交直交變頻調(diào)速電路設(shè)計

湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計說明書課程設(shè)計：交直交變頻調(diào)速設(shè)計專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2012年6月15日湖南工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：電力電子技術(shù)題目：交直交變頻調(diào)速電路設(shè)計專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：蔡斌軍審批：蔡斌軍任務(wù)書下達(dá)日期2012年6月04日設(shè)計完成日期2012年6月15日設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求一．設(shè)計內(nèi)容：1． 電路功能：1） 將恒頻恒壓的交流電經(jīng)過交直交變頻電路變成電壓和頻率可調(diào)的交流電，用于實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。2） 電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：整流電路、逆變電路?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：速度控制電路、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路。3） 功率變換電路中的高頻開關(guān)器件采用IGBT或MOSFET。4） 系統(tǒng)具有完善的保護(hù)2.系統(tǒng)總體方案確定3.主電路設(shè)計與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的選擇3）主電路保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計4.控制電路設(shè)計與分析1） 檢測電路設(shè)計2） 功能單元電路設(shè)計3） 觸發(fā)電路設(shè)計二．設(shè)計要求：1． 要求輸出交流電電壓頻率可調(diào)。2． 用芯片(MC3PHAC、SA868、SLE4520、HEEF4752)產(chǎn)生PWM脈沖。3． 設(shè)計思路清晰，給出整體設(shè)計框圖；4． 單元電路設(shè)計，給出具體設(shè)計思路和電路；5． 分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分析。6． 繪制總電路圖7．寫出設(shè)計報告；進(jìn)度安排第一周星期一：課題內(nèi)容介紹和查找資料；星期二：總體電路方案確定星期三：主電路設(shè)計星期四：控制電路設(shè)計星期五：控制電路設(shè)計；第二周星期一：控制電路設(shè)計星期二：電路原理及波形分析、實驗調(diào)試及仿真等星期四~五：寫設(shè)計報告，打印相關(guān)圖紙；星期五下午：答辯及資料整理參考文獻(xiàn)1．石玉栗書賢．電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo)．機(jī)械工業(yè)出版社，19982．王兆安黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)（第4版）．機(jī)械工業(yè)出版社，20003．浣喜明姚為正．電力電子技術(shù)．高等教育出版社，20004．莫正康．電力電子技術(shù)應(yīng)用（第3版）．機(jī)械工業(yè)出版社，20005．鄭瓊林．耿學(xué)文．電力電子電路精選．機(jī)械工業(yè)出版社，19966．劉定建朱丹霞．實用晶閘管電路大全．機(jī)械工業(yè)出版社，19967．劉祖潤胡俊達(dá)．畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)．機(jī)械工業(yè)出版社，19958．劉星平．電力電子技術(shù)及電力拖動自動控制系統(tǒng)．校內(nèi)，1999目錄TOC\o"1-4"\u概述 1第一章設(shè)計總體思路 81.1基本原理 81.1.1主電路的高頻開關(guān)器件的選擇 81.1.1.1交-直整流部分 81.1.1.2直-交逆變部分 81.1.2驅(qū)動電路類型的選擇 9保護(hù)電路類型的選擇與設(shè)計 101.1.3.1過電壓保護(hù)電路設(shè)計 101.1.3.2過流保護(hù)電路設(shè)計 111.1.4檢測電路類型的選擇與設(shè)計 121.1.4.1電流實際值檢測電路設(shè)計 121.1.4.2直流電壓Ud檢測環(huán)節(jié) 131.1.5控制電路類型的選擇與設(shè)計 131.1.5.1用單片機(jī)控制的交流調(diào)速 13第二章主電路設(shè)計與分析 162.1基本功能與原理 162.1.1交直部分的分析 172.1.2交直部分的分析 17第三章單元控制電路設(shè)計 183.1用到PWM控制技術(shù)的原理 183.2主要芯片的選擇及工作簡介 203.2.1SLE4520的引腳功能簡介 203.2.3單片機(jī)8031的引腳及功能 25第四章總結(jié)與體會 27附錄 28參考文獻(xiàn) 29評分表 30概述1.關(guān)于現(xiàn)狀交流傳動與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù)以及微型計算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。其中，各種進(jìn)口品牌居多，功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦；功能簡易或復(fù)雜；精度低或高；響應(yīng)慢或快：有PG(測速機(jī))或無PG;有噪音或無噪音等等。2.關(guān)于功率器件變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動機(jī)的傳動控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(IntelligentPowerModule)，后面二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關(guān)特性于一體是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可＜3V,頻率可達(dá)到20KHZ,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達(dá)150ns,1992年前后開始在通用變頻器中得到廣泛應(yīng)用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開關(guān)速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、1200A),目前，采用溝道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓［VCE(sat)］的第四代IGBT也已問世。第四代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱50-70%的器件發(fā)熱降低了30%。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關(guān)頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實現(xiàn)了電機(jī)運行的靜青化；其四是驅(qū)動功率減少，體積趨于更小。而IPM的投入應(yīng)用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅(qū)動和保護(hù)電路.甚至還有的把光耦也集成于一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模塊額定由流10-600A范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM的趨問，其優(yōu)點是：(l)開關(guān)速度快，驅(qū)動電流小，控制驅(qū)動更為簡單。(2)內(nèi)含電流傳感器，可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流，能對功率芯片給予足夠的保護(hù)，故障率大大降低。(3)由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動電路的配線設(shè)計上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓，門極振蕩，噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。(4)保護(hù)功能較為豐富，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)一應(yīng)俱全，隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)功能將進(jìn)一步日臻完善。(5)IPM的售價已逐漸接近IGBT.而計人采用IPM后的開關(guān)電源容量、驅(qū)動功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后在許多場合其性價比已高過IGBT，有很好的經(jīng)濟(jì)性。為此IPM除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之后，經(jīng)濟(jì)型的IPM在近年內(nèi)也開始在一些民用品如家用空調(diào)變頻器，冰箱變頻器、洗衣機(jī)變頻器中得到應(yīng)用。IPM也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機(jī)最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過內(nèi)部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術(shù)，在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進(jìn)了一步。3.關(guān)于控制方式早期通用變頻器如東芝TOSVERT-130系列、FUJIFVRG5／P5系列，SANKENSVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比(V／F=常數(shù))的控制方式.其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)這場合。具體來說，其控制曲線會隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對變頻器U／F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個階段；第一階段：1.八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量(或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國市場的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三墾)MF系列等。第二階段：矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電動機(jī)和交流電動機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機(jī)等效直流電動機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨立控制的內(nèi)在本質(zhì)。矢量控制的基本點是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足。此外.它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場合帶來不便。僅管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國西門子開發(fā)了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴(kuò)展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價格較高，在200KW以上有很高的性價比。第三階段：1985年德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DirectTorqueControl簡稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對電機(jī)參數(shù)的自動識別(Identification向你ID),通過ID運行自動確立電機(jī)實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機(jī)模型估算出電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到<2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶PG時的靜態(tài)速度精度達(dá)土O.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，向樣可以達(dá)到正負(fù)0.1%的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川VS-676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負(fù)0.2%(無PG),正負(fù)0.01%(帶PG)的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù)3%左右。其他公司如日本富士電機(jī)推出的FRN5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了類似無速度傳感器控制的設(shè)計，性能有了進(jìn)一步提高，然而變頻器的價格并不比以前的機(jī)型昂貴多少?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用于電動機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機(jī)開發(fā)用于電動機(jī)控制的M37705、M7906單片機(jī)和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產(chǎn)品。4.關(guān)于PWM技術(shù)PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<>評論上提出把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦PWM(包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類)，優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢(如ABBACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等)；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率(THD)最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHZ，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PwM方法應(yīng)運而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價值(DTC控制即為一例)；另一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機(jī)PWM技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。5.展望通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物。其發(fā)展的趨勢大致為：5.l主控一體化日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上的DIPIPM(即雙列直插式封裝)的研制已經(jīng)完成并推向市場。一種使逆變功率和控制電路達(dá)到一體化，智能化和高性能化的HVIC(高耐壓IC)SOC(SystemonChip)的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此葉以展望，隨著功率做大，此產(chǎn)品在市場上極具競爭力。5.2小型化用日本富士(FUJI)電機(jī)的三添勝先生的話說，變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。這就是說變頻器的小型化除了出自支撐部件的實裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計的大規(guī)模集成化，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要原因。ABB公司將小型變頻器定型為Comp-ACTM他向全球發(fā)布的全新概念是，小功率變頻器應(yīng)當(dāng)象接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡單，安裝方便，安全可靠。5.3低電磁噪音化今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標(biāo)準(zhǔn)，主要做法足在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正(ActivePowerFactorCorrection.APFC)電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在30-50MhZ時的噪聲可降低15-20dB。5.4專用化通用變頻器中出現(xiàn)專用型家族是近年來的事。其目的是更好發(fā)揮變頻器的獨特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重稅負(fù)載的ARBACC系列，用廣交流電梯的SiemensMICO340系列和FUJIFRN5000G11UD系列，其他還有用于恒壓供水、上作機(jī)械主軸傳動、電源再生、紡織、機(jī)車牽引等專用系列5.5作為發(fā)展趨勢，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。最近，日本安川由機(jī)提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)。因此可以預(yù)見在今后.變頻器的高速響應(yīng)件和高性能什將是基本條件。目前變頻調(diào)速系統(tǒng)已全部采用了數(shù)字化技術(shù),并且日趨小型化、高可靠性和高精度。從應(yīng)用角度看，其不僅具有顯著的節(jié)電性能，而且還具有如下的優(yōu)良性能：1）高速響應(yīng)、低噪聲、大范圍、高精度平滑無級調(diào)速；2）體積小、重量輕、可掛墻安裝，占地面積??；3）保護(hù)功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護(hù)簡便；4）操作方便、簡單；5）內(nèi)設(shè)功能多，可滿足不同工藝要求；6）具有通用的外部接口端子，可同計算機(jī)、PLC聯(lián)機(jī)，便于實現(xiàn)自動控制；7）軟起動、軟停機(jī)，具有電流限定和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制；8）電動機(jī)直接在線起動，起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，減小對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，并具有轉(zhuǎn)矩提升功能，節(jié)省軟起動裝置；9）功率因數(shù)高，節(jié)省電容補(bǔ)償裝置；10）與鼠籠式；轉(zhuǎn)子電動機(jī)結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)維護(hù)更加簡單經(jīng)濟(jì)。設(shè)計總體思路1.1基本原理電力電子交直交變頻電路系統(tǒng)主要由：控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成，其總體框架圖如下：控控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路圖1.11.1.1主電路的高頻開關(guān)器件的選擇1.1.1.1交-直整流部分考慮到電路的靠性、安全、簡單的運行。對交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路交直流部分采用恒壓恒頻電容濾波的三相不可控全式整流。所以整流采用電力二極管（VD）1.1.1.2直-交逆變部分在整流后可得到電壓基本恒定的直流電，由電路功能是將恒頻恒壓的交流電經(jīng)過交直交變頻電路變成電壓和頻率可調(diào)的交流電，用于實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。就可以考慮到全控型器件IGBT。因為與其他大功率器件相比它有如下特點：1、開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。2、相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。3、通態(tài)壓降比VDMOSFET低。4、輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。5、與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的優(yōu)點。1.1.2驅(qū)動電路類型的選擇驅(qū)動電路是主電路與控制電路之間的接口還能使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù)是：按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號。此電路對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。最重要的是驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。本次驅(qū)動電路采用光隔離而光隔離一般采用光耦合器電壓驅(qū)動型。其常有圖1.2以下三種類型：a)普通型b)高速型c)高傳輸比型?？紤]此次要求不高和經(jīng)濟(jì)性就采用普通型。圖1.2綜合上述對IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計如下圖1.3所示：圖1.3保護(hù)電路類型的選擇與設(shè)計在電力電子電路中，除了器件及其參數(shù)的合適選擇和驅(qū)動電路的良好設(shè)計外，還要采用過壓和過流保護(hù)。1.1.3.1過電壓保護(hù)電路設(shè)計

由于本系統(tǒng)的SPWM逆變器不能向電網(wǎng)回饋能量，當(dāng)電動機(jī)突然停車時，電動機(jī)的機(jī)械能將轉(zhuǎn)化為電能向直流側(cè)電容C充電，引起泵升電壓。為了限制和消除泵升電壓，保護(hù)功率器件，設(shè)置過電壓保護(hù)電路是必要的。當(dāng)電壓升高超過設(shè)定值后，穩(wěn)壓管VS擊穿，使大功率器件V導(dǎo)通，電阻R與地接通，電容C中多余的能量將在電阻R上發(fā)熱釋放掉，使直流環(huán)節(jié)的電壓保持在基準(zhǔn)值之下。如圖6所示：1.1.3.2過流保護(hù)電路設(shè)計對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快。如圖7所示，過電流保護(hù)通過檢測逆變器直流電路中的電流Id，將檢測信號回饋給控制系統(tǒng)，當(dāng)電流超過限定值時，會立即自動封鎖6路觸發(fā)信號，實現(xiàn)保護(hù)。圖1.5中的R為取樣電阻，LM319為電壓比較器，RP為電流整定電位器，VL為過電流發(fā)光二極管。當(dāng)出現(xiàn)過電流時，A點為高電平，自動封鎖SLE4520的輸出端，保護(hù)主電路。1.1.4檢測電路類型的選擇與設(shè)計1.1.4.1電流實際值檢測電路設(shè)計

電流實際值檢測電路圖如圖1.6所示。電流檢測電路采用單相電源供電，87C196MC的A/D端口高速采樣交流電流通過傅里葉分析確定電流的各次諧波分量，并通過求累計平均值的方法計算各次諧波分量的有效值。

電流實際檢測主要用于輸出電壓的修正，以及過電流、過載保護(hù)。

輸出電壓的修正分兩部分：第一部分用I·R補(bǔ)償環(huán)節(jié)來改變輸出電壓US的大??；第二部分用電流限制調(diào)節(jié)器改變輸出電壓US的大小。過電流、過載保護(hù)功能是為了保證變頻器在異常工作情況下（如短路、過載等），不損壞變頻器輸出電流。當(dāng)進(jìn)行過電流過載計算后，若判斷為過電流、過載，則立即發(fā)出封鎖觸發(fā)脈沖指令，迅速停止PWM逆變器工作。圖1.6電流實際值檢測電路1.1.4.2直流電壓Ud檢測環(huán)節(jié)當(dāng)變頻如果有輸出電壓反饋控制，為保證在電網(wǎng)電壓變化時，任然能保持U/f=C的控制方式，就應(yīng)檢測直流電壓Ud。根據(jù)Ud的變化，實時調(diào)整PWM的占空比。直流電壓檢測電路如圖1.7所示：圖1.7直流電壓檢測電路1.1.5控制電路類型的選擇與設(shè)計1.1.5.1用單片機(jī)控制的交流調(diào)速單片機(jī)與微機(jī)取配合代模擬電路作為電動機(jī)的控制器，具有如下優(yōu)點：（1）使電路更簡單模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路更復(fù)雜，采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件來實現(xiàn)。（2）可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制微處理器具有更強(qiáng)的邏輯功能，運算速度快，精度高，有大容量的存儲單元。因此，有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制。（3）靈活性和適應(yīng)性微處理器的控制方式是有軟件來實現(xiàn)的，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只須修改程序即可，在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。（4）無零點漂移，控制精度高數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇見的零點漂移問題，無論被控量是大還是小，都可以保證足夠的控制精度。用工業(yè)控制計算機(jī)可謂功能強(qiáng)大，它有極高的速度，很強(qiáng)的運算能力和接口功能，方便的軟件功能，但是由于成本高，體積過大，所以只用于大型的控制系統(tǒng)，可編程控制器則恰好相反，它只能完成邏輯判斷，定時，記數(shù)和簡單的運算，由于功能太弱，所以它只能用于簡單的電動機(jī)控制。在民用生產(chǎn)中，通常用介于工控機(jī)和可編程控制器之間的單片機(jī)作為微處理器。本次設(shè)計就是用單片機(jī)作為電動機(jī)的控制器。在設(shè)計中用單片機(jī)作為電動機(jī)的核心控制元件來取代模擬電路，就可以將傳統(tǒng)的調(diào)速方案中的一些缺點避免，達(dá)到提高控制精度的目的。在本次設(shè)計中所用到的控制方式是用恒壓頻比控制。因為為避免電動機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵磁電流增大,引起功率因數(shù)和效率的降低，需對變頻器的電壓和頻率的比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，異步電動機(jī)在不同的頻率下都能夠獲得較硬的機(jī)械特性曲線，其缺點是不能保證必要的調(diào)速精度；而且在動態(tài)過程中由于不能保持所需要的轉(zhuǎn)距，動態(tài)性能比較差，它能用于對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能要求都不高的場合?？傮w的恒壓頻比控制圖形如下：圖圖1.8轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速的頻率f指令值，同時經(jīng)過適當(dāng)分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決定了U/f比值，可以保證壓頻比為恒定。在給定信號之后設(shè)置的給定積分器，將階躍給定信號轉(zhuǎn)換為按設(shè)定斜率逐漸變化的斜坡信號Ugt，從而使電動機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速都平緩地升高或降低，避免產(chǎn)生沖擊。給定積分器輸出的極性代表電機(jī)轉(zhuǎn)向，幅值代表輸出電壓、頻率。絕對值變換器輸出Ugt的絕對值Uabs，電壓頻率控制環(huán)節(jié)根據(jù)Uabs及Ugt的極性得出電壓及頻率的指令信號，經(jīng)PWM生成環(huán)節(jié)形成控制逆變器的PWM信號，再經(jīng)驅(qū)動電路控制變頻器中IGBT的通斷，使變頻器輸出所需頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。籠型異步電動機(jī)的定子頻率控制方式還有：(1)轉(zhuǎn)差頻率控制；(2)矢量控制；(3)直接轉(zhuǎn)矩控制等。在此只對恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行介紹。主電路設(shè)計與分析2.1基本功能與原理主電路用不可控整流器整流，經(jīng)濾波后再用逆變器進(jìn)行調(diào)頻的交-直-交變壓變頻裝置。其原理款圖如圖2.1所示：圖2.1對應(yīng)上面的主電路原理款圖可以畫出主電路圖如下圖2.2所示：圖2.22.1.1交直部分的分析1、整流管VD1-VD6組成的三相橋，將恒頻恒壓的三相交流電整流成脈動的直流。2、濾波電容Cf可慮去整流后的紋波。3、限流電阻RL。如果不接RL（RL=0），裝置合上電源的瞬間，電路中將有很大的充電電流流過VD1-VD6和電容Cf。4、SL的功能是：當(dāng)Cf充電后接通，短接RL，以免損耗。5、電源指示燈HL2.1.2交直部分的分析逆變V1-V6組成逆變橋，將VD1-VD6整流得的直流經(jīng)逆變橋“逆變”成頻率可調(diào)的交流電。這是電路的核心。續(xù)流二極管VD7-VD12。在正常工作時，當(dāng)逆變管V1-V6任一管處于截止時與之相并聯(lián)的續(xù)流二極管提供電流的“通路”。緩沖電路（R01-R06、VD01-VD06、C01-C06）。其中C01-C06是減小V1-V6在每次關(guān)斷時的電壓增長率；R01-R06是限制逆變管在接通瞬間C01-C06的放電電流。V的作用是：當(dāng)電壓升高超過設(shè)定值后，穩(wěn)壓管VS擊穿，使大功率器件V導(dǎo)通，電阻R與地接通，電容C中多余的能量將在電阻R上發(fā)熱釋放掉，使直流環(huán)節(jié)的電壓保持在基準(zhǔn)值之下。單元控制電路設(shè)計3.1用到PWM控制技術(shù)的原理PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。其用到的原理就是--面積等效，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波行如下圖3.1所示：OOwtUd-Ud圖3.1規(guī)則采樣法是工程實用方法，效果接近自然采樣法，而其計算量較自然采樣法小的多。其原理是:三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc。自然采樣法中，脈沖中點不和三角波(負(fù)峰點)重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，使計算大為減化。如圖所示確定A、B點，在tA和tB時刻控制開關(guān)器件的通斷。脈沖寬度d和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。其推導(dǎo)公式正弦調(diào)制信號波，及其圖形如下圖3.2所示：uucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖3.2規(guī)則采樣法PWM控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成PWM整流電路?？煽闯赡孀冸娐分械腜WM技術(shù)向整流電路的延伸。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性。正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位。除功率很大的逆變裝置外，不用PWM控制的逆變電路已十分少見。3.2主要芯片的選擇及工作簡介根據(jù)課題要求及設(shè)計的原理與形式就選擇芯片SLE4502與單片機(jī)8031配合產(chǎn)生PWM波形。 3.2.1SLE4520的引腳功能簡介產(chǎn)生三相SPWM波形的專用集成電路已有多種，近幾年來應(yīng)用較多的是HEF4752和SLE4520集成電路芯片。本節(jié)對這兩種芯片作簡單介紹。SLE4520如上所述，HEF4752三相SPWM集成電路設(shè)置的開關(guān)頻率比較低，不適合于IGBT變頻器。因此，后來又發(fā)展了一種新的SLE4520三相PWM集成電路。它是一種應(yīng)用ACMOS技術(shù)制作的低功耗高頻大規(guī)模集成電路，是一種可編程器件。它能把三個8位數(shù)字量同時轉(zhuǎn)換成三路相應(yīng)脈寬的矩形波信號，與8位或16位微機(jī)聯(lián)合使用，可產(chǎn)生三相變頻器所需的六路控制信號，輸出的SPWM波的開關(guān)頻率可達(dá)20kHz，基波頻率可達(dá)2600Hz。因此，適用于IGBT變頻器或其他中頻電源變頻器。

SLE4520為雙列直插式28腳芯片，如圖3.3所示。圖3.3它有13個輸入端、5個控制端、8個輸出端、2個電源端。分別說明如下：(1)13個輸入端

①XTALl(2腳)、XTAL2（3腳），為外晶振輸入端，可外接12MHz晶振，為SLE4520內(nèi)部各單元電路提供一個外接參考時鐘。

②P7～PO（4腳～11腳）為8位數(shù)據(jù)輸入端，與8位CPU的數(shù)據(jù)總線相接。其功能是將微機(jī)輸出的命令或數(shù)據(jù)送入SLE4520。

③WR(24腳)，為來自微機(jī)的脈沖信號輸入端，與微機(jī)的WR相連。當(dāng)該端為低電平(0)時，將來自微機(jī)的地址數(shù)據(jù)寫到SLE4520中的地址鎖存器內(nèi)。

④ALE（25腳），為來自微機(jī)的地址鎖存允許脈沖信號輸入端，與微機(jī)的ALE相連。它與來自微機(jī)的WR信號一起根據(jù)程序中設(shè)定的地址信號對SLE4520內(nèi)部的3個8位數(shù)據(jù)寄存器，2個4位控制寄存器進(jìn)行選擇。

⑤SYNC（27腳），為來自微機(jī)的觸發(fā)脈沖信號輸入端，與微機(jī)的輸出端相連。該端輸入信號控制3個可預(yù)置8位減法計數(shù)器是否開始進(jìn)行遞減運算。(2)5個控制端

①CLEARSTATUS(21腳)及SETSTATUS(22腳)，為通斷狀態(tài)觸發(fā)器的兩個輸入端，即清零端與置位端，可接保護(hù)電路的輸出或接微機(jī)的輸出。清零端有效則開通SLE4520的SPWM信號輸出端；置位端有效則關(guān)斷SPWM信號輸出端。

②RES(23腳)，為SLE4520的復(fù)位端，可與微機(jī)復(fù)位電路的輸出相連。該端為高電平時，使SLE4520內(nèi)部各狀態(tài)鎖存器、計數(shù)器等復(fù)位，保證開機(jī)時從相同的狀態(tài)開始工作。

③CS（26腳），為SLE4520的片選信號輸入端，可與微機(jī)系統(tǒng)的譯碼電路輸出端相連。該端為高電平時，SLE4520芯片被選通工作；為低電平時，該芯片不工作。

④INHIBIT（19腳），為脈沖封鎖端，接保護(hù)電路的輸出。該端為高電平時SLE4520的輸出全被封鎖，可用作變頻器各種故障保護(hù)的封鎖脈沖端。

(3)8個輸出端

①PHl/1(18腳)、PHl/2（17腳）、PH2/1（16腳）、PH2/2（14腳）、PH3/1（13腳）、PH3/2（12腳），分別為變頻器U、y、Ⅳ三相上、下橋臂開關(guān)器件的控制信號輸入端，接三相變頻器驅(qū)動電路的輸入端，提供驅(qū)動三相變頻器的SPWM信號。

②STATUS（20腳），為通斷狀態(tài)觸發(fā)器的輸出端，可接一個指示器，以指示SLE4520的狀態(tài)是在輸出驅(qū)動變頻器狀態(tài)還是在封鎖輸出狀態(tài)。

③CLKOUT(28腳)，為晶振頻率輸出端，接微機(jī)的時鐘信號輸入端，使微機(jī)系統(tǒng)的時鐘與SLE4520的時鐘保持同步。

(4)2個電源端

①UDD（1腳），為電源正端，接+5V電源。

②Uss（15腳），為電源負(fù)端，接地。3.2.2SLE4520工作原理(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SLE4520內(nèi)部結(jié)構(gòu)共包括17個單元電路：三個（對應(yīng)于U、V、N三相的）8位數(shù)據(jù)鎖存器，三個可預(yù)置數(shù)的8位計數(shù)器，三個過零檢測器，一個4分頻鎖存器，一個可編程l:n預(yù)置分頻器，一個4位死區(qū)時間寄存器，一個1:4地址譯碼鎖存器，一個通斷控制觸發(fā)器，一個振蕩器，以及一個脈沖放大器。這些單元電路分別與SLE4520內(nèi)部數(shù)據(jù)總線或控制總線相連。(2)數(shù)字量如何轉(zhuǎn)換為脈寬

在片選信號CS有效、SETSTATUS及INHIBIT端信號無效的情況下，當(dāng)ALE、WR信號有效時，由微機(jī)輸出的地址數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)總線PO～P7寫入地址譯碼鎖存器。然后，根據(jù)地址譯碼，由微機(jī)輸出的SPWM脈寬數(shù)據(jù)分別寫入3個8位數(shù)據(jù)鎖存器。在SYNC端輸入觸發(fā)脈沖信號后，三相的脈寬數(shù)據(jù)同步地裝入減法寄存器，并開始進(jìn)行減1計算。一旦哪一相減1計數(shù)器減到零，則該相過零檢測器就發(fā)出信號，使該相輸出由高電平（無效）變?yōu)榈碗娖剑ㄓ行В?，形成一個脈沖。計數(shù)器減到零后即停止工作，直到下一個SYNC端的同步觸發(fā)脈沖到來，再使該相輸出為高電平。

(3)開關(guān)頻率的選擇

減1計數(shù)器的減法速度由4位預(yù)分頻器及可編程分頻器控制。這樣，可以通過編程方便地改變開關(guān)頻率，實現(xiàn)輸出頻率的微調(diào)。

(4)死區(qū)位移寄存器和死區(qū)時間設(shè)定

死區(qū)時間是把脈寬調(diào)制信號與一個延遲信號相結(jié)合而獲得的。具體地講，由于SLE4520每一路輸出都是低電平有效，所以死區(qū)時間的形成是通過延遲脈沖負(fù)沿到來的時刻獲得的，而這個“延遲”又是通過一個15位位移寄存器來設(shè)定的。位移寄存器的時鐘，即延遲時鐘的頻率是由在可編程分頻器的分頻控制寄存器中設(shè)置的數(shù)值來決定的。延遲時鐘分頻比率只有兩種，或者是1:4，或者是1:6?？梢娝绤^(qū)時間決定于三個因素，即晶振頻率、可編程控制器的設(shè)置數(shù)值以及位移寄存器的設(shè)置數(shù)值。

(5)輸出級

在沒有死區(qū)時間的情況下，PHl/2的輸出信號與PHl/1的輸出信號是相反的；PH2/2的輸出信號與PH2/1的輸出信號是相反的；PH3/2的輸出信號與PH3/1的輸出信號也是相反的，均為低電平有效。輸出信號的負(fù)沿都向右延遲一個由程序設(shè)置的死區(qū)時間。輸出級電流可達(dá)20mA，可直接驅(qū)動TTL電路或者隔離用的光耦。

輸出級可以動態(tài)或靜態(tài)封鎖。在INHIBIT(19腳)信號有效期間，SLE4520的6個輸出端均被置為高電平。這時，若輸出是連接到光耦中發(fā)光二極管的陰極，則發(fā)光二極管無電流，變頻器的6個開關(guān)器件全部被封鎖。在開始工作時，封鎖輸出是很重要的。這是因為只有晶振輸出已建立，并且在初始化程序執(zhí)行后，才能有正確的脈寬調(diào)制脈沖輸出。因此，微機(jī)必須有一個輸出口與INHIBIT端相連，在接通電源后，微機(jī)將此輸出口置為高電平，封鎖輸出。而在初始化程序結(jié)束后，再將此端口置為低電平，允許SLE4520輸出。

封鎖輸出的另一方法是將狀態(tài)觸發(fā)器的置位端SETSTATUS（22腳）加一高電平。這種方法可用于各種故障保護(hù)。故障狀態(tài)可由狀態(tài)觸發(fā)器的輸出端STATUS（20腳）接指示器來指示，并可用此信號將故障狀態(tài)通知微機(jī)。故障排除后，給狀態(tài)觸發(fā)器的清零端CLEARSTATUS（21腳）輸入一個高電平脈沖，即可解除封鎖，開通SLE4520的SPWM信號輸出。3.2.3單片機(jī)8031的引腳及功能電片機(jī)8031的引腳如下圖3.4所示：圖3.48031引腳功能（1）主電源引腳Vss和Vcc①Vss接地②Vcc正常操作時為+5伏電源（2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2①XTAL1內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳。