交流异步电动机变频调速系统设计说明

1、.摘要近年来，交流电动机变频调速及其相关技术的研究，随着新型电力电子器件和微处理器的引入，交流电动机控制理论的发展，成为现代电气驱动领域的重要课题。 ，交流变频调速技术也将取得长足进步。本文对变频调速理论、逆变技术和SPWM产生原理进行了研究。在此基础上，设计了一种新型数字三相SPWM变频调速系统。主功率器件也采用EXB840组成IGBT驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1 ，且仅采用一级可控功率环节，电路结构比较简单。在本文中，恒定控制用于控制。同时，软件程序使输入参数和改变变频器的运行方式变得极为方便。使用新的集成组件也使其开发周期缩短。此外，还详细介绍了SA 4828三相SP

2、WM波发生器的使用和编程，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 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232918972 摘要 PAGEREF _Toc232918972 h 我 HYPERLINK l _Toc232918974 概述 PAGEREF _Toc232918974 h 1 HYPERLINK l _Toc232918975 1.1 变频调速技术介绍 PAGEREF _Toc232918975 h 1 HYPERLINK l _Toc232918976 1.2 变频器发展现状及趋势

3、PAGEREF _Toc232918976 h 2 HYPERLINK l _Toc232918977 1.2.1 逆变器 PAGEREF _Toc232918977 h 2发展现状 HYPERLINK l _Toc232918978 1.2.2 逆变器技术发展趋势 PAGEREF _Toc232918978 h 2 HYPERLINK l _Toc232918979 1.3 研究目的和意义 PAGEREF _Toc232918979 h 3 HYPERLINK l _Toc232918980 1.4 本设计方案介绍 PAGEREF _Toc232918980 h 4 HYPERLINK l

4、_Toc232918981 1.4.1 逆变器主电路方案的选择 PAGEREF _Toc232918981 h 4 HYPERLINK l _Toc232918982 1.4.2 系统框图及各部分介绍 PAGEREF _Toc232918982 h 5 HYPERLINK l _Toc232918984 第二章交流异步电动机变频调速的原理与方法7 HYPERLINK l _Toc232918985 2.1 三相异步电动机运行的基本原理7 HYPERLINK l _Toc232918986 2.1.1 异步电动机等效电路7 HYPERLINK l _Toc232918989 2.1.2 异步电动

5、机变频调速原理8 HYPERLINK l _Toc232918990 2.2 变频调速的控制方式及选择9 HYPERLINK l _Toc232918991 2.2.1比例常数控制 PAGEREF _Toc232918991 h 1 0 HYPERLINK l _Toc232918993 第三章逆变器主电路设计16 HYPERLINK l _Toc232918994 3.1 主电路工作原理16 HYPERLINK l _Toc232918995 3.1.1 主电路各部分设计16 HYPERLINK l _Toc232918996 3.1.2 逆变器主电路设计的基本工作原理17 HYPERLIN

6、K l _Toc232918997 3.2 主电路参数计算20 HYPERLINK l _Toc232919002 第 4 章控制回路设计21 HYPERLINK l _Toc232919003 4.1 驱动电路的设计21 HYPERLINK l _Toc232919005 4.1.1 SPWM 波发生芯片特性及引脚功能21 HYPERLINK l _Toc232919006 4.1.2 SA4828的结构和工作原理22 HYPERLINK l _Toc232919007 4.2 保护电路24 HYPERLINK l _Toc232919008 4.2.1 过压和欠压保护电路设计24 HYPE

7、RLINK l _Toc232919009 4.2.2 过流保护设计26 HYPERLINK l _Toc232919010 4.3 控制系统的实施27 HYPERLINK l _Toc232919017 总结31 HYPERLINK l _Toc232919018 参考文献32 HYPERLINK l _Toc232919019 至33前言变频调速技术是通过改变交流电机的供电频率来达到交流电机调速目的的技术。 1970年代以后，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度发展，变频调速传动技术也取得了长足的进步，通用变频器开始出现。 1990年代，通用变频器以其卓越的控制性能在调速领域独树一帜，在工

8、业领域和家电领域迅速普及。 21世纪，电力电子器件的衬底由Si（硅）向SiC （碳化硅）转变，使得新型电力电子元件具有耐高压、低功耗、耐高温等优点； ，大容量驱动装置；永磁电机也在开发中。在工业发展初期，人们主要使用集中传输。作为动力鼠笼电机，无需调速。它只需要满足各种生产条件的启动和稳速运行的要求，调速的任务由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产的连续性和流动性的要求越来越高，发展电机调速技术势在必行。直流调速系统，由于其良好的调速性能，长期以来一直占据调速领域的首位。但是，由于直流电机本身带有机械换向器，给直流调速系统带来了一些固有的难题。.第一章介绍1.1变频调速技术介绍变频

9、调速技术是通过改变交流电机的供电频率来达到交流电机调速目的的技术。众所周知，目前，无论何种机械调速，都是由电机来实现的。从大圈看，电机有直流电机和交流电机之分。由于直流电机的调速容易实现，性能好，以往生产机械的调速都采用直流电机。但直流机固有的缺点：由于使用直流电源，其滑环和碳刷要经常更换，费时费力，成本高，带来太多给人们带来麻烦。因此，希望简单、可靠、廉价的笼式交流电机也能像直流电机一样进行调速。这样，就有定子调速、变极调速、转差调速、转子串联电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然，还出现了转差电机、绕线电机和同步交流电机。随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术。一

10、出现，就以其优异的性能逐渐取代其他交流电机调速方式甚至直流电机调速，成为电驱动。中心1 。变频调速被认为是一种理想的交流调速方式。然而，如何获得一种经济可靠、可以单独给异步电动机供电的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。 1960年代中期，随着普通晶闸管和小功率管的实际应用，出现了一种静态变频装置，将三相工频电源转换为频率可调的交流电。这一时期的变频器件多为分立元件，体积大，成本高。其中大部分是为特定的控制对象而开发的。容量一般较小，控制方式也很不完善。还需要改进，特别是低速性能不理想，所以只用于纺织、磨床等特定场合。功能丰富，可适用于不同的负载和场合。特别是1990年代，随着半导体开关器

11、件IGBT和矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流。 ，动态特性已媲美直流调速。随着变频器专用大规模集成电路、半导体开关器件和传感器性能的不断提高，进一步提高变频器的性能和功能已成为可能。今天的变频器功能多，操作方便，寿命和可靠性也比过去有了很大的提高。所谓变频就是利用电力电子器件（如功率晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT）将50Hz的市电转换成交流电或用户需要的其他电源。分为直接变频（又称AC-AC变频），即将市电直接转换为频率低于其频率的交流电，广泛应用于大功率交流调速；间接变频（又称AC-DC-AC变频），即市电先整流成直流，再变换成所需频率的交流。又分为共振频率转换和方波频

12、率转换。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。常用的方法有比较正弦波（调制波）和三角波（载波）的SPWM法、磁场跟踪SPWM法和等面积SPWM法。本设计所设计的课题属于间接变频调速技术。主要包括整流部分、逆变部分、控制部分和保护部分。逆变环节为三相SPWM逆变方式。1.2逆变器发展现状及趋势1.2.1逆变器发展现状工业自动化和机电一体化领域居世界前列。庞大的人力、物力、财力，使其现已进入高科技产业。就变频技术而言，日本、美国与法国、荷兰、丹麦等国可以说齐头并进，不相上下。在该领域的研发和生产方面，220KW以上功率的变频器基本被欧美等国家垄断，如德国的西门子（SIEMEN

13、）和丹佛斯（DANFOSS），美国的AB.OE，和欧洲的 ABB。 85%的中小容量逆变器被日本产品和产品占据，如富士（FUJI）、三垦（SAMCO）、东芝（TOSHIBA）、松下（PANASONIC）、三菱（MITSUBISHI）、安川和台达。由于这些国家和地区工业基础好、制造业发达、开发生产能力强，其生产的变频器应用范围广泛，生产已初具规模，变频器应用率超过85% 。中国逆变器华为电气（现更名为安盛电气）、半菱电气、森兰、普传科技都是研发、生产逆变器的高新技术企业。他们拥有雄厚的技术实力。未来可以替代国外品牌，打造自己的国内知名品牌。1.2.2逆变器技术发展趋势随着IT技术的迅速普及和人类

14、思维观念的转变，变频器相关技术发展迅速，未来将主要在以下几个方面发展2 ：1.网络智能智能逆变器购买后可立即使用，无需过多设置，可进行故障自诊断、远程诊断和自动更换部件，从而保证逆变器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器的联动，甚至可以实现基于工厂的变频器综合管控系统。2.专业化与整合变频器制造的专业化可以使变频器在某一领域具有更强的性能，如风机泵类变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、力控专用变频器等。 .另外，变频器有与电机一体化的趋势，使变频器成为电机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。3 、环保无污染保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。 21世纪的电驱动装置应重点关注：

15、逆变器能量转换过程中的节能、低污染，将逆变器在电网使用过程中的噪声和功率谐波污染降到最低。4 、适应新能源以太阳能和风能为动力的燃料电池现在以低价出现，并且有追赶的趋势。这些发电设备最大的特点就是容量小且分散。未来，变频器需要适应这种新能源，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正以惊人的速度发展，变频调速传动技术也取得了长足的进步。这一进步集中在大容量交流调速装置、变频器的高性能多功能化、结构小型化等方面。1.3研究目的和意义随着交流驱动电机调速理论问题的突破和调速装置（主要指变频器）性能的提高，克服了交流电机调速系统性能差的缺点。目前，交流调速系统的性能已经可以与直

16、流系统媲美，甚至优于直流系统。由于交流调速不断显示出自身的优越性和巨大的社会效益，变频器的生命力越来越旺盛。各种性能优越的新型功率半导体器件的出现，如可同时控制通断的门极关断晶闸管GTO ；功率转换效率好，适合高频大功率运行的MOSFET ；绝缘栅双极型大功率晶体管IGBT，具有栅极驱动电压低、 MOS管驱动电路简单、双极型功率管导通饱和压降低等优点； ，有各种驱动电路和智能功率模块IPM等器件的应用，用于过压、过流等保护电路，不仅使交流调速系统的控制装置体积小、效率高，而且使更容易实现各种复杂的功能。然而，结构上简单的控制方案丰富并促进了逆变器理论的进一步发展。可以完成各种复杂信号和信息处理

17、的集成芯片的出现，如可以产生脉宽调制信号的专用集成电路，以及大量用于各种单片机和计算机系统的微处理器和接口芯片的出现，是一种高品质的产品。控制创造了良好的条件。基于电机与机电一体化理论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，通过直接控制转矩快速控制速度的速度自调节技术。具有抗干扰能力等的变结构控制系统，极大地丰富了电机调速领域的能力。总之，交流电机调速技术的发展，特别是变频器驱动本身的先天优势，必将使其应用于社会生产的各个领域，体现不同的功能，达到不同的目的，获得相应的效益。因此，本论文通过对变频器的研究，对交流变频调速系统理论的应用具有现实意义和一定的应用价值。1.4本

18、设计方案介绍1.4.1变频器主电路方案的选择变频器最早的形式是利用旋转发电机组作为变频电源给交流电动机供电。随着功率半导体器件的发展，静态变频电源已成为变频器的主要形式。静态逆变器从变换环节分为两类： AC - DC - AC逆变器和AC - AC逆变器。1、AC - AC逆变器：其作用是将一种频率的交流电直接转换成另一种频率电压可调的交流电（转换前后相数相同），又称直接逆变器。由于中间没有直流环节，所以不需要换相，所以效率很高。因此多用于低速大功率系统，如回转窑、轧机等。但这种控制方式决定了最大输出频率只能达到功率的1/3 1/2频率，所以它不能高速运行。2. AC - DC - AC逆变器

19、： AC - DC - AC逆变器首先通过整流器将工频交流电转换为直流电，再将直流电转换为频率和电压可调的交流电，又称间接逆变器。 DC-AC变频器是目前应用广泛的通用型变频器。根据直流部分的电流和电压形式不同，可分为电压型和电流型两种：(1) 电流型逆变器电流型逆变器的特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节缓冲无功功率，即电流变化受到抑制，电压波形接近正弦波。由于直流环节的电阻较大，故称为电流源型。频率转换器。(2) 电压型逆变器电压型逆变器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容作为储能环节缓冲无功功率，直流环节电压比较稳定，直流环节电阻小，即相当于电压源，所以称为电压型逆变器。 .由于

20、电压型逆变器作为电压源为交流电动机提供交流电，其主要优点是其运行几乎不受负载的功率因数或换向的影响，主要适用于中小容量交流驱动系统。相比之下，电流型逆变器加在负载上的电流值是稳定不变的，其特性与电流源相似。主要用于大容量电机驱动系统和大容量风机、水泵的节能调速。由于AC - DC - AC逆变器是目前应用广泛的通用型逆变器，本设计选用这种间接逆变器。在AC-DC-AC逆变器的设计中，虽然目前的逆变器可以对电压进行补偿，但是考虑到电压型逆变器的通用性和优势，在本设计中采用了电压型逆变器。1.4.2系统原理框图及各部分介绍本文设计的AC-DC逆变器由以下几部分组成，如图1.1所示。图 1.1 系统

21、原理框图系统组成介绍：电源：电源根据逆变器的输出功率而变化。单相220V用于小功率，三相380V用于功率。由于本设计采用的是中容量电机，所以采用三相380V电源。整流电路：整流部分将交流电转换成脉动直流电，必须经过滤波。在本设计中，使用了三相不可控整流。可使电网的功率因数接近1。滤波电路：本设计采用电压型逆变器，故采用电容滤波。中间的电容除了滤波之外，还起到整流电路和逆变电路之间的去耦作用，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。设计中采用三相桥式逆变器，开关器件为全控开关管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805

22、1单片机和SPWM波发生芯片SA4828。控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，并形成信号驱动变频器根据这些指令和设定信息工作。这些信号被光隔离以驱动开关关闭。极对数：P=2。第二章交流异步电动机变频调速的原理与方法2.1三相异步电动机工作的基本原理2.1.1异步电动机等效电路异步电动机的转子能量是通过电磁感应获得的。电路中没有定子和转子之间的连接，其电路可以用图2.13表示。图 2.1 异步电动机的定转子图在图 2.1 中： QUOTE - 定子的相电压； QUOTE - 定子的相电流； QUOTE 定子各相绕组的电阻和漏抗；, ,分别是转子电路产生的电动势、电流和漏抗； QUOTE

23、- 每相定子绕组的反电动势，由定子绕组切割旋转磁场产生。其有效值可计算如下：(2-1)在哪里：气隙磁通在定子各相感应电动势的有效值； 定子频率；定子每相绕组的串联匝数；基波绕组系数；- 极气隙通量。从电机的基础知识可知，转子电路的频率与转差率成正比，因此转子电路中的各电量也与转差率成正比。为了便于定量分析定子和转子之间的各种定量关系，应将定子和转子放在一个电路中。由于定子和转子电路的频率、绕组和匝数不同，因此必须对其进行转换。根据机电原理，在以下假设下：一个。忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感呈线性关系；湾。忽略磁饱和；C。忽略铁损。可以得到电机的T形等效电路图。由于交流异步电动机的三相对

24、称性，只取A相进行计算分析。 A相T形等效电路如图2.2所示。图2.2电机T形等效电路图在图 2.2 中：励磁电阻，即表征感应电动机铁损的等效电阻；励磁电抗，是表征铁芯磁化能力的参数；-励磁电流；机械负载的等效电阻，在= 上消耗的功率，相当于异步电动机输出的机械功率；等参数转换后的转子参数。2.1.2异步电动机变频调速原理交流异步电动机是电气驱动中使用最广泛的电动机类型。据统计，我国异步电动机的使用容量占总驱动容量的80%以上，因此了解异步电动机的调速原理非常重要。交流异步电动机是电气驱动中使用最广泛的电动机类型。据统计，我国异步电动机的使用容量占总驱动容量的80%以上，因此了解异步电动机的调

25、速原理非常重要。交流调速是通过改变电动定子绕组的供电频率来达到调速的目的，但是当三相交流电接入定子绕组时，定子和转子之间的气隙会产生与转子绕组相连的旋转磁场。产生感应电动势，产生感应电流，与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。转动电机。电动机的磁场速度称为同步速度，用下式表示：(2-7)式中：为三相交流电源的频率，一般为50Hz；是极对数。当=1时， =3000r/min； =2， =1500r/min。磁极对越多，速度越慢。转子的实际转速比磁场的同步转速稍慢，故称为异步电动机。这种差异由滑差表示： QUOTE (2-8)在电源转子还没有转动的瞬间， =0，此时=1；启动后的极端情况= ，则=0，

26、即在01之间变化。一般异步电机在额定负载下=1%6%。结合方程（2-7）和（2-8），我们可以得到：(2-9)由式(2-9)可以看出，对于成品电机，极对数已经确定，转差率变化不大，所以电机的转速与电源的频率成正比电源，所以改变输入电源的频率可以改变电机。同步调速，进而达到异步电动机调速的目的。2.2变频调速的控制方式及选择2.2.1比持续控制恒比控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方法。它在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，从而使电机的磁通量基本恒定，使电机的效率和功率因数在较宽的转速范围内不下降调节范围。控制是目前通用变频器中广泛使用的一种控制方式。三相交流异步电动机的铁芯磁

27、通在工作过程中接近饱和，使铁芯材料得到充分利用。在变频调速过程中，当电机电源的频率发生变化时，电机的阻抗也会随之变化，从而引起励磁电流的变化，从而导致电机励磁不足或励磁过大。当励磁不足时，电机的输出转矩会降低，而当励磁过强时，铁芯中的磁通会处于饱和状态，这意味着电机中有很大的励磁电流流过。增加了电机的功率损耗，降低了电机的效率和效率。功率因数。因此，在改变频率进行调速时，必须采取措施使磁通保持在额定值。由电机理论可知，电机定子感应电位的有效值为：那么（ 2-10）此外，电机的电磁转矩为：(2-11)其中- 与电机相关的常数；Cos转子电路各相的功率因数；- 转子电压和电流之间的相位差；- 电机

28、的电磁转矩。由公式（2-10 ）推断，如果不改变，当定子电源频率增加时，气隙磁通会减少；由式（2-11 ）可知，减小会导致电机的电磁转矩减小。频率增加，负载能力下降。当它保持不变时，定子电源频率的降低会引起增加。增加会导致磁路饱和，励磁电流增加，从而导致电机发热。严重时会因绕组过热而损坏电机。从以上情况可以看出，在变频调速时，气隙磁通必须保持不变。因此，在调整频率的同时，需要对定子电压进行协调控制，但控制方式会随着工作频率低于基频和高于基频而变化。1、基频以下调速由公式（2-1 0 ）可知，为保持不变，当频率从额定值向下调整时，必须同时降低频率，使频率= 恒定值只要保持恒定，就可以达到保持磁通

29、量恒定的目的。因此，这种控制也称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速。根据电机端电压与感应电位的关系：(2-12)其中： - 定子相电压；- 定子电阻；- 定子阻抗；- 定子电流。电机在额定运行时，电机的定子电阻和漏阻抗的压降很小，总和可视为近似相等，所以保持=常数。由于恒速调节是从基频到降速，当频率较低时，V和V变小，定子漏阻抗的压降（主要是定子电阻的压降）不能再被忽略。在这种情况下，可以人为适当提高定子电压，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 转速低于额定转速时电机的机械特性从图2.4可以看出，当电机调速到低于额定转速的方向时，曲线近似平行

30、减小，减速后的电机仍保持原有的硬机械特性；但临界转矩随着电机速度的降低而降低。并逐渐减小，这就是电机负载能力的降低。临界转矩降低的原因可以解释为：为了使电机定子的磁通保持恒定，调速时要求感应电动势与电源频率的比值保持不变.以忽略定子阻抗压降为代价，当然会有一定的误差。显然，被忽略的定子阻抗中电压降的比例决定了它的影响。值较大时，定子阻抗的压降在电压中的比例较小， 由此产生的误差较小；当 的值较低时，定子阻抗的压降在电压中的比例减小，而定子阻抗的压降不会以相同的比例下降，因此定子的压降比例对电压的阻抗增加，不再满足 。这个时候如果还是换掉，就会带来很大的错误。由于定子阻抗压降比值增大，实际产生的

31、感应电动势减小，该比值减小，导致磁通减小，从而导致电机临界转矩减小。变频后机械特性的降低会削弱电机的负载能力，影响交流电机变频调速的使用。一个简单的解决方案是所示的扭矩补偿方法。转矩补偿法的原理是：当频率降低时，电源电压成比例降低引起的下降过低，采用适当的升高电压的方法，保持磁通恒定，使电机扭矩上升。因此，一些逆变器手册也称为转矩提升。带定子压降补偿的 V/F 控制特性如图 2.5 中的 b 线所示，不带补偿的控制特性为 a 线。定子降压补偿只能补偿额定转速方向的调速机械特性，不能补偿高于额定转速方向的调速机械特性。图 2.5 电压频率比控制特性曲线补偿后的机械特性曲线如图 2.6 所示。图

32、2.6 补偿后的机械特性曲线2、基频以上调速当调速高于基频时，频率可以从额定频率向上升高，但电压不能超过额定电压。从等式（2-10）可以看出，这将迫使磁通量与频率成反比减小。在这种调速方式下，转子上升时转矩减小，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 转速高于额定转速时电机的机械特性当电机向高于额定转速的方向调节时，不仅曲线的临界转矩减小，而且曲线工作段的斜率开始增大，使机械特性软化。产生这种现象的原因是当频率增加时，电源电压不能相应增加。这是因为电机绕组的绝缘强度限制了电源电压超过电机的额定电压，所以磁通量会随着频率的增加而减少。磁通量的降低会降低电机的转矩，导致电机

33、的机械性能变软。上述调速方式对应的特性曲线如图2.8所示。图 2.8 全频调速特性曲线注：图中曲线1低频时无定子降压补偿的电压频率曲线和主磁通曲线曲线2低频下定子降压补偿的电压频率曲线和主磁通曲线恒定控制的主要问题是低速性能差。一方面，原因是定子的电压和电位在低速时大致相等。已经不能满足定子电压和电位近似相等的条件，所以恒比例控制不能保持电机磁通恒定，电机磁通的减少必然导致电磁转矩的降低的电机。 .另一方面，原因是逆变桥臂上下开关元件在低速时导通时间较短，电压下降，它们的互锁时间也使电压下降，从而产生转矩。波纹。在某些情况下会引起转速和电流的振荡，严重时变频器将无法运行。第三章逆变器主电路设计

34、3.1主电路工作原理变频调速实际上是给交流异步电动机提供了频率可控的电源。能够实现这一功能的设备称为变频器。逆变器由主电路和控制电路两部分组成。主电路通常采用AC -DC-AC方式，先将交流电转换为直流电（整流、滤波） ，再将直流电转换为频率可调的交流电（逆变器）。 ) .本设计采用图3.1的主电路，也是变频器常用的格式4 。图 3.1 电压型交-直-交变频调速主电路3.1.1主电路各部分的设计1、交直流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。整流电压= 1.35 = 1.35380V=513V。滤波电容滤除整流后的电压纹波，在负载变化时保持电压稳定。逆变器通电时，滤波电容

35、的充电电流很大。过大的浪涌电流可能会损坏三相整流桥中的二极管。为了保护二极管，电路中串联了一个限流电阻，以限制电容器的充电电流。在内容的范围内。当充电达到一定程度时，关闭，限流电阻短路。在许多新的变频器中，晶闸管已被替换。电源指示器 HL还用作滤波电容器的放电路径和指示。由于滤波电容容量大，放电时间比较长（几分钟），几百伏的电压会威胁到人员的安全。因此，维修时，请等待指示灯熄灭。对于制动电阻，在变频器的交流调速中，通过降低变频器的输出频率来实现电机的减速。在电机减速过程中，当变频器输出频率下降过快时，电机将处于制动状态，必须将拖动系统的动能反馈给直流电路，使直流电路电压（称为泵浦电压）继续上升

36、，导致逆变器过压保护动作，切断逆变器输出。为了避免这种现象，再生到直流电路的能量必须被消耗掉，而总和的作用就是消耗掉这部分能量。如图3.1所示，当直流中间电路上的电压上升到一定值时，制动三极管导通，反馈给直流电路的能量消耗在制动电阻上。2.正交电路设计选用逆变开关管构成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电。逆变管这里使用IGBT。续流二极管是：当逆变开关管由导通变为关断时，虽然电压突然变为零，但由于电机线圈的电感，线圈中储存的电能开始释放，续流二极管提供了一个通道.保持电流在线圈中流动。此外，当电机制动时，续流二极管为再生电流提供流回直流电源的路径。电阻、电容、二极管组成缓冲电路，保护逆

37、变管。由于开关管在导通和关断时会受到集电极电流和集电极-发射极间电压的影响，因此需要通过缓冲电路来缓解。逆变管关断时迅速上升迅速下降，过高的电压会对逆变管造成伤害，所以通过在逆变管两端并联一个电容（ ）来降低电压增长速度.逆变管导通时，迅速下降，迅速上升。逆变管两端并联的电容会因电压降通过逆变管放电，加速电流增长速度，对IGBT造成损坏。所以增加电阻来限制电容器的放电电流。但是，当逆变管关断时，电阻会阻止电容充电。为了解决这个矛盾，在电阻两端并联一个二极管（ ），使电容避开电阻，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逆变器。由于本设

38、计选用的电机为中容量型，故此处选用此缓冲电路。3.1.2逆变器主电路设计基本工作原理1.整流电路整流电路是将交流电转换为直流电的电路。在本设计中，使用了三相桥式不可控整流电路。主要优点是电路简单，功率因数接近1。由于整流电路的原理比较简单，设计不再详述5 。二、逆变器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称为逆变器，是逆变器的主要部件。电压逆变器的工作原理如下：(1) 单相逆变电路图3.2单相逆变电路原理图：当,同时闭合时，电压为正；当, 同时闭合时，电压为负。由于开关的打开和关闭，直流电压被转换成交流电压。可以看出，在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如

39、： 、 、 、 、 、交替导通，每个开关导通一个电角度。因此，可以通过改变通断速度来调节交流电的周期（频率），交流电压的幅值就是直流电压的幅值。图 3.2 单相逆变器示意图(2) 三相逆变电路三相逆变电路原理图如图3.3所示。在图 3-3 中， 构成桥式逆变电路，这6 个开关交替导通和截止输出端得到相位不同的三相交流电压。当,闭合时，为正；当,闭合时，它是负数。用同样的方法得到：当,同时关闭 ,同时关闭, , ,同时关闭 ,同时关闭, 获得.三相交流电之差,和 ,每个开关的开通和关断必须符合一定的规律，规律如图3.3b所示。根据这个规则， , ,波形如图3.3c所示。结构图 b) 开关的通断规

40、律 c) 波形图图 3.3 三相逆变器示意图观察6 个开关的位置和波形，可以发现以下两点：每个桥臂上的开关总是交替开启和关闭，如、 。各相的切换顺序以各相的“头端”为基准，电角互不相同。比如比率，滞后，比率滞后。6个开关的交变操作，可以得到三相交流电，只要调节开关的通断速度，就可以调节交流电的频率。当然，交流电的幅值可以通过大小来调整。3.2主电路参数计算根据上面给出的原始参数，主电路各部分的计算如下6 ：一、整流二极管参数计算(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)

41、=(23) 380 =1074.64V 1611.96V2.滤波电容系统采用三相不控整流，滤波后=1.1 380 =591.05V。3.刹车部分制动电阻粗略计算为 =18.94 37.89击穿电压：线电压为380V时，根据经验值选择1000V。最大集电极电流：按流过正常电压的电流的两倍计算： =2 591.05/18.94=62.41A4、IGBT选型峰值电压=(22.5)1.1 380 =1182.1V 1477.63V集电极电流=(1.22) =(1.22) =58.23 97.06A集电极-发射极额定电压1.2倍最高峰值电压=1.2 1477.63V=1773.16V第 4 章控制回路设

42、计控制回路是为逆变器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。本设计采用以微处理器为核心的全数字控制。其优点是采用简单的硬件电路，主要依靠软件来完成各种控制功能，充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的特点，可以完成许多模拟量难以实现的功能。设计控制电路如下：4.1驱动电路设计驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流装置提供驱动信号。主电路逆变电路设计中使用的电力电子器件为IGBT，故称为门极驱动电路。下面将介绍SPWM技术的工作原理以及设计中选用的能够产生SPWM波的芯片SA4828的基本结构和工作原理。4.1.1SPWM波发生

43、芯片特性及引脚功能一、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0-4kHz，16位速度控制分辨率，载波频率高达24kHz ，部分ROM固化3种可选波形，最小脉宽和延迟时间可调，各相输出可单独调节以适应不平衡负载，并具有看门狗定时器等功能。2、SA4828引脚功能SA4828 采用 28 脚封装。下图为其引脚排列示意图及示意图11 。图 4.2 SA4828引脚图各引脚功能说明如下：(1) 输入类管脚说明AD0AD7：8位地址和数据复用总线。SETTRIP：通过该管脚，可以快速关闭所有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

44、。MUX：总线选择端子。当MUX为高电平时，使用地址和数据共享的总线。此时，地址/数据引脚RS未使用；当 MUX 为低电平时，使用地址和数据分开的总线。此时地址锁存器ALE接低电平，RS管脚应接地址线以区分输入字节是地址（低电平）还是数据（高电平），通常先地址后数据.：片选输入，该控制线使SA8282与其他外围接口芯片共享同一总线，低电平有效。, : Intel (Motorola) 总线控制写入和读取信号。ALE：地址锁存使能。VDD ：电源正极（+5V）。Vss：电源负端（0V）。(2) 输出引脚说明RPHB、YPHB、BPHB：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥R、Y、B三相的下臂开关。RP

45、HT、YPHT、BPHT：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥R、Y、B三相的上臂开关管。以上引脚为标准TTL输出，每个输出有12mA的驱动能力，可直接驱动光耦。：输出阻断状态指示，低电平表示禁止输出。ZPPR：零相脉冲输出端。Wss：波形采样同步端口。RS：寄存器选择端。4.1.2SA4828结构及工作原理SA4828是28脚DIP或SOIC封装的控制芯片，带有总线控制和译码电路、各种寄存器和相控逻辑电路。外部时钟输入经分频器分频为设定频率，产生三角载波。将三角载波与所选芯片的三种调制波形进行比较，自动产生SPWM输出脉冲，然后通过脉冲删除电路将窄脉冲删除（如图）。 4.3)图 4.3 脉冲序列中

46、的窄脉冲宽度因为这种脉冲没有作用，只会增加开关管的损耗。死区时间由脉冲延迟电路产生，从而确保桥上的管子在状态转换期间不会短路。看门狗定时器用于防止程序跑路，满足条件时快速阻塞输出。 SA4828结构框图如图4.4所示。图 4.4 SA4828框图SA4828的设置是通过单片机接口向SA4828芯片的两个寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）致数据来实现的。初始化寄存器用于设置交流电机相关的基本参数。这些参数应在 PWM 输出端子内容输出前设置，系统工作后不得更改。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机的运行状态。通常在运行过程中经常会重写寄存器的内容，以实现对交流

47、电机转速的实时控制。参数设置通过8个寄存器传送， , , , , , , . where和是两个实际上不存在的虚拟寄存器。初始化参数要先写入 ，再通过正确的写操作将参数送入初始化寄存器，再将控制参数写入 ，再通过正确的写入操作将参数送入控制寄存器. SA4828各控制寄存器的地址如表4.1所示。表 4.1 各寄存器地址登记AD3AD2AD1AD0地址R0000000HR1000101小时R2001002小时R3001103小时R4010004小时R5010105HR1411100 E HR1511110F4.2保护电路保护电路的主要作用是对检测电路得到的各种信号进行运算处理，判断逆变器本身或系

48、统是否异常。当检测到异常时，执行各种必要的处理12 。4.2.1过欠压保护电路设计当电源异常，主电路电压超过或低于一定值时，考虑过压和欠压保护。通用变频器输入电源电压的内容波动范围一般为额定输入电压的10%。正常情况下，主电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时，直流侧电压会过高。过大的直流电压对IGBT的安全构成威胁，很可能超过IGBT的最大耐压值而击穿并造成永久性损坏。当输入电压过低时，虽然不会对主电路元件造成直接威胁，但输入电压过低很可能使控制电路工作异常，使系统紊乱，导致SA4828输出错误的触发脉冲，导致主电路通过。短路并烧毁 IGBT。而较低的输入电压也降低了

49、系统的抗干扰能力。因此，有必要保护系统的电压。本文介绍的逆变器过压保护电路如图4.5所示。图 4.5 过压保护电路它直接检测直流侧电压。其中，电压信号的采样是通过电阻分压获得的，电容起到滤波和抗干扰的作用，防止电路误动作。过压设定点取自电位器。运算放大器以比较器的形式连接。当采样电压高于设定值时（异常），比较器输出高电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。该电阻是正反馈电阻。它的连接使正反馈具有一定的滞后性，以防止比较器在采样信号在给定点附近波动时发生抖动。这里，过电压保护的动作值设定为额定输入电压的110% 。欠压有两个原因：一是输入交流电压长期低于标准规定的值。另一种是瞬时停电或瞬时电压下

50、降。欠压导致逆变开关器件驱动功率不足，烧坏开关器件。一般是从直流端对欠压信号进行采样，这样就可以检测到信号进行欠压和过压保护，在没有危险的情况下短时间内保护不会因为欠压和过压而误动作。欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。电压采样和过压采样一样，从上往下取出欠压设定值。运算放大器以比较器的形式连接。当采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。当采样电压低于设定值（欠压）时，比较器输出低电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其电路如下图所示。动作值设置为输入电压的 85% 。图 4.6 欠压保护电路本系统的故障自诊断是指逆变器本身可以在系统运行前对过载、

51、过压、欠压保护电路进行诊断，检查保护电路是否正常。因此，故障自诊断功能由单片机控制，发出各种等效故障信号，检测相应的保护电路是否动作。如果它动作，则保护电路正常。否则，保护电路本身有故障。直到显示正常。故障自诊断电路的工作过程如下：单片机控制HSO.2端口发出高电平，经非门整形后输出低电平，光耦器件为导通时，有电流流过三极管的基极，三极管导通，输出低电平，输出低电平自诊断信号分别送到过压和欠压保护电路。由于SA4828的SET TRIP端为高电平有效，需加一个反相器使其反相后输出高电平。以下的过电流信号也一样。故障自诊断电路如图4.7 13所示：图 4.7 故障自诊断电路4.2.2过流保护设计

52、在直流短路、桥臂短路、输出短路、接地短路等情况下，逆变器的电流变化非常迅速，元器件会承受很大的电压和电流。会出现锁死现象，导致管子跑偏，无法关闭，甚至烧坏。因此，在过流之前必须关断 IGBT 以切断电流。虽然 IGBT 驱动模块EXB84 0有过流保护，但当IGBT 还在，关断时已经出现锁死的可能时，必须采取辅助断流措施。这里使用瑞士LEM公司生产的霍尔效应磁场补偿电流传感器来检测电流。在传感器的输出端串联一个电阻R，R上的压降反映了被测电流。当发生过流时， R上的压降大于过流保护动作设定值，比较器L E M3 24输出低电平，阻断IGBT驱动电路的输入信号，可使桥臂上的所有IGBT处于截止状

53、态。实现过流保护功能。过流保护电路原理图如图 4.8 所示：图 4.8 过流保护电路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、存储和传输，再到人机界面的实现，单片机走针引线，控制协调各部分的工作。其性能的好坏和工作的正常性对整个控制系统有着重要的影响。本设计选用英特尔公司的8051单片机，它是从单片机课程中学习到的。 8051是一款高性能单片机。由于管脚数量的限制，属于地址和数据复用的单片机，可以直接与SA4828接口。它有4KB的ROM，下面是它的管脚图14 。图 4.9 8051 引脚图因为8051是比较常见和熟悉的，这里就不详细介绍了。图 4

54、.10 是单片机的系统框图15 。模拟量的频率通过ADC0809模数转换器送给8051，转换成SA4828的控制字，控制触发信号的波形。 ADC0809 是一款 8 位逐次逼近型 A/D 转换器件，具有 8 个模拟输入。电位器的输出连接到它的输入IN0（当51单片机没有5l外部RAM和I/O端口时，ADC0809可以在概念上作为一个特殊的和唯一的外部RAM单元使用。因为它是唯一的，所以有没有地址号，也不需要地址线或地址解码线。只要单片机写入外部RAM，就写入ADC0809。在地址寄存器中。只要单片机从外部RAM读取数据，它将读取ADC0809的转换结果。）EOC转换结束信号通过非门连接到803

55、1外部中断1（P3.3）。8051通过地址线P2.0和读写信号控制转换器模拟输入通道的地址锁存，使能输出。图 4.10 MCU 系统图由于 8051 的复用总线结构，SA4828 的 MUX 引脚应接高电平或悬空。 8051的P0口连接SA4828的AD口，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8051的低8位地址，从而将AD端口输入的地址和数据分离。 ，SA4828的地址锁存器由8051的ALE管脚控制，同时连接的控制信号也有读写信号。 SA4828的片选信号由8051的P2.7管脚控制，所以SA4828的8个寄存器地址为：寄存器 R0到R5：0000H到0005

56、H。虚拟寄存器R14、R15地址：000EH、000FHSA4828的STTRIP管脚接8051的P1.0，这样单片机可以在异常情况下阻断SA4828的输出，ZPPR管脚接8051的P3.2()，测量调试波的频率用于展示。由于8051的复位端为高电平有效，SA4828为低电平有效，需要在两者之间加一个反相器。SA4828的管脚接一个发光二极管。当SA4828的输出被阻断时，发光二极管亮，表示阻断状态。 SA4828的六个输出引脚通过各自的驱动电路驱动逆变桥的六个开关。总结本文以SPWM方法为理论基础，以8051和SA4828为核心器件。在讨论了它们的原理和特点后，设计了一种电压型AC-DC-A

57、C变频器。这种设计具有以下特点：(1)选用的变频调速控制方式为恒比控制，从而实现恒磁通变频调速，即恒转矩调速。(2) 选择芯片生成SPWM方式。这种方法不仅思想先进、简单易实现，而且减轻了单片机的负担。直流电压利用率高，输出电流谐波分量小。(4)主电路采用交-直-交电压型结构，非常适用于中小容量交流调速系统。(5)选用6个IGBT组成三相桥式逆变器。 IGBT具有开关速度快、耐压高、承载电流大、驱动简单等特点。(6)采用SA4828作为IGBT的驱动芯片，不仅能产生可靠的驱动信号，而且能在被驱动的IGBT发生故障时快速有效地保护。(7) 变频器可控制电机启动、正转、反转并显示运行状态。(8)逆

58、变器具有过流保护、泵压保护、过压保护三种保护功能。本文对上述电路进行了综合设计，实现了变频器的基本功能。但是通过单一的研究是不可能实现这种设计的产品化的，所以本研究只是交流-直流-交流逆变器的基本原理，还有很多问题有待进一步研究。如：进一步完善变频器的控制功能和保护功能，提高整个系统的工作稳定性，采用IPM智能功率模块。虽然这个设计已经完成，但在此基础上会开发出更好的性能。参考1 何超.交流变频调速技术：航天，2006.1-65。2梁浩.最新逆变器标准的实施与设计：电力， 2005.125-136。3 法海，朱东奇电气工程。第三版：科学，2001.326-395.4 王晓明.电动机的单片机控制

59、。第二版：航空航天，2007.157-1825 王兆安，黄军.电力电子技术.：机械工业，2007.1-165.6 杜金成.电气变频调速设计技术：中国电力， 2001.195-205。7 景梅电力阻力控制和技术培训。第三版：中国劳动和社会保障，2001.401-428。8 易纲单片机原理与应用：高等教育，2007.10-115。9 佟世白，华承英模拟电子技术基础：高等教育，2001.171-201。10 严实数字电子技术基础：高等教育，1998 年。11赵东. HYPERLINK %20%20%20%20:/211.81.174.132/kns50/detail.aspx?dbname=CJFD

60、2002&filename=HLJF200203015&filetitle=%e6%96%b0%e5%9e%8b%e9%ab%98%e9%a2%91%e5%8f%98%e9%a2%91%e8%b0%83%e9%80%9f%e7%b3%bb%e7%bb%9f%e7%9a%84%e7%a0%94%e7%a9%b6 o 新型高频变频调速系统的研究 t _blank 一种新型高频变频调速系统的研究J. HYPERLINK %20%20%20%20:/211.81.174.132/kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=cjfd&LinkType=BaseLink&Field=Bas