论文骨灰版2.docx
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论文骨灰版2
本科毕业论文（设计）
（题目：
交流异步电动机的变频调速设计）
姓名：
学号：
0942057132
专业：
电子信息科学与技术
院系：
电子通信工程学院
指导老师：
职称学历：
助教／硕士
完成时间：
2013年5月
教务处制
安徽新华学院本科毕业论文（设计）独创承诺书
本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。
毕业论文（设计）作者签名：
日期：
交流异步电动机变频调速系统设计
摘要
近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。
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。
另外，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
AcInductionMotorSpeed-adjustedSystemDesign
Abstract
Recently,theresearchofvariablefrequencyspeedvariationofACmotorandrelevanttechnologyhasbecomeanimportantissueinelectricaldrivefield,withtheappearanceofnewpowerelectronapparatusandmicroprocessorandthedevelopmentofthecontroltheory,thetechnologyofvariablefrequencyspeedvariationwillimprovemorerapidly.Thisthesishasaresearchonthesetechnologies:
VariableVoltageVariableFrequencymotordrive,inverter,andthecreationprincipleofSPWM,Basedontheresultsofthestudy,IdesignedasystemofanewdigitalthreephasesVVVFmotordrivesystem.ItusesASIC-SA4828controlledby8051asmaincontrollingcore,itusesIGBTaspowerdevice,andusesEXB840asdrive.Itusesdiodesasconvertingcircuitunit,whichmakespowerfactorcloseto1.BecauseIonlyneedtocontrolinverter,thewholecircuitisverysimple.
Iadoptthemeansoflinear
operation.Atthesametime,itisveryconvenienttoinputparametersorchangethedrive’soperatingmodeduetothesoftwareprocedure.Moreover,owingtotheadvantagesofthenewintegratedparts,itcostslesstimetodevelopthismotordrive.
ThisthesishasalsodetailintroducedthemethodoftheusageandtheprogramsofthethreephasesSPWMwavegeneratorSA4828.Thesoftwareandthehardwareofthecontrolpartinsystemhavebeencompleted.
Keywords:
variablefrequencyspeedcontrol，SinePulseWidthModulation（SPWM），
operation;SA4828WaveGenerator
目录
1绪论1
1.1系统总设计方案思路1
1.1.1变频器的选定1
1.1.2系统原理框图及各部分简介2
2主电路的设计与分析4
2.1主电路工作原理4
2.2整流电路4
2.3逆变电路5
2.4IGBT简介及驱动要求6
2.5保护电路9
3控制电路的设计与分析12
3.1驱动电路设计12
3.1.1SPWM调制技术简介12
3.1.2SPWM波生成芯片特点和引脚功能13
3.1.3SA868芯片内部结构及工作原理15
3.2控制电路设计17
4总结18
致谢19
参考文献20
1绪论
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）。
变频调速技术是一种以改变交流电动机的电源工作频率来达到交流电动机调速目的的技术。
目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。
从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。
由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。
但是优点之下肯定有缺点：
由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，所以使它费时费工，高成本，给人们带来的麻烦太大。
因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样实现调速。
这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。
当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。
随着微电子技术、信息技术和电力电子技术的发展，变频调速技术伴随而生，它刚刚出现时就以优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，从而成为电气传动的中枢。
所说的变频就是利用电力电子器件（如绝缘栅双极型晶体管IGBT、功率晶体管GTR）将50Hz的市电转变为用户所需求的交流电或其他电源。
它分为直接变频（又称交-交变频），即把市电直接转换成比它频率低的交流电，大量应用在功率大的交流调速中；间接变频（又称交-直-交变频），即先将市电整流成为直流电，再转换为所要求的各种频率交流电。
本设计所设计的题目归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。
1.1系统总设计方案思路
1.1.1变频器的选定
变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，提供交流电动机。
交-直-交变频器是先用整流器把工频交流变成直流，然后再将直流电逆变成频率电压可调的交流电，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前应用广泛的通用变频器。
它根据直流部分电压、电流的不同形式，又可分为电流型和电压型两种
（1）电流型变频器
电流型变频器的特点是储能环节来缓冲无功功率是采用大电感器作为中间直流环节，即减小电流变化程度，使电压波形接近正弦波，因为该直流环节内部电阻较大，所以称其为电流源型变频器。
（2）电压型变频器
电压型变频器的特点是储能环节来缓冲无功功率是采用大电容器作为中间直流环节，直流环节电压比较稳定，直流环节内阻比较小，相当于电压源，故称电压型变频器。
因为电压型变频器是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时受到负载的功率因数或换流的影响几乎为零，它主要面向中、小容量的交流传动系统。
与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量风机、大容量的电机传动系统以及泵类节能调速中。
本次设计中选用交-直-交变频器，采用电压型变频器。
1.1.2系统原理框图及各部分简介
本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示：
图1.1系统原理框图
供电电源：
变频器输出功率的大小使电源部分不同，单相220V多用于小功率，三相380V电源多用于中大功率。
整流电路：
交流电变为脉动的直流电是整流部分功能，必须加以滤波[1]。
滤波电路：
由于本设计中采用电压型变频器，故采用电容滤波，中间的电容不仅起滤波作用，而且还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰[1]。
逆变电路：
我们需要的交流电通过逆变部分将直流电逆变成。
在设计中取用三相桥逆变，全控型开关管用作IGBT开关器件[1]。
电流电压检测：
一般在中间直流端采集信号，作为欠压，过流保护，过压信号。
控制电路：
采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA868，控制电路的主要功能是接受各种指令和设定信息，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主电路的设计与分析
2.1主电路工作原理
变频调速实际上是频率可控的电源提供给交流异步电动机。
变频器就是为了实现这个功能的装置。
主电路和控制电路两部分组成变频器，其中主电路先将交流电转变为直流电（整流，滤波），再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）称其为交-直-交方式[2]。
在本设计中采用图2.1的主电路，这也是变频器常用的格式。
图2.1电压型交直交变频调速主电路
2.2整流电路
把交流电变换为直流电是整流电路。
目前在各种整流电路中，三相桥式全控整流是应用最广泛的电路，三相桥式全控整流电路时时刻刻均有2个晶闸管导通，而且这两个晶闸管极性总是相反的：
一个是共阴极组，一个是共阳极组。
负载测直流导电回路由这样形成。
其原理如图2.2所示[5]。
图2.2三相桥式全控整流电路
2.3逆变电路
逆变是将直流电转换为交流电的过程。
逆变器是完成逆变功能的装置，变频器的主要组成部分是逆变器。
三相逆变电路的原理图见图2.4所示。
图2.4中，S1～S6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S1、S4闭合时，
为正；S3、S2闭合时，
为负。
用同样的方法得：
当S3、S6同时闭合和S5、S4同时闭合，得到
S5,S2同时闭合和S1、S6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2.4b中已标明。
根据该规律可得
、
、
，波形如图2.4c所示[4]。
a）结构图b）开关的通断规律c）波形图
图2.4三相逆变器原理图
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，交流电频率由调节开关的通断速度控制，UD的大小来调节交流电的幅值。
2.4IGBT简介及驱动要求
IGBT是压控器件，栅极驱动较为容易，因为其输入阻抗高，所需要驱动功率小。
但必须注意，IGBT随驱动条件的变化而变化，所以其特性与栅极驱动条件密切相关[3]。
（1）通态压降、开通损耗随着栅极正向电压UGE的增加而减小.若+UGE固定不变时，集电极电流增大使通态压降增大，结温升高使开通损耗随增大。
（2）随着栅极反向电压－UGE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RG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RG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运行的安全性和可靠性。
通过以上分析可以看出，一个理想的IGBT驱动电路应具有以下基本性能:
（1）通常IGBT的栅极电压最大额定值为
20V，若超过此值，器件将损坏由于栅极被击穿。
可采用稳压管保护栅极防止过压。
（2）IGBT的栅极开启电压为2.5～6V（T=25
C），驱动信号必须保证使器件工作于饱和状态才能使器件不导通，驱动信号低于此开启电压。
驱动信号必须大于其开启电压器件是导通的必要条件，当要求IGBT工作于开关状态时，否则也会造成器件损坏。
器件在额定运行条件下和一定过载情况下不退出饱和的前提下选取正向栅极驱动电压幅值，正向栅极电压越高，则通态压降越小，通态损耗也就越小。
驱动电压高对无短路保护的驱动电路而言的一些有好处是使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。
通常情况下，正向栅极电压选取15V。
在有短路保护的场合，为对短路保护有好处不希望器件工作于过饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流。
此时，栅极电压可取为13V[6]。
另外，要求栅极驱动信号的前沿要陡为了减小开通损耗。
驱动信号源的内阻要小由于IGBT的栅极等效为一电容负载。
（3）IGBT关断当栅极信号低于其开启电压时。
关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷为了缩短器件的关断时间。
驱动电路应提供低阻抗的放电通路当器件关断时。
一般取-（5～0）V为栅极反向电压。
在栅极加上一定幅值的反向电压可提高抗干扰能力在IGBT关断后。
（4）IGBT短路,并使用绞线,使栅极电路的闭合电路面积小避免感应噪声的影响。
使用光耦合器的隔离,应选择高的共模噪声抑制装置,它能够承受高电压变化率。
（5）传输的输入和输出信号尽量无延时。
一方面,该系统可以减少响应滞后,另一方面,可以提高保护的速度。
（6）电路简单,成本比较低。
（7）当IGBT在负载短路或过流状态,在IGBT允许时间通过减少栅极电压自动抑制故障电流,实现IGBT软关断。
其目的是避免快速关断故障电流造成过离的di/dt。
在杂散电感的作用下，IGBT因承受不住过高的di/dt产生过高的电压尖峰而损害。
同样,软开关驱动电路不应随输入信号消失而影响,应具有定时逻辑栅压控制的功能。
当出现过流时,无论此时有无输入信号,应无条件地实现软开关。
在各种设备,二极管反向恢复、分布电容和关断吸收电路将IGBT开通时产生峰值电流时，驱动电路应具备抑制瞬变过流的能力,在峰值电流后,应该能够恢复正常栅压,以确保电路的正常运行[11]。
（8）在短路、过电流条件下,可以快速发布过电流保护信号,来控制电路处理。
IGBT栅极与发射极之间不需要稳态输入电流因为它们之间是绝缘的，但由于存在栅极输入电容，所以驱动电路需要提供动态驱动电流。
器件的电压、电流额定值越大，其输入电容就越大。
当IGBT高频运行时，驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率因为栅极驱动电流和驱动功率也是不小的。
（9）IGBT是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间过短会产生过高的集电极尖峰电压，所以此时关断不宜过短。
栅极电阻RG对IGBT的开关时间有直接的影响。
栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制由于栅极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，会对器件造成损坏。
栅极电阻的上限受到开关损耗的限制因为栅极电阻过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大，也会降低其工作效率和对其安全运行造成危险。
对600VIGBT器件，栅极电阻可据下式确定：
=（I～10）×625/
（2-1）
式中
为IGBT的额定电流值.栅极电阻的下限取系数为1，限取系数为10。
对于1200V的IGBT器件，栅极的电阻值可取相同电流额定值的600V器件阻值的一半[9]。
（10）驱动电路和控制电路之间应该是孤立的。
在许多设备中,IGBT和电网有直接联系,而控制电路通常不希望如此。
驱动电路因为电隔离能力可以保证设备的正常运行,也有利于修复调试人员安全。
驱动电路和门之间的引线必须尽可能地短,并使用绞线,使栅极电路的闭合电路面积小避免感应噪声的影响。
使用光耦合器的隔离,应选择高的共模噪声抑制装置,它能够承受高电压变化率。
（11）传输的输入和输出信号尽量无延时。
一方面,该系统可以减少响应滞后,另一方面,可以提高保护的速度。
（12）电路简单,成本比较低。
（13）当IGBT在负载短路或过流状态,在IGBT允许时间通过减少栅极电压自动抑制故障电流,实现IGBT软关断。
其目的是避免快速关断故障电流造成过离的di/dt。
在杂散电感的作用下，IGBT因承受不住过高的di/dt产生过高的电压尖峰而损害。
同样,软开关驱动电路不应随输入信号消失而影响,应具有定时逻辑栅压控制的功能。
当出现过流时,无论此时有无输入信号,应无条件地实现软开关。
在各种设备,二极管反向恢复、分布电容和关断吸收电路将IGBT开通时产生峰值电流时，驱动电路应具备抑制瞬变过流的能力,在峰值电流后,应该能够恢复正常栅压,以确保电路的正常运行。
（14）在短路、过电流条件下,可以快速发布过电流保护信号,来控制电路处理。
2.5保护电路
保护电路的主要功能是处理各种信号来自于检测电路,变频器本身或系统是否异常以此来判断。
如果其中有一个异常被检测到时,进行所有需要处理的可能。
过压、欠压保护正在考虑供电不正常,主电路电压高于或低于一定数值。
通用输入变频器电压允许波动范围一般是额定输入电压的10%。
在正常情况下,维持主电路直流环节电压和输入电压的固定关系。
当输入电源电压过高,将使直流侧电压过高。
过高的直流电压对IGBT安全造成威胁,IGBT最大耐压值可能被超过而将其击穿,造成永久性伤害。
当输入电压过低,虽然不会对电路回路构成直接威胁,但输入电压过低有可能使控制电路不正常工作,使系统紊乱,导致SA868输出脉冲触发错误引起IGBT烧坏。
并且低输入电压也使得系统抗干扰能力下降。
所以有必要对系统电压进行保护。
图2.5本文介绍的变频器过压保护电路[10]。
图2.5过电压保护电路
它直接检测直流侧电压。
采样电压信号是通过电阻R1和R2得到，电容C1起滤波作用,防止电路故障。
过压设定值从电位器W1上取出。
运放U1:
A接成比较器的形式。
当取样电压高于设定值时（异常情况下），比较器输出高电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。
其中电阻R5是正反馈电阻，它的接入使正反馈有一定回差，防止取样信号在给定点附近波动时比较器抖动，这里将过压保护的动作值整定为额定输入电压的110%。
欠压保护电路的原理和过压保护电路有比较相同的部分。
其中过电压取样和欠压取样相同，欠压设定值由W2上取出。
运放U1:
B接成比较器的形式。
当取样电压超过设定值时（正常情况下），输出的高电平通过比较器输出，光耦器件是不导通的输出高电平。
当取样电压低于设定值时（欠压情况下），低电平通过比较器输出，光耦器件导通时保护信号以低电平形式输出。
其电路下图所示。
动作值整定为输入电压的85%[11]。
图2.6欠压保护电路
本系统的故障自诊断是指在系统运行前，对过载、过压、欠压保护电路进行诊断和对保护电路是否正常通过变频器本身可以检测。
因此故障自诊断功能是检测对应的保护电路是否动作由单片机控制发出各种等效故障信号，如果不动作则说明保护电路本身有故障，应停机对保护电路进行检查，直到显示器显示正常为止，反之说明保护电路正常。
以下是故障自诊断电路工作过程：
高电平通过单片机控制HSO.2口发出，低电平由非门整形后输出，在光耦器件导通时，三极管的基极有电流流过，低电平被三极管导通输出，过压、欠压保护电路接收到输出的低电平自诊断信号。
高电平是SA868的SETTRIP端有效的必要条件,一个反相器由此应被加上,高电平由其反相后输出。
以下的过流信号也是如此.故障自诊断电路如图2.7所示[11]：
图2.7故障自诊断电路
3控制电路的设计与分析
3.1驱动电路设计
驱动电路的作用是提供驱动信号给逆变器中的逆变电路换流器件。
电力电子器件IGBT被主电路逆变电路设计中所采用，故将其称为门极驱动电路。
SPWM技术工作原理和设计中所选用能产生SPWM波芯片SA868的基本结构和工作原理有下面内容介绍。
3.1.1SPWM调制技术简介
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被称为脉宽调制（PWM）技术。
根据电机学原理，当交流异步电动机变频调速时，假如进行控制的方式为按照频率与定子端电压之比为定值，机械特性的硬度变化就会较小，因此在变频的同时，也要相应改变定子的端电压。
假如实现变频与变压是采用等脉宽PWM调制技术，会危害电动机的正常运行，由于输出矩形波中含有较严重的高次谐波。
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调制波是一种有效的途径减小输出信号中的谐波分量[11]。
脉宽调制指等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）是通过对一系列脉冲的宽度进行调制的。
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，脉冲的宽度也最大，但脉冲间的间隔最小；当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，然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，逆变开关管的开通与关断时间为两波形的交点。
开关器件导通时，在调制波的幅值大于载波的幅值时候，开关器件关断时，在调制波的幅值小于载波的幅值时候。
脉宽PWM信号相比，虽然正弦脉宽调制波与等谐波成份大大减小，但它毕竟不是正弦波。
减小SPWM调制波中谐波分量的有效方法是提高载波（三角波）的频率。
逆变开关管最高工作频率限制载波频率的提高。
为使正弦脉宽调制波更近正弦波可使用IGBT作为逆变开关管，因为第三代绝缘栅双极型晶体管IGBT的工作频率可达30KHz，载波频率可以大幅度提高。
SPWM调制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，输出得到[9]。
图3.1SPWM波生成方法
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，几乎瞬间完成是采用模拟电路的优点。
所用硬件较多，改变参数和调试比较困难是电路的缺点。
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采用单片机直接产生SPWM信号的缺点。
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适合调速精度、调速方式要求较高的交流异步电动机；直接采用三相SPWM调制信号专用芯片构成调速系统适合一般交流电动机的变频调速。
在本设计中选用SA868。
3.1.2SPWM波产生的芯片特点和引脚功能
1.SA868的特点
无需微处理器：
通过10位ADC模拟输入：
外接EEPROM
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