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目录绪论...................................................2第1章系统总方案确定..................................31.1变频器的选定....................................31.2系统原理框图及各部分简介........................4第2章主电路的设计与分析..............................52.1主电路工作原理..................................52.2整流电路........................................62.3逆变电路........................................62.4IGBT简介及驱动要求.............................82.5保护电路.......................................11第3章控制电路的设计与分析...........................153�1驱动电路设计.................................153.1.1SPWM调制技术简介........................153.1.2SPWM波生成芯片特点和引脚功能............173.1.3SA868芯片内部结构及工作原理.............203.2控制电路设计..................................21第4章实验与仿真.....................................22总结与体会............................................24附录..................................................25参考文献...........................................26应用技术学院课程设计评分表............................272绪论变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家都知道�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。但直流机固有的缺点�由于采用直流电源�它的滑环和碳刷要经常拆换�故费时费工�成本高�给人们带来太大的麻烦。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�它一出现就以其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�而成为电气传动的中枢。所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)�即把市电直接变成比它频率低的交流电�大量用在大功率的交流调速中�间接变频(又称交-直-交变频)�即先将市电整流成直流�再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频�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�常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。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。3第1章系统总方案确定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�供给交流电动机。交-直-交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、电压的不同形式�又可分为电压型和电流型两种��1�电流型变频器电流型变频器的特点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。�2�电压型变频器电压型变频器的特点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。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的电机传动系统以及大容量风机、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。41.2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�供电整流滤波逆变主电路电流8051SPWM波隔离电压检测主电路控制电路保护电机电源电路电路电路驱动生成芯片单片机吸收电路图1.1系统原理框图供电电源�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。整流电路�整流部分将交流电变为脉动的直流电�必须加以滤波。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我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变�开关器件选用全控型开关管IGBT。电流电压检测�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。5第2章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向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成�主电路和控制电路�其中主电路通常采用交-直-交方式�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�。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62.2整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流电路中�应用最广泛的是三相桥式全控整流电路�三相桥式全控整流电路每个时刻均需2个晶闸管导通�而且这两个晶闸管一个是共阴极组�一个是共阳极组�只有它们能同时导通�才能形成导电回路。由于整流电路原理比较简单�设计中不再做详细的介绍�其原理如图2.2所示。图2.2三相桥式全控整流电路2.3逆变电路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2.3的单相逆变电路的原理图中�当1S、4S同时闭合时�abU电压为正�2S、3S同时闭合时�abU电压为负。由于开关1S�4S的轮番通断�从而将直流电压DU逆变成了交7流电压abU。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�1S、2S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DU。图2.3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2.4所示。图2.4中�1S�6S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32�的三相交流电压。当1S、4S闭合时�VUu�为正�3S、2S闭合时�VUu�为负。用同样的方法得�8当3S、6S同时闭合和5S、4S同时闭合�得到WVu�,5S,2S同时闭合和1S、6S同时闭合�得到UWu�。为了使三相交流电VUu�、WVu�、UWu�在相位上依次相差32��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VUu�、WVu�、UWu�波形如图2.4c所示。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�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DU的大小来调节。2.4IGBT简介及驱动要求IGBT是压控器件�栅极输入阻抗高�所需要驱动功率小�驱9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GEU的增加�通态压降减小�开通损耗也减小.若GEU�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GEU�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GR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GR减小�则又将使dtdi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�栅极就会被击穿�导致器件损坏。为防止栅极过压�可采用稳压管作保护。(2)IGBT存在2.5�6V(T=25�C)的栅极开启电压�驱动信号低于此开启电压时�器件是不导通的。要使器件导通�驱动信号必须大于其开启电压。当要求IGBT工作于开关状态时�驱动信号必须保证使器件工作于饱和状态�否则也会造成器件损坏。正向栅极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一定过载情况下器件不退出饱和的前提�正向栅极电压越高�则通态压降越小�通态损耗也就越小。对无短路保护的驱动电路而言�驱动电压高一些有好处�可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。通常�正向栅极电压取15V。在有短路保护的场合�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�对短路保护有好处。此时�栅极电压可取为13V。另外�为减小开通损耗�要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT10的栅极等效为一电容负载�所以驱动信号源的内阻要小。(3)当栅极信号低于其开启电压时�IGBT就关断了。为了缩短器件的关断时间�关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。器件关断时�驱动电路应提供低阻抗的放电通路。一般栅极反向电压取为-(5�0)V。当IGBT关断后在栅极加上一定幅值的反向电压可提高抗干扰能力。(4)IGBT栅极与发射极之间是绝缘的�不需要稳态输入电流�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。器件的电流、电压额定值越大�其输入电容就越大。当IGBT高频运行时�栅极驱动电流和驱动功率也是不小的�因此�驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。(5)IGBT是高速开关器件�在大电流的运行场合�关断时间不宜过短�否则会产生过高的集电极尖峰电压。栅极电阻GR对IGBT的开关时间有直接的影响。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�所以栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。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�所以栅极电阻的上限受到开关损耗的限制。对600VIGBT器件�栅极电阻可据下式确定�eR=(I�10)×625/eI式中�eI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。(6)驱动电路和控制电路之间应隔离。在许多设备中�IGBT与工频电网有直接电联系�而控