统的实现33第五章 变频器软件设计355.1 流程图355.2 SA4828的编程365.2.1 初始化寄存器编程365.2.2 控制寄存器编程385.3 程序设计39第六章 结论48致谢49参考文献49第一章 绪论1 课题的研究现状和意义近年来，电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60%-70%，成为用

9、电量最多的电气设备，根据采用的控制方式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。其中交流电动机形式多样，用途各异，拥有数量最多。交流电动机又分为同步电动机和异步电动机两大类，根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民生产中的重要地位。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能的好坏对提高产品质量，提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速电流双闭环直流调速系统可获得优

10、良的静动态调速特性。因此长期以来，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流电动机的机械式换向器和电刷存在着诸多弱点，因此有时直流调速也受到限制。然而，采用无换向器的交流电动机组成的交流调速系统代替直流调速系统可以突破这些限制，满足生产发展对调速、传动的各种不同的要求。 20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究和开发。尤其是20世纪70年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极有利的技术条件和物质基础。大致体现在一下四个方面：1、电力电子的蓬勃发展促进了交流技术的迅速发展和交流调速系统装置的现代化。2、脉宽调制（

11、PWM）技术的发展与研究。3、矢量交换控制技术的诞生和发展，奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。4、微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统提供了技术手段和保障异步电机可以采用调压调速、改变极对数调速、串电阻调速、变频调速等。在交流调速诸多方式中，变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，也是交流调速的基础和主干内容，变频装置有交直交系统和交交系统两大类。交直交系统在传统电压型和电流型变频器的基础上正向着脉宽调制PWM型变频器和多重化技术方向发展，而交交变频器应用于低速大容量可逆系统上升趋势现代电力电子、微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、各

12、种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路、DSP和FPGA近来令人瞩目的发展，促进了交流调速的不断发展。目前异步电机变频调速控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论、电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。实践证明，交流调速系统的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。现在，交流调速系统正在逐步的代替直流调速系统，交流调速系统在电气传动领域占据统治地位已是不争的事实。 总之，交流电

13、机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。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。 2 变频器的动态发展趋势 随着变频技术的不断的发展，通用变频器以其优异的控制性能现已在调速领域、工业领域及家电产品中得到迅速推广。此外，变频技术和变频器制造己经从传统的拖动技术中分离出来，现已成为各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵

14、地，而发达国家更是在该技术领域投入了极大的人力、物力、财力，逐步向高新技术行业发展。近年来，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。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：（1）网络智能化智能化的变频器可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动等综合管理控制系统。（2）专业化和一体化变频器的制造专业化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机

15、、水泵、电梯、起重机械和张力控制专用变频器等。此外变频器与电动机一体化的发展趋势，使变频器成为电动机的一部分，逐渐向体积小、易控制的方向发展。（3）适应新能源以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的性能已得到广泛的应用。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。随着电力电子技术、微电子技术和现代控制技术的快速发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进。主要表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、结构的小型化等方面。第二章 方案设计2.1 变频器的主电路方案 变频器最早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

16、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-交变频器和交-交变频器。（1）交-交型变频器：是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2,所以不能高速运行。（2）交-直-交型变频器：是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压

17、的不同形式，又可分为电压型和电流型两种： 电流型变频器：是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。 电压型变频器：是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型

18、变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。2.2 系统的原理框图交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。保护吸收电路逆变电路供电电源电机滤波电路整流电路隔离驱动主电路电流SPWM波生成芯片8051单片机图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

19、直流电，必须加以滤波。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交流电。本设计采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。电流电压检测：采集直流端信号，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。2.3 电动机原始参数本设计采用

20、中等容量的电动机，具体数据如下：额定功率：； 额定电压：；额定电流：；额定转速：； 效 率：； 功率因数：cos=0.85；过载系数：=2.2； 电压波动：±10%； 极 对 数：P=2。2.4 异步电机的工作原理 2.4.1 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，其电路如图2.1。图2.1异步电动机的定、转子图图2.1中参数：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:

21、 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，将定子、转子放在同一个电路。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2.1中参数：励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效

22、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输出的机械功率； 等参数经过折算后的转子参数。2.4.2 异步电机的转矩（1）电磁转矩的表达式 （2-2）式中 的单位为KW；的单位是；的单位是。（2）电磁转矩的物理表达式 = （2-3）式中 转矩常数；主磁通。（3）电磁转矩的参数表达式 = （2-4）式中 磁极对数；电源的相电压；电源频率。2.4.3 异步电机的机械特性 机械特性是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系，即=，它可由（2-3）所决定的曲线变换而来。异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身固有的参

23、数所决定的曲线，叫做电动机的自然机械特性。图2.3 异步电动机机械特性曲线只要确定曲线上的几个特殊点，就能画出电动机的机械特性。 理想空载点图2.3中的E点，电动机以同步转速运行（=0），其电磁转矩T=0。 起动点图2.3中的S点，在起动点电动机已接通电源，但尚未起动。对应这一点的转速0（1），电磁转矩称起动转矩，起动是带负载的能力一般用起动倍数来表示，即。式中,为额定转矩。 临界点临界点是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定区的分界点。电动机运行在点时，电磁转矩为临界转矩，它表示了电动机所有能产生的最大转矩，此时的转差率叫临界转差率，用表示。、根据式（23）用求极值的办法求出，即

24、：由0，可得： （24） （25）电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用表示，即 （26）普通电动机的2.02.2之间，而对某些特殊用电动机，其过负载能力可以更高一些。上述分析说明：的大小影响着电动机的过载能力，越小，为了保证过载能力不变，电动机所带的负载就越小。由知：越小，越大，机械特性就越硬。因此在调速过程中，、的变化规律常常是关注的重点。2.4.4 异步电机变频调速原理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

25、。使电动机转起来。电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

26、输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。2.5 变频调速的控制方式2.5.1 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

27、时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，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，

28、励磁电流升高，从而导致电动机发热，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，

29、所以保持=常数即可。由于比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

30、，为了使控制容易实现，采用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

31、频调速的使用。一种简单的解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（

32、）基频以上调速 在基频以上调速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

33、率调速的特性曲线注：图中曲线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3.1主电路的工作原理111111本设计中采用图3.1的主电路。!

34、图3.1 电压型交直交变频调速主电路3.2主电路各部分设计3.2.1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=1.35=1.35×380V=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

35、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。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。3.2.2 直交电路设计选用逆变开关管组成三相逆变桥

36、，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

37、，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。3.2.3主电路工作原理1、整流电路：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。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

38、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

39、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。（a）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。3.2.4 主电路

40、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：1、整流二极管的参数计算（峰值电流）= =×15.6=22.06A（有效值）= =15.6A二极管额定电流值=（1.52）Id/1.57=14.91A19.88A 额定电压值=（23）=（23）××380=1074.64V1611.96V2、滤波电容系统采用三相不控整流，经滤波后=1.1××380=591.05V。3、制动部分制动电阻粗略计算为=18.9437.89击穿电压：当线电压为380V时，根据经验值选1000V。集电极最大电流：按照正常电压流经电流的两倍来计算：=2×5

41、91.05/18.94=62.41A4、IGBT的选用峰值电压=（22.5）×1.1××380=1182.1V1477.63V 集电极电流=（1.22）=（1.22）×××=58.2397.06A 集电极-发射极额定电压1.2倍最高峰值电压=1.2×1477.63V=1773.16V3.3 IGBT及驱动模块介绍 IGBT简介及驱动 绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。由IGBT构成的MOSFET和BJT各有其优缺点。MOSFET属于单极型器件，具有开关

42、频率高、无二次击穿现象、易并联运行、控制功率小的优点，缺点是导通电阻大，耐压水平不易提高。BJT属于双极型器件，具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点，缺点是开关时间长，有二次击穿现象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET和BJT优点的新型复合器件IGBT应运而生，IGBT具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小等优点。并且，随着IGBT技术的发展，其性能不断得到改善和提高，使得IGBT在大功率开关电源设备中的地位越来越重要，如UPS、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都使用IGBT模块。由于IGBT在设备中所占成本比例较高，所以掌握好IGBT的特性和正确的使用方法，尽量减少IG

43、BT模块的损坏以降低开发成本和提高整机可靠性。 IGBT是压控器件，栅极输入阻抗高，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

44、运行的安全性和可靠性。 EXB840的内部结构本设计采用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1.5,采用单电源20V供电。EXB840的功能框图如图3.4所示。图3.4 EXB840的引脚图 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

45、感产生的感应电动势升高,使IGBT集电极电压过高而损坏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,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。 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3.5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,以防止干扰,如果IGBT的集电极产生大的电压

46、脉冲,可增加IGBT的栅极电阻。图3.5 EXB840组成的驱动电路第四章 控制回路 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 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。 SPWM调制技术 脉宽调制(PWM)技

47、术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。脉宽调制技术在逆变器中的应用，对现代电力电子技术、现代调速系统的发展起到了极大的促进作用。实际工程主要采用的PWM技术是正弦PWM(SPWM)，这是因为变频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形。为减小输出信号中的谐波分量，一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信号宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波，即SPWM调制波。脉宽调制指的是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按照正弦规律变化。当正弦值为最大值时，脉冲的宽

48、度最大，而脉冲间的间隔最小；当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，那么这样的电压脉冲系列就可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，这种调制方式称为正弦波脉宽调制。产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称为调制波)进行比较，如图4.1所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。虽然正弦脉宽调制波与等脉宽PWM信号相比，谐波成份大大减小，但它毕竟不是正弦波。提高载波(三角波)的频率，是减小SPWM调制波中谐波分量的有效方法。而载波频率的提高，受到逆变开关管最

49、高工作频率的限制。第三代绝缘栅双极型晶体管IGBT的工作频率可达30KHz，用IGBT作为逆变开关管，载波频率可以大幅度提高，从而使正弦脉宽调制波更接近正弦波。可由模拟电路分别产生等腰三角波与正弦波，并送入电压比较器，输出即为SPWM调制波。图4.1为SPWM波生成方法：图4.1 SPWM波生成方法 采用模拟电路的优点是完成三角波与正弦波的比较并确定输出脉冲宽度的时间很短，几乎瞬间完成。缺点是电路所用硬件较多，改变参数和调试比较困难。若用单片机直接产生SPWM信号，由于需要通过计算确定正弦脉宽调制波的宽度，使SPWM信号的频率及系统的动态响应都较慢。对于调速精度、调速方式要求较高的交流异步电动

50、机，可以采用各项性能指标都非常完善，但价格也比较昂贵的通用变频器；对一般交流电动机的变频调速，可以直接采用三相SPWM调制信号专用芯片构成调速系统。在本设计中选用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片，可以和单片机接口，完成对交流电动机的变频调速。 SPWM波生成芯片特点和引脚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24kHz，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。2.SA4

51、828引脚功能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。 ：

52、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(+5V)。Vss：供电电源负端(0V)。（2）输出类管脚说明RPHB、YPHB、BPHB：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管。RPHT、YPHT、BPHT：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂开关管。以上引脚都是标准TTL输出，每一个输出都有12mA的驱动能力，可以直接驱动光耦。：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

53、。RS：寄存器选择端。 SA4828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（如图4.3）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。看门狗定时器用来防止程序跑飞，当条件满足时快速封锁输出。SA4828内部结构原理框图如图4.4所示。图4.4 SA48

54、28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4.1所列。表4.1 各寄存器地址 寄存器AD3AD2AD1AD0地址R0000000 HR1000101 HR2001002 HR3001103 HR4010004 HR5010105 HR1411100E HR1511110F 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。 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%。通常情况下