交流异步电动机变频调速系统设计样本.doc

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中南大学
《工程训练》
——设计报告

设计题目: 异步电机的变频调速
指导老师: 黎群辉
设 计 人: 冯露
学 号:
专业班级: 自动化0906班
设计日期: 9月

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,而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, 而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

目录

摘 要 i
1.1 研究的目的与意义 1
1.2本次设计方案简介 2
1.2.1 变频器主电路方案的选定 2
1.2.2 系统原理框图及各部分简介 3
1.2.3 选用电动机原始参数 4
2交流异步电动机变频调速原理及方法 5
2.1 异步电机变频调速原理 5
2.2 变频调速的控制方式及选定 6
2.2.1 比恒定控制 6
2.2.2 其它控制方式 11
3变频器主电路设计 13
3.1 主电路的工作原理 13
3.2 主电路各部分的设计 13
3.3. 采用EXB840的IGBT驱动电路 15
4控制回路设计 16
4.1 驱动电路设计 16
4.2 保护电路 16
4.2.1 过、 欠压保护电路设计 16
4.2.2 过流保护设计 18
4.3 控制系统的实现 19
5变频器软件设计 22
5.1 流程图 22
5.2 程序设计 23
总结 33
参 考 文 献 34

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它电源。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。常见的方法有正弦波(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。
1.1 研究的目的与意义
在工业发展的初级阶段, 人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机, 是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求就能够, 调速的任务是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程化的要求愈来愈高, 发展电机的调速技术已经是势在必行了。直流调速系统, 由于其良好的调速性能, 很长的时期内在调速领域内占据首位。可是由于直流电动机本身有机械换向器, 给直流调速系统造成一些固有的、 难于解决的问题。
随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置(主要指变频器)性能的完善, 交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服, 当前, 交流调速系统的性能已经能够和直流系统相媲美, 甚至能够超过直流系统。由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益, 使变频器具有越来越旺盛的生命力。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现, 如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO; 具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET; 既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单, 又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT; 以及内部既有大功率开关器件, 又有各种驱动电路和过压、 过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用, 不但使交流调速系统控制装置体积小, 效率高, 而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案, 更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。
能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现, 如能产生脉宽调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世, 为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案, 经过快速检测电流实现PWM控制的变频技术, 经过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术, 以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等, 都极大地丰富了电机调速领域的内容。
总之, 交流电机调速技术的发展, 特别是变频器传动本身固有的优势, 必将使之应用于社会生产的各个领域, 以体现出不同的功能, 达到不同的目的, 收到相应的效益。因此, 本论文经过对变频器的研究, 对于交流变频调速系统理论的应用, 有着实际的意义和一定的应用价值。
1.2 本次设计方案简介
1.2.1 变频器主电路方案的选定
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。随着电力半导体器件的发展, 静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类: 交-直-交变频器和交-交变频器。
1.交-交型变频器: 它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电( 转换前后的相数相同) , 又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节, 不需换流, 故效率很高。因而多用于低速大功率系统中, 如回转窑、 轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,因此不能高速运行。
2.交-直-交型变频器: 交-直-交变频器是先把工频交流经过整流器变成直流, 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-交变频器是当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, 因此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。
由于交-直-交型变频器是当前广泛应用的通用变频器, 因此本次设计中选用此种间接变频器, 在交-直-交变频器的设计中, 虽然电流型变频器能够弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点, 并有着无须附加任何设备即能够实现负载的四象限运行的优点, 可是考虑到电压型变频器的通用性及其优点, 在本次设计中采用电压型变频器。
1.2.2 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
系统各组成部分简介:
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。因为本设计中采用中等容量的电动机, 因此采用三相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。在本设计中采用三相不可控整流。它能够使电网的功率因数接近1。
滤波电路: 因在本设计中采用电压型变频器, 因此采用电容滤波, 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SA4828, 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。
1.2.3 选用电动机原始参数
在这次设计中, 采用中等容量的电动机, 具体数据如下:
额定功率Pe=3KW,
额定电压Ue=380V;
额定电流Ie=6.1A,
转速ne=2880/min;
Y接法,
fe=50Hz.

2交流异步电动机变频调速原理及方法
2.1 异步电机变频调速原理
交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计, 中国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上, 因此了解异步电动机的调速原理十分重要。
交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计, 中国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上, 因此了解异步电动机的调速原理十分重要。
交流调速是经过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的, 但定子绕组上接入三相交流电时, 定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场, 它与转子绕组产生感应电动势, 出现感应电流, 此电流与旋转磁场相互作用, 产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速, 用表示:
( 2-7)

式中: 为三相交流电源频率, 一般是50Hz; 为磁极对数。当=1是, =3000r／min; =2时, =1500r／min。
由上式可知磁极对数越多, 转速就越慢, 转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点, 因此称为异步电动机, 这个差别用转差率表示:
( 2-8)

在加上电源转子尚未转动瞬间, =0, 这时=1; 启动后的极端情况=, 则=0, 即在0～1之间变化, 一般异步电动机在额定负载下的 =1%～6%。综合( 2-7) 和( 2-8) 式能够得出:
( 2-9)
由式( 2-9) 能够看出, 对于成品电机, 其极对数已经确定, 转差率的变化不大, 则电机的转速与电源频率成正比, 因此改变输入电源的频率就能够改变电机的同步转速, 进而达到异步电机调速的目的。
2.2 变频调速的控制方式及选定
2.2.1 比恒定控制
比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值, 以维护电机磁通基本恒定, 从而在较宽的调速范围内, 使电动机的效率、 功率因数不下降。控制是当前通用变频器中广泛采用的控制方式。
三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态, 从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中, 当电动机电源的频率发生变化时, 电动机的阻抗将随之变化, 从而引起励磁电流的变化, 使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低, 而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态, 是电动机中流过很大的励磁电流, 增加电动机的功率损耗, 降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时, 必须采取措施保持磁通恒定为额定值。
由电机理论知道, 电机定子的感应电势有效值是:

则 即 ( 2-10)

另外, 电机的电磁转矩为:
( 2-11)
其中 —与电动机有关的常数;
Cos—转子每相电路功率因数;
—转子电压与电流的相位差;
—电机的电磁转矩。
由式(2-10)推断, 若不变, 当定子电源频率增加, 将引起气隙磁通减小; 而由式(2-11)可知, 减小又引起电动机电磁转矩减小, 这就出现了频率增加, 而负载能力下降的情况。在不变时, 而定子电源频率减小, 又将引起增加,增加将导致磁路饱和, 励磁电流升高, 从而导致电动机发热, 严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:变频调速时, 必须使气隙磁通不变。因此, 在调节频率的同时, 必须对定子电压进行协调控制, 但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。
1.基频以下调速
由式(2-10)可知, 要保持不变, 当频率从额定值向下调节时, 必须同时降低,使
=常值
只要保持为常数, 就能够达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速, 属于恒转矩调速方式。
根据电机端电压和感应电势的关系式:
(2-12)
式中: -定子相电压;
-定子电阻;
-定子阻抗;
-定子电流。
当电机在额定运行情况下, 电机定子电阻和漏阻抗的压降较小, 和能够看成近似相等, 因此保持=常数即可。
由于比恒定调速是从基频向下调速, 因此当频率较低时, 与 都变小, 定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下, 能够人为地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2.1 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性

从图2.4中能够看出, 当电动机向低于额定转速方向调速时,曲线近似平行地下降, 减速后的电动机依然保持原来较硬的机械特性; 可是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小, 这就是造成了电动机负载能力的下降。
临界转矩下降的原因能够如下解释: 为了使电动机定子的磁通量保持恒定, 调速时就要求感应电动势与电源频率的比值不变, 为了使控制容易实现, 采用电源电压≈来近似代替, 这是以忽略定子阻抗压降作为代价, 当然存在一定的误差。显然, 被忽略的定子阻抗压降在电压中所占的比例大小决定了它的影响。当的数值相对较高时, 定子阻抗压降在电压中所占的比例相对较小, ≈所产生的误差较少; 当的数值较低时, 定子阻抗压降在电压中所占的比例下降, 而定子阻抗的压降并不按同比例下井, 使得定子阻抗压降在电压中的比例增大, 已经不能再满足≈。此时如果仍以代替, 将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大, 使得实际上产生的感应电动势减小, 的比值减小, 造成磁通量减小, 因而导致电动机的临界转矩的下降。
变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱, 影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的转矩补偿法。
转矩补偿法的原理是: 针对频率降低时, 电源电压成比例地降低引起的的下降过低, 采用适当的提高电压的方法来保持磁通量恒定, 使电动机转矩回升, 因此, 有些变频器说明书又称它为转矩提升( Torque Boost) 。
带定子压降补偿的压频比控制特性示于图2.5中的b线, 无补偿的控制特性则为a线。
定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性, 而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。

图2.2 压频比控制特性曲线

补偿后的机械特性曲线如图2.6所示。

图2.3补偿后的机械特性曲线

2.在基频以上调速
在基频以上调速时, 频率能够从额定频率向上增高, 可是电压却不能超出额定电压, 由式( 2-10) 可知, 这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下, 转子升高时转矩降低, 属于恒功率调速方式。
变频后的机械特性如图2.7所示。

图2.4 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性

当电动机向高于额定转速方向调速时, 曲线不但临界转矩下降, 而且曲线工作段的斜率开始增大, 使得机械特性变软。
造成这种现象的原因是: 当频率升高时, 电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压, 因此, 磁通量将随着频率的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降, 造成电动机的机械特性变软。
以上调速方式相应的特性曲线如图2.8所示。

图2.5整个频率调速的特性曲线
注: 图中曲线1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线
图中曲线2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线

比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足, 因此仍按比恒定控制就不能保持电机磁通恒定, 而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、 下开关元件的导通时间相对较短, 电压下降, 而且它们的互锁时间也造成了电压降低, 从而引起转矩脉动, 在一定条件下这将会引起转速、 电流的振荡, 严重时会导致变频器不能运行。
2.2.2 其它控制方式
1.转差频率控制变频调速
转差率控制方式是控制的一种改进, 这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速, 构成速度闭环, 速度调节器的输出时转差率, 而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法能够提高调速精度, 可是它需要使用速度传感器来求取转差角频率, 还要针对具体电机的机械特性调整控制参数, 因而此方法的通用性较差。
2.矢量控制变频调速
矢量控制变频调速的做法是: 将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流、 、 经过三相——两相变换, 等效成两相静止坐标系下的交流电流、 , 再经过按转子磁场定向旋转变换, 等效成同步旋转坐标系下的直流电流、 ( 相当于直流电动机的励磁电流; 相当于与转矩成比例的电枢电流) , 然后仿效直流电动机的控制方法, 求得直流电动机控制量, 经过相应的坐标反变换, 实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的, 主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃, 可是由于它既要确定转子的磁链, 又要进行坐标变换, 还要考虑转子参数变动带来的影响, 因此系统非常复杂。矢量控制变频器一般应用于轧钢、 造纸设备等对动态性能要求较高的场合。
3.直接转矩控制变频调速
1985年, 德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足, 并以新颖的控制思想、 简洁明了的系统结构、 优良的动静态性能得到了迅速发展。当前, 该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型, 控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机, 因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算; 它不需要模仿直流电动机的控制, 也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
日前市场销售的通用变频器的控制多半为比恒定控制, 它的应用比较广泛, 特别是在风机, 泵及土木机械等方面应用较多, 比恒定控制的突出优点是能够进行电机的开环速度控制。
从以上的分析可看出, 控制常见于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于控制是转速开环控制, 无需速度传感器, 控制电路简单, 负载能够是通用标准异步电机, 因此这种控制方法通用性强、 经济性好, 是当前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。由此, 在本设计中采用控制。

3变频器主电路设计
3.1 主电路的工作原理
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, 其中主电路一般采用交-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3.1的主电路, 这也是变频器常见的格式[4]。

图3.1 电压型交直交变频调速主电路

3.2 主电路各部分的设计
1.交直电路设计
选用整流管组成三相整流桥, 对三相交流电进行全波整流。整流后的电压为=1.35=1.35×380V=513V。
滤波电容滤除整流后的电压波纹, 并在负载变化时保持电压平稳。
当变频器通电时, 滤波电容的充电电流很大, 过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管, 为了保护二极管, 在电路中串入限流电阻, 从而使电容的充电电流限制在允许的范围内。当充电到一定程度, 使闭合, 将限流电阻短路。
在许多下新型的变频器中, 已有晶闸管替代。
电源指示灯HL除了指示电源通电外, 还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大, 放电时间比较长( 数分钟) , 几百伏的电压会威胁人员安全。因此维修时, 要等指示灯熄灭后进行。
为制动电阻, 在变频器的交流调速中, 电动机的减速是经过降低变频器的输出频率而实现的, 在电动机减速过程中, 当变频器的输出频率下降过快时, 电动机将处于发电制动状态, 拖动系统的动能要回馈到直流电路中, 使直流电路电压( 称泵升电压) 不断上升, 导致变频器本省过电压保护动作, 切断变频器的输出。为了避免出现这一现象, 必须将再生到直流电路的能量消耗掉, 和的作用就是消耗掉这部分能量。如图3.1所示, 当直流中间电路上电压上升到一定值, 制动三极管导通, 将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。
2.直交电路设计
选用逆变开关管组成三相逆变桥, 将直流电逆变成频率可调的交流电, 逆变管在这里选用IGBT。
续流二极管的作用是: 当逆变开关管由导通变为截止时, 虽然电压突然变为零, 可是由于电动机线圈的电感作用, 储存在线圈中的电能开始释放, 续流二极管提供通道, 维持电流在线圈中流动。另外, 当电动机制动时, 续流二极管为再生电流提供通道, 使其回流到直流电源。
电阻, 电容, 二极管组成缓冲电路, 来保护逆变管。由于开关管在开通和关断时, 要受集电极电流和集电极与发射极间的电压的冲击, 因此要经过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时, 迅速上升, 迅速降低, 过高增长的电压对逆变管造成危害, 因此经过在逆变管两端并联电容( ) 来减小电压增长率。当逆变管开通时, 迅速下降, 迅速升高, 并联在逆变管两端的电容由于电压降低, 将经过逆变管放电, 这将加速电流的增长率, 造成IGBT的损坏。因此增加电阻, 限制电容的放电电流。可是当逆变管关断时, 该电阻又会阻止电容的充电, 为了解决这个矛盾, 在电阻两端并联二极管( ) , 使电容充电时避开电阻, 经过二极管充电。放电时, 经过电阻放电, 实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗, 因此适用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型, 在此选用此种缓冲电路。

3.3 采用EXB840的IGBT驱动电路
采用EXB840集成电路驱动的IGBT的典型应用电路如图3.5所示[8]。
其中ERA34-10是快速恢复二极管。IGBT的栅极驱动连线应该用双绞线,长度应该小于1m,以防止干扰,如果IGBT的集电极产生大的电压脉冲,可增加IGBT的栅极电阻。

图3.2 EXB840组成的驱动电路

4 控制回路设计
控制回路是为变频器的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, 本设计中采用的是以微处理器为核心的全数字控制, 优点是它采用简单的硬件电路, 主要依靠软件来完成各种控制功能, 以充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的特点来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器件提供驱动信号。主电路逆变电路设计中采用的电力电子器件是IGBT, 故称为门极驱动电路。以下将介绍SPWM技术工作原理和设计中所选用能产生SPWM波芯片SA4828的基本结构和工作原理。

4.2 保护电路
保护电路的主要功能是对检测电路得到的各种信号进行运算处理, 以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到异常时, 进行各种必要的处理[12]。
4.2.1 过、 欠压保护电路设计
过压、 欠压保护是针对电源异常、 主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通用变频器输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士10%。一般情况下, 主回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, 将使直流侧电压过高。过高的直流电压对IGBT的安全构成威胁, 很可能超过IGBT的最大耐压值而将其击穿, 造成永久性损坏。当输入电压过低时, 虽不会对主回路元件构成直接威胁, 但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常, 而使系统紊乱, 导致SA4828输出错误的触发脉冲, 造成主回路直通短路而烧坏IGBT。而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此有必要对系统的电压进行保护。图 4.5为本文介绍的变频器过压保护电路。

图4.1 过电压保护电路

它直接对直流侧电压进行检测。其中电压信号的取样是经过电阻和分压得到的, 电容起滤波抗干扰作用, 防止电路误动作。过压设定值从电位器上取出。运放接成比较器的形式。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%。
欠压产生的原因有两种: 一是输入的交流电压长时间低于标准规定的数值。另一种是瞬时停电或瞬时电压降低。欠电压导致逆变器开关器件驱动功率不足而烧坏开关器件。一般欠压信号从直流端取样, 这样既能在欠电压, 过电压时检测出信号进行保护, 又不会因为短时间因为在欠电压, 过电压并未构成危险时而保护误动作。
欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。其电压取样与过压取样相同, 欠压设定值由上取出。运放接成比较器的形式。当取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。当取样电压低于设定值时(欠压情况下), 比较器输出低电平, 光耦器件导通, 输出低电平保护信号。其电路下图所示。动作值整定为输入电压的85%。

图4.2欠压保护电路

本系统的故障自诊断是指在系统运行前, 变频器本身能够对过载、 过压、 欠压保护电路进行诊断, 检测其保护电路是否正常。因此故障自诊断功能就是由单片机控制发出各种等效故障信号, 检测对应的保护电路是否动作, 若动作则说明保护电路正常, 反之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。
故障自诊断电路工作过程如下: 单片机控制HSO.2口发出一高电平, 经非门整形后输出低电平, 光耦器件导通, 有电流流过三极管的基极, 三极管导通输出低电平, 输出的低电平自诊断信号分别送至过压、 欠压保护电路。因SA4828的SET TRIP端为高电平有效,因此应加上一个反相器,使其反相后输出高电平。以下的过流信号也是如此.故障自诊断电路如图4.7所示[13]:

图4.3 故障自诊断电路

4.2.2 过流保护设计
变频器在诸如直流短路、 桥臂短路、 输出短路、 对地短路等情况下, 电流变化非常迅速, 元件将承受极大的电压和电流, 而IGBT器件的内部结构决定了它在足够大的电流下会出现锁定现象, 造成管子失控无法关断, 以至烧坏, 因此过流之前必须使IGBT关断以切断电流, 虽然在IGBT的驱动模块EXB840中已经有过流保护, 但考虑到过大时IGBT还未来得及关断已经发生锁定现象的可能性, 必须采取辅助断流措施。这里采用瑞士LEM 公司生产的霍尔效应磁场补偿式电流传感器来进行电流的检测。在此传感器的输出端串电阻R, 则R上的压降反应了被测的电流。过流发生时, R上的压降大于过流保护动作整定值, 比较器LEM324输出低电平去封锁IGBT的驱动电路的输入信号, 即可使桥臂上的所有IGBT处于截止状态实现过流保护的功能。过流保护的电路示意图如4.8图所示:

图4.4 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、 存储和传送, 再到人机接口的实现, 都是单片机在其中穿针引线, 控制、 协调各部分的工作。它的性能的好坏及工作的正常与否对整个控制系统有着重要的影响。在本设计中选用单片机课程学习到的Intel公司的8051单片机。8051是高性能的单片机, 因受到引脚数目的限制, 它属于地址与数据复用的单片机, 能够与SA4828直接接口。其内部有4KB的ROM, 以下是它的引脚图[14]。

图4.5 8051引脚图

因8051已经比较常见和熟悉, 这里不再详细介绍。图4.10是单片机的系统图[15]。
模拟量的频率给定经过ADC0809模数转换器读入8051, 转化为SA4828的控制字, 以控制触发信号的波形。ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近型A/D转换器件, 电位器的输出接其输入IN0( 当51单片机没有当5l单片机没有外扩RAM和I/O口时, ADC0809就能够在概念上作为一个特殊的唯一的外扩RAM单元。因为它是唯一的, 就没有地址编号, 也就不需要任何地址线或者地址译码线。只要单片机往外部RAM写入, 就是写到ADC0809的地址寄存器中。只要单片机从外部RAM读取数据, 就是读取ADC0809的转换结果。) EOC转换结束信号经一非门接8031外部中断1( P3.3) 。
8051经过地址线P2.0和读写信号来控制转换器的模拟量输入通道地址锁存, 启动允许输出。

图4.6 单片机系统图

因8051的复用总线结构, SA4828的MUX引脚应该接高电平或悬空不接。8051的P0口与SA4828的AD口连接, 提供8位数据和低8位地址, SA4828芯片中的地址锁存器能够锁存来自8051的低八位地址, 从而将AD口输入的地址和数据分开, SA4828的地址锁存器由8051的ALE引脚控制, 同时连接的控制信号还有读, 写信号,.SA4828的片选信号用8051的P2.7引脚来控制, 这样SA4828的8个寄存器的地址为:
寄存器R0～R5的地址: 0000H～0005H。
虚拟寄存器R14,R15的地址: 000EH, 000FH
SA4828的STTRIP引脚接8051的P1.0, 使单片机能在异常情况下封锁SA4828的输出, ZPPR引脚接8051的P3.2( ) ,测量调试波的频率, 用于显示。因8051的复位端为高电平有效, 而SA4828为低电平有效, 因此在两者中间需要加上反相器。
SA4828的引脚接一个发光二极管, 当SA4828的输出被封锁时, 发光二极管亮, 用于指示封锁状态。SA4828的六个输出引脚分别经过各自的驱动电路来驱动逆变桥的六只开关管。
5 变频器软件设计
5.1 流程图
软件设计的流程图如图5.1。

图5.1 程序设计流程图

5.2 程序设计
由可算出调制波频率范围为0～50Hz, 时钟频率为12MHz, 设计载波频率为5kHz, 实际脉冲删除时间为12µs, 死区延迟时间为6µs, 系统采用高效波形, 不使用看门狗功能。我们采用Intel公司的8051单片机, 对SA4828进行设置, 进而实现对三相交流电动机进行调速控制[19]。
将程序分成三部分, 分别介绍如下
( 1) 初始化程序设计:
根据上面介绍的公式, 计算出SA4828各个初始化参数字。
为了显示调试波频率, 必须测量ZPPR引脚的输出脉冲周期, 其周期的倒数就是调制波频率。测量ZPPR输出脉冲周期的方法是: 利用ZPPR输出脉冲的下降沿触发中断, 这时计算两个ZPPR输出脉冲下降沿的时间间隔。时间间隔可用定时器T0求得( 初始值为00H) 。可是因为调制波的频率较低, 周期比较长。可能会出现周期大于16位的T0所能定时的最长时间。因此, 还要利用定时器T0的溢出中断。在T0每次中断时, 给一个指示器加1, 加1的结果存入RAM某个单元中, 因此, 本程序要用两个中断, 程序如下:
ORG 0000H
LJMP START
ORG 0003H
LJMP WZD
ORG 000BH
LJMP JA1
START : …
SETB IT0 　 ; 脉冲下降沿触发外中断
MOV TMOD,#10H ; T0工作在定时。方式1
SETB EX0 ; 开外中断
SETB ET0 ; 开定时中断
SETB EA ; 开总控制中断
…
下面计算SA4828初始化参数字。
① 载波频率设定字
由式( 5-1) 可得:

取=4, 因此=3。载波频率设定字为001。
反算载波频率为:

②调制波频率范围设定字
由式( 5-2) 可得:

取, 因此m=2。调制波频率范围设定字为010。
反算调制波频率范围为:
=
因此寄存器R0的值应为010XXO11B, 即43H。
③最小删除脉宽设定字
最小删除脉宽等于实际最小删除脉宽加上延迟时间, 所。
由式( 5-3) 得:
=127-512
因此最小删除脉冲设定字为49H, R1寄存器的值为49H。
④脉冲延迟时间的设定字
由式( 5-4) 得:

因此, 脉冲延迟时间设定字为2DH, 即寄存器R2中的值是2DH。
⑤波形选择字和AC设定
选用高效波形, 选择字是10; 红相控制幅值, AC=0。因此, 寄存器R3中的值为02H。
⑥看门狗设定
不用看门狗, 因此寄存器R4,R5的值均为00H。
SA4828初始化子程序:
MOV A, #43H ; R0=43H
MOV DPTR , #0000H ; 指向R0的地址
MOVX @DPTR, A ; 43H装入R0
INC DPTR ; 指向R1的地址
MOV A, #49H
MOVX @DPTR, A ; 49H装入R1