SPWM变频调速系统设计

课程设计任务书一、设计题目SPWM变频调速系统设计二、设计任务SPWM控制方式，整个系统要求采用双闭环系统。设计思路清晰，给出整体设计框图；单元电路设计，给出具体设计思路和电路；分析各部分电路的工作原理，给出必要的波形分析。绘制总电路图,写出设计报告；三、设计计划主电路只有一个可控的功率环节，简化结构。1。快了系统的动态响应。使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小。SPWM型变频调速系统设计过程。四、设计要求1.根据题目要求，分析谁并确定主电路的结构形式和调整系统的组成；摘 要变频调速是交流调速中的发展方向，有多种方法可以实现变频调速，变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。本设计首先对变频调速的对象——交流电动机的变频调速原理进行了介绍，并展开介绍SPWM本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制。在硬件电路设计中，本文采用了SA868SPWMSPWM关键词：变频调速 SPWM SA868调制芯片目 录绪论 1变频调速的发展 1变频调速的优点 1SPWM变频调速的优点 1交流电动机变频调速原理 2SPWM变频调速的理论基础 2SPWM的概念 2SPWM调制原理 2重要理论基础——面积等效原理 2SPWM调制信号的产生 错误未定义书签。调速系统的设计 10调速系统的整体设计思想 10主电路设计 10主电路设计 10SA868电路设计 10SA868芯片简介 10外部引脚及内部原理框图 11工作原理及控制 12SA868的保护电路 14SA868基本外围电路设计 15驱动和隔离电路设计 错误未定义书签。6.结论 207.参考文献 211绪论变频调速的发展二十世纪末以来,电力电子技术及大规模集成电路有了飞速的发展，在此技术背景下SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。众所周之早期的交-直-交变压变频器说输出的交流波形都是矩形波或六拍使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能。为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发应用PWMPWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DC－DC变换，后者主要应用于逆变（DC－AC变换。PWM它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM、磁链跟踪PWM法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。本课题设计主要介绍正弦波SPWM的变频调速控制系统。SPWM(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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.,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。变频调速的优点系统稳定且平滑性好，调速范围广；变频器容量不断扩大，结构小型化，逐渐多功能化和高效性化；的优势；上下的程度。SPWM变频调速的优点基于集成SPWM电路构成的变频调速系统具有以下优点：结构简单。运行可靠。节能效果显著。性价比高。2变频调速原理交流电动机变频调速原理对于笼型异步电动机来说，要调节转速，可以通过改变同步转速来实现。而同步速与频率有如下关系：n 60f/p其中：p-极对数f-供电频率n-同步速fn因为异步电动机的转子转速n总是比同步转速nn连续可调1时，n也连续可调。可见，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。12SPWM变频调速的理论基础SPWM的概念采样定理的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节时，其效果基本相同，冲量即是脉冲的面积。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制(SPWM).SPWM调制原理3.2.1重要理论基础——面积等效原理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。冲量冲量窄脉冲的面积3效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，如图所示：u>O 对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：dOdOtUd-根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。UdO tUd4SPWM变频调速控制方式分析E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻U=为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗)在电压较高时可以1 1 1U1E1，因此作为一种可行的方案U1E1和E1都变小，定子2-1.在基频以上调速时由于电压U2-1.但是用恒压频比代替恒2-2a,b可以看出abbE1/f1U1/f1恒转矩调速恒功率调速恒转矩调速恒功率调速nuntu2m0f1n n0图2-1异步电机变频调速的控制特5SPWMSPWM间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。其系统原理框图如图2-3SPWM变频器调压调频一次完成，SPWMSPWMSPWMPWMn个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半2-4USPWM脉冲序列波的幅值为U/2。令第i个矩形脉冲的宽度为，其中心点相位角为，则根s i i据面积相等的等效原则，可写成：U

s =

12nsintdt

)cosk ) =i 2

1

m i 2n

i 2nsinm 2n

sini

12n

（2-3）当n的数值较大时，近似的认为sin/(2n)=/(2n)，于是i（2-4）相比于其它各种变频

2UmsinnU is可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。由于电网的功率因数接近于1，分单极性和双极性两种调制方式。6UsinUsinwtm2wt1T0SPWM

图2-2SPWM的输出波形SPWM2-5a1kf2变，等于ku1时正弦调制波的振幅值.每半周期内所有三角波的极性均相同，都是单极性。调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，所得的脉冲系列如图2-5a)中的uc所示.由图知，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。的工况正好相反。流经负载的便是正、负交替的交变电流（2—5b)所示。u12120uGwt70 wt图2-3a单极性SPWM调制图 图2-3b单极性调制的工作特点图SPWM上述的单极性SPWM逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。双极性SPWM法的调制波u-12载波uck=1时正弦调制波振幅值。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列如图2-4b如图2-4c)2-4d)所示。A)uA)uc1u2uA BB)uuAwt8C)C)wtuABD)D)wtVV1ZLZLV2图2—4 双极SPWM调制图SPWMSPWM的模拟控制原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图2-7是SPWM模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号uuu由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。ra rb rc三角载波信号u由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号在比较器上进行t比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波uuu，作为变压变频器功da db dc发生器三角波发生器驱动发生器三角波发生器驱动V1-V6SPWM波形图2-7SPWM波模拟控制电路SPWM的数字控制数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM8031,8098等。由于这些芯片并非为电动机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。10调速系统的设计调速系统的整体设计思想本系统主要由主电路、SPWM信号产生芯片外围电路、隔离电路组成。其结构框图如图：整流负载与滤 功率变换交流 系统波电 器电源路电 电 隔离电压 流检 检测 测

隔离电路SA868调制芯速度大小输入控制其中，主电路由整流滤波电路和功率变换器组成，系统通过调制芯片SPWM主电路设计主电路设计SA868电路设计SA868芯片简介SA868MitelSPWM24kHz，110~4kHz，CPUSA868SA868PWMSA868SA868图中主要引线端介绍如下：RESET：a.PWMb.所有内部计数器置零；c.瞬时频率置零，方向选择位置1该位输入为低时，反方向旋转.SET1—SET4：速度设置端，通过改变这四位数值可设置新的目标频率.Vmonitor、Imonitor：逆变器输入电压、电流监控端.Raccel、Rdecel：加速、减速速率设置端，外接电阻、电容.XTAL1、XTAL2：时钟输入、输出端.RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB：逆变桥臂控制输出.SETTRIR：输出关闭设置端，当其输入为高时，经过3—4个主时钟RESETPWMLED.SA868的内部原理框图如下：12工作原理及控制速度控制原理由图可知，用户需要的转速值，通过速度设置端SET1—SET4值经地址译码器译码，就可得出速度查寻表上相应转速的地址，从而将该16*18ROM181616181618DIR译码输出一个需要的方向，如表所列。加速/减速控制原理加速/减速控制主要通过16位幅值比较器和17位加/减计数器组成.加/减计数器的时钟由加速振荡器和减速振荡器提供.加速速率设置端的外接电阻、电容确定加速振荡器频率；减速速率设置端的外接电阻、电容确13定减速振荡器频率，加速/减速时间可由下式给出：tac/dc

131072 RC2其中，5kR100k;1nFC25nF通过确定合适的R和C就可设置所需加速/减速速率。16位幅值比较器将查寻表给出的16位目标频率和加/减计数器输出的实际瞬时频率相比较，结果由UP和DOWN两位输出，如表所列.表的两位输出由电压监控VMONITOR、电流监控IMONITOR、需要的旋转方向，17位加/减计数器最高位输出共同确定，是需要加速还是需要减速，必须遵循下述原则：1)假如UMONITOR>UDDA/2(UDDA:速和减速，其目的主要防止超过减速速率，产生太大的再生功率，反馈给功率电路，从而引起过压.IMONITOR>UDDAUPDOWNUDDA/2PWMUMONITOR,IMONITOR定：幅值控制原理14压，如图所示.由图可知，当频率为零时，提供一个可变的基础电压UB.用以克服电阻压降，在此之后，电压随频率成比例线性增加直至选择的基本频率50HzSA868的保护电路因没有微处理器用于完成管理和保护功能，这些功能被移植到 芯片上，提供以下三种保护：必须被减小，直到电流被降到安全水平，这通常是过高的加速率或过载引起的.通过在线串联电流检测电阻（0.1Ω左右）来监测，通过滤波后输入SA868IMONITOR，（过流以致于其输出使SA868内的比较器输出状态改变，则该控制片使电机减速，直至过流消除后，再按照要求加速.过大，减速必须暂停，否则整流桥和滤波电容器会损坏，这通过检测整流SA868UMONITORSA868TRIP体功率器件，这个输入被传输到功率半导体隔离驱动器上，以便在发生灾难性故障时迅速动作，其动作时间大约100ns.SETTRIPRESET15SA868基本外围电路设计根据以上讨论，结合实际应用，可以组成如下用于控制三相电机的变频调速应用电路，如图所示，使用该芯片构成的变频器，需要外围扩展元件很少，因而具有结构简单、可靠性高及低成本等优点。其中，KA—SB4其中，SA86816其它模块电路设计电压电流检测电路检测主回路的电压和电流等信号输入运算回路进行比较，进而决定逆变器的输出电压、频率。电压电流的检测回路的设计应注意与主回路的电气隔离保护，电路图如图4.5所示。4.5检测电路隔离环节调节器设计本系统采用电流转速双闭环控制系统，电路中的ACR(电流调节器)和ASR（转速调节器）PI(比例积分)PI4.6所示。174.6速度调节器速度检测电路速度回馈是双闭环控制系统的重要环节，速度检测电路是以装在异步电动TG4.7所示。4.7速度检测电路保护电路设计过电流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的倍）护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环IGBT脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μsIGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，18造成承受短路的时间迅速减小。通常采取的保护措施有软关断和降栅压2同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。过电流保护的电路图如图9所示。图9过流保护电路图IGBTIGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况s极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。19启动限流保护启动电机时，产生的大电流会对