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1、前 言最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，它的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。本论文首先论述了变频调速的基础技术，简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作；其次对系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式，并采用 IGBT 作为主电路的功率开关器件；根据 SPWM 波形的生成原理，从硬件和软件上探讨了基于 MA818，用于 IGBT 控制的数字化 PWM 波形产生器
2、的实现方法；根据系统的设计要求，选择了转速负反馈控制，提高了系统的精度和稳定度；最后完成了相应的电气控制电路。经相关的实验及仿真波形分析，表明该系统满足预期的设计要求。III第一章交流变频技术51.1 交流变频调速技术的发展与研究现状51.2 变频调速技术的优点和发展方向51.3 相关技术分析81.4 本章小结9第二章系统方案112.1 系统主电路方案的确定112.2 系统控制电路方案的确定132.3 系统总体结构框图142.4 本设计所要完成工作152.5 本章小结15第三章系统主电路设计163.1 主电路工作原理163.2 系统主电路参数设计与选择183.3 本章小结21第四章 系统硬件设
3、计224.1 触发控制电路框图224.2 SPWM 生成原理224.3 MA818 结构及工作原理244.4 单片机 89e28rd2 特性254.5 驱动电路 EXB841 介绍264.6 A/D 转换274.7 本章小结28第五章软件设计295.1 数字 PID 控制295.2 数字滤波技术335.3 模数转换方式365.4 MA818 编程375.5.本章小结39第六章 结论40参考文献41结束语42附 录43 电气自动化技术专业毕业综合实践报告第一章 交流变频技术1.1 交流变频调速技术的发展与研究现状在过去的几十年里,世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高。工厂里
4、的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置 ,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。50 年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和
5、压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等。这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于 0.5%的调速精度和至少 20：1 的宽调速范围，以及高于 50rad/s 的快速暂态响应。以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的AC-DC 变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人
6、和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动。其中变频调速是交流电机调速中发展最快、最活跃的一支。它以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为现代调速传动的主 流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵引等工业领域得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无第- 12 -页，共 41 页论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。交流传动得
7、以飞速发展，得益于以下几个方面：1、电力电子功率器件的发展2、控制理论的发展3、PWM 技术的发展4、微处理器和专用集成电路(ASIC)的发展我国变频调速技术的应用，是一个由试验到实用，由辅助系统到生产装置，由考虑节能到全面改善工艺水平，由开环手动控制到闭环自动控制，由低压中小容量到高压大容量的过程。多年来，国家有关部门一直致力于变频调速技术的开发及推广应用， 并给予重点扶持，并将推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询和培训。在国家经贸委小“九五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调速己被列入重点组织实施的 10 项资源节约综合利用
8、技术改造示范工程之一。变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。在石油、石化、机械、冶金等行业都得到了大量使用和整套装置系统使用，取得了节能、增产的显著效果。变频调速技术己成为节约能源及提高产品质量的有效措施。实践的结果证明，节电率一般在 1030，有的高达 40，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。1.2 变频调速技术的优点和发展方向交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：降压调速，电磁转差离合器调速， 饶线转子异步电机串级调速，变极对数调速和变压变频调速。而由电机学可知，交流异步电机的转速公式如下：=n60 fp(1- s)公式（1-1）其中：n 是异步电动机转速，p 是异步电动机的极对
9、数，s 是异步电动机的转差率，f 是供电电源的频率。（1） 改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、价格高、维护性差。（2） 改变电动机，即在转子上串电阻，因饶线式电机的结构限制，通常为有级调速。（3） 当极对数不变时，电动机转子转速 n 与定子电源频率 f 成正比。因此通过连续改变定子电压供电频率 f 就能平滑、无级地调节异步电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。改变供电电源频率也称变频调速，这种方法能实现无级调速，并且能适用于各种异步电动机的调速需要，特别指出的是能适用我国现在普遍应用的鼠笼式三相交流异步电动机的调速需要。变频调速的优点：调速范围宽，可以使普通异步电动
10、机实现无级调速：启动电流小，而启动转矩大；启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；对电机具有保护功能，降低电机的维修费用：具有显著的节电效果：通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速：目前，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用：而且随着一些新的交流电机调速理论（如：矢量控制和直接转矩控制） 和现代电力电子技术（IGBT、IPM、PIC）以及高效的处理器（如：DSP）等相关技 术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其发展的趋势大致为：1、主控
11、一体化将功率芯片和控制电路集成在一饮芯片上使逆变功率和控制电路 达到一体化，智能化和高性能化的 HV IC（高耐压 IC）SOC（System on Chip）的概念已被用户接受，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。2、小型化紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件发热的改善和冷却技术的发展己成为重要原因。 ABB 公司将小型变频器定型为 Comp ACTM，他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当像接触器、软起动器等电器 元件一样使用简牢，安装方便，安全可靠。3、低电磁噪音设计变频器要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合 EMC 国际标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器
12、或有源功率因数校正电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在 3050MHZ。时的噪声可降低 1520dB。4、数字控制以高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各控制算法。5、网络化新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装 RS485 接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线： ProfibusDP、InterbusS、Device Net、Modbus Plus、CCLink、LONNORKS、Ethernet、CAN Open
13、、T-LINK 等通讯。如西门子、三菱、普传、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。1.3 相关技术分析1.3.1 PWM 技术PWM 技术是变频调速技术的核心技术之一。它是利用半导体器件的开通与关断， 把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压的目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。目前PWM 技术被广泛应用于电气传动、不间断电源、有源滤波器等中。已经不限于逆变技术，也覆盖了整流技术。如在整流电路中，采用自关断器件进行PWM 控制，可使电网侧的输入电流接近正弦波，并且功率因数达到 1，
14、可望彻底解决对电网的污染问题。特别值得一提的是，由于PWM 整流器和PWM 逆变器组成的电压型变频器（也称双 PWM 变流器）无须增加任何附加电路，就可以允许能量双向传送，实现四象限运行。至于 PWM 控制技术又有许多中，并且还在不断发展中。但从控制思想上分， 它有以下四类：（1） 等脉宽 PWM 法 它是为克服 PAM 方式中逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压的缺点而发展来的，该法是从是 PWM 法中最简单的一种。其缺点是输出电压中除基波外，还含有较大的谐波分量。（2） SPWM 法 它是为克服（1）法的缺点而发展来的，该法是从电动机供电电源角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压
15、的三相对称正弦波电源。（3） 磁链追踪型 PWM 法 它是从电动机角度出发，着眼点是如何使电动机获得圆磁场。它是以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁链为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，以形成 PWM 波。（4） 电流跟踪型 PWM 法1.3.2 电力电子技术变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。电力电子时代是从 50 年代末晶闸管（SCR）的出现开始的，后来陆续推出了其它种类的器件，诸如控制极可关断晶闸管（GTO），双极型大功率晶体管（BJT 或 BPT），功率 MOS 场效应晶体管（MOSFET），绝缘门极双极型晶体
16、管（ IGBT），静态感应晶体管（ SIT），静态感应晶闸管（SITH），MOS 控制的晶闸管（MCT）等。在这个不断发展的过程中，器件的电压、电流额定以及其他电气特性均得到了很大的改善。从最初的晶体管到第二代的 GTR、MOSFET 再到第三代的 IGBT，大功率半导体器件的性能不断提高，使得变频装置发生了根本性的变化。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化方向发展。智能功率模块 IPM 是向第四代功率集成电路 PIC 的过渡产品。IPM 包含了 IGBT 芯片及外围的驱动和保护电路，有的把光耦也集成于一体，因此是更为好用的集成功率器件。目前，在模块额定电流 10-600A 范围内的变频器均
17、有采用 IPM 的趋势。它具有开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单，保护功能更为丰富等优势。其中 IGBT 作为第三代的电力电子器件，它的应用是变频器的性能有了很大的提高，主要表现为：1. 发热减小,将曾占主回路发热 50%-70%的器件发热降低了 30%；2. 高载波控制，使输出电流波形有明显的改善；3. 提高开关频率，实现了电机运行的静音化；4. 驱动功率减小，体积趋于更小。1.4 本章小结本章先介绍了交流变频调速技术的发展与研究现状；然后介绍了变频调速技术的优点和发展方向；在最后介绍了本论文所涉及到的相关技术（PWM 技术和电力电子技术等），并进行了相关分析。第二章系统方案交流电机变
18、频调速系统包括主电路和控制电路两部分，主电路主要完成功率的转换，它的结构是随着电力电子技术的发展而发展的，特别是从半控器件到全控器件的过渡标志着变频装置在性价比上可以与直流调速装置相媲美；控制电路主要完成对变频主电路提供各种控制信号，它是随着数字控制技术的发展而发展的，而且数字技术的应用不仅提高了调速系统的精度和可靠性，而且还为现代控制理论与方法在交流调速中的应用提供了物质基础。本章将分别对系统主电路和控制电路的几种可能实现的方案进行充分论证的基础上，提出了系统采纳的方案以及说明选用该方案的原因。2.1 系统主电路方案的确定在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性和稳定性直接影响
19、着系统的运转，因此，必须根据系统设计的要求选择合适的主电路。2.1.1 主电路结构的选择主电路是将三相交流电变换成频率、幅值可调的交流电压，能实现这一功能的电路有交-交电路和交-直-交电路。交-交变频电路有一个变换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源变换成VVVF 电源，常用的交-交变频电路输出的每一相都是一个两相功率器件整流装置可逆线路。当正向组工作在整流状态，反向组工作在逆变状态时，交流电机得到的是正电压；反之，电机绕组得到的是负电压。只要控制两相反并联的桥组不断的处于整流和逆变工作状态，就能将电网电压变成变频电源。但交-交变频电路有以下缺点：（1） 输出上限频率 由于交-交变频电路
20、的输出电压是由若干段电网电压拼凑而成，当输出频率升高时，输出电压在一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就增加。电网频率为 50HZ 时，交-交变频电路的输出上限频率为 20HZ 左右；（2） 输出功率因数交-交变频电路的输出是通过相控的方法的得到的，因此， 在输入端需要提供所需的无功电流，随着负载功率因数的降低和电源幅值的减小，所需的无功电流增加，所以输出功率因数低；（3） 接线复杂，使用的功率器件多。所以，交-交变频电路主要用于转速在 600r/min 以下的大功率交流调速装置中。交-直-交变频电路实现由整流器将电网中的交流电整流成直流电，经过滤波，然后由逆变器逆变成交流电供给负载
21、。根据中间环节采用大电容或大电感滤波可分为交-直-交电压型和交-直-交电流型两类。当中间环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种阻抗为零的恒压源，输出电压是矩形波或阶梯波；当中间环节采用大电感滤波时，直流电压波形比较平直，对负载来说是一个恒流源，输出电压也是矩形波或阶梯波。由于电压源型变频电路是作为电压源向交流电机提供电功率的，因此，其主要优点是运行几乎不受负载功率因数和换流的影响；缺点是当负载出现短路或过流时，必须采取保护措施。电压源型逆变器从水银整流器问世就开始使用，并随着功率器件的发展逐渐完善。如今，适合工业应用、体积小、大功率的电压源型逆变器制造技术大幅度提高，价
22、格也降低了，并使交流电机调速性能一些应用场合超过直流电机调速系统。正是由于这个原因，电压源型逆变器得到了广泛的应用。因此，在变频调速系统中主电路选择了电压源型交-直-交变频电路。其结构如图 1 所示。2.1.2 主电源的选择主电源的整流电路包括可控整流和不可控整流。可控整流的优点是可以控制直流电压输出的大小，可以实现变压；其缺点是对电网的干扰大，而且整流得到的直流电压谐波大，输入功率因数低。而不可控整流的优点是对电网的干扰较小，整流得到的直流谐波小，电压稳定，因而输入功率因数高；缺点是直流电压不可控，要想控制输出电压值，只有通过后面环节（逆变器可以控制电压大小）。本设计面向的是不需要频繁制动和
23、反转的电动机，所以选择不可控二极管整流桥方式。滤波电路采用阻容方式。逆变电路为三相全桥形式。图 1交-直-交电压型变频主电路2.1.3 逆变功率器件的选择功率器件应根据设计的要求和性能指标来选择，对于变频调速系统，一方面要求开关频率足够高，另一方面要求有足够的输出容量，对比 SCR、GTO、BJT、GTR、IGBT、MOSFET、MCT 等几种常用的新型功率半导体器件，SCR 导通容易，但需强迫换流电路使其关断；IGBT 具有自关断能力，且有 GTR 的大容量和 MOSFET 的驱动功率小、开关动作快等优点，是中小容量最为流行的器件；MCT 综合了晶闸管的高电压、大电流特性和 MOSFET 的
24、快速开关特性，是极具有发展前景的大功率、高频开关器件。对于本设计而言，选择 IGBT 较合适。2.2 系统控制方案的确定控制电路作为交流电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位，而控制系统的性能又取决于其运算速度和控制精度，这在某种程度上依赖于实现该系统的电子芯片。目前,人们常常使用专用的芯片如TL494、SG3525 等来产生PWM(脉冲宽度调制) 波形,并由其通过反馈信号来实现对PWM 波形的宽度的调节,从而获得稳定的输出。当控制电路设计完成后,就是一个相对独立的系统,调节、控制方式不能再更改,系统的总体协调功能差。近几年,基于微机控制的逆变系统主要采用单片机
25、或DSP (数字信号处理器) 控制。采用单片机的系统若使用定时器产生PWM,由于中断的特点,使输出的PWM 的脉宽容易发生改变,从而影响输出电压的精度。如MCS51 系列,中断响应为38个机器周期,用6MHz的晶振,机器周期为2 s,逆变器工作频率为20 kHz,工作周期50 s ,则误差范围为12 %32 %;此外,单片机对系统调节的实时性差(96系列的机型也不能满足要求),因此单片机构成的系统一般需要外接产生PWM的芯片,单片机主要用于协调系统的工作及输出显示。专用DSP 的系统的实时性好,但灵活性差,通用的DSP系统总体控制、协调性能不是很好,而且DSP 开发过程比较复杂, 开发工具价格
26、昂贵。英国Marconi 公司推出的、可产生三相PWM控制信号的大规模集成电路芯片MA818 (828/838) , 采用标准双列直插式40 脚封装或44 脚方形塑料封装。该芯片与SL E4520 相似,是一种通用的可编程微机控制外围芯片, 虽然它必须和微处理器配合使用,但微机的介入程度很低,它本身的功能比TL494，SG3525等 要强大的多, 用于控制IGBT 更是得心应手,其输出波形为纯正弦波。2.3 系统总体结构框图图 2 系统总体电路框图2.4 本设计所要完成的主要工作课题的目标是完成交流电机变频调速系统主电路和控制电路两部分设计。所以，基于这种思想，本论文所做的工作包括以下几个方面
27、：（1） 对交流电机的工作原理、运行特性以及变频调速原理进行了解；（2） 通过调研查找与本课题有关的资料，并进行认真的分析、消化；（3） 在消化吸收的基础上，根据本课题的特点，进行方案论证并确定设计方案；（4） 根据确定的方案，进行主电路、控制电路（包括保护电路、触发电路、反馈电路等）、继电器、接触器等电气控制线路以及辅助直流电源的设计；（5） 在设计当中，学习SPWM 波发生器 MA818 和单片机 89E58RD2 编程及其相应的软件知识，为设计触发电路做准备；并学习常用画图软件工具以及完成有关上交材料；（6） 整体电路优化和调试；（7） 完成毕业设计论文和电气原理图。2.5 本章小结本章
28、主要根据系统设计的要求，对系统主电路和控制电路的几种可能实现的方案进行充分的论证、分析，提出了系统采纳的方案以及说明选用该方案的原因，最终，系统主电路选用了交-直-交电压型变频主电路，控制电路利用模拟电路和数字电路实现，采用的是闭环控制，这样，简化了电路结构，缩短了设计周期。第三章系统主电路设计3.1 主电路工作原理主电路由整流和逆变电路构成。三相交流电源经过三相全波整流、滤波、稳压， 为逆变器提供一个稳定可靠的大容量直流电源，然后由大功率开关元件按脉宽调制（PWM）方式，将直流逆变成可变频率和电压的交流，供交流电动机变速之用。主电路中大功率开关元件选择 IGBT 模块（ IGBT 即绝缘门极
29、双极晶体管），它集 VMOS 管和大功率达林顿晶体管特性优点于一身，而无两者的缺点，具有高电压、大电流、低导通电阻、高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流、对温度不敏感等特性。本课题选用的是交-直-交电压型 PWM 变频主电路，它包括不可控整流电路、滤波电路和三相桥式逆变电路。其结构如图 3 所示。3.1.1 交-直变换电路该变换电路的任务是将电源的三相交流电变换为平稳的直流电。1. 整流电路 整流电路因变频电路输入功率大小不同而异。对于小功率的，输入电源多用单相 220V，整流电路用单相全波整流桥；对于大功率的，一般用三相 380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本毕业设计中选用的是
30、 2.2KW 的三相交流电动机，其额定电流为 4.8A，额定电压为 380V,额定频率为 50HZ,额定转速为 1440 转/分，属于中小功率范围。整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块。如图 4 所示。2. 整流器件的一般选择原则1）最大反向电压U RMU= 2U ，式中U 是电源线电压的振幅值(31)RMmm2) 最大整流电流 IVDMI= 2I ，式中 I 为变频器的额定电流(32)VDMNN3) 整流输出的平均直流电压Ud如果电源的线电压为U，则三相全波整L流后平均直流电压的大小Ud=1.35U2o(33)电气自动化技术专业毕业综合实践报告图 3系统主电路整流管 D1D6 组成三相
31、整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的直流电压：U =1.35U =1.35380V=315Vd2滤波电容 Cr 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，瞬间冲击电流较大，为了保护电路元件，加限流电阻 Ra。 延时一段时间后，通过控制电路使开关 K 闭合，将限流电阻短路。电源指示灯 DS 除了指示电源通断外，还可以再电源断开时，作为滤波电容Cr 放电通路和指示。滤波电容 Cr 容量通常很大；所以放电的时间较长，几百伏的高电压会威胁人员安全，因此，在维修时，要等指示灯熄灭后进行。Rc 是制动电阻。电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路时处于在断开情况下，增加的电能
32、无处释放，使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应给一个放电通路，使这部分再生电流消耗在电阻 Rc 上。制动时，通过控制电路使开关 Tc 导通，形成放电通路。3.1.2 直-交变换电路逆变开关管 T1T6 组成三相逆变桥，讲直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管 IGBT。续流二极管 D7D12 的作用是：当逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然电压突变降为零，但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈冲的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。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 R1R6，电容C1C6，
33、二极管D13D18 组成缓冲电路，来保护逆变开关管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流 Ic 和发射极间电压 Vce 的冲击， 因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时，Vce 迅速升高，Ic 迅速降低， 过高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容第- 13 -页，共 41 页 电气自动化技术专业毕业综合实践报告(C1C6)来减小电压增长率；当逆变开关管开通时，Vce 迅速降低，而 Ic 则迅速升高， 并联在逆变开关管两端的电容（C1C6）由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流 Ic 的增长率，造成逆变开关管的损坏。所以增加电阻（R1R6），限
34、制电容的放电电流。可是当逆变开关管关断时，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（D13D18），使电容在充电时，避开电阻，通过二极管充电，在放电时，实现缓冲功能。3.2 系统主电路参数设计与选择由图 4 可知，主电路由整流电路和IGBT 逆变电路构成，它是本系统的功率驱动单元，由不可控整流环节、中间直流环节、和逆变环节构成。系统所用参数如下：第- 16 -页，共 41 页电动机参数：电动机型号：Y100L-2 型，2P=4, PN= 2.2KW , IN= 4.8A , hN= 88% ，cosj = 0.84,nN= 1440 rmin,l (过载能力倍数)= 2
35、.3,mK (启动转矩倍数)= 2.2 ,KQf(启动电流倍数)= 7.0电源电压：380V ，频率：50HZ逆变部分采用 IGBT SPWM 型逆变器，V F 控制方式，过载倍数l = 1.5 /分钟。3.2.1 整流二极管模块选择1. 参数计算1) 通过二极管的峰值电流Im=2I=2 4.8 6.8A(34)3N2) 流过二极管电流有效值I= 1200I 2 d (w t ) 1= 1 I(35)D0m3 6 00m(式中， Im为电机最大负载电流峰值，其值一般取为5 6) I 。N3) 二极管电流定额I= D= m 14.1A(36)4) 二极管的电压定额UDDNII= (2 3)U1.
36、572.27= (2 3) 2Um2l= (2 3)2 380 1074.8V(37)根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电、雷击等因素，实取U= 1200V 。D3.2.2 滤波电容的选择1. 参数计算1) 当没有滤波电容时，三相整流输出直流电压为23U=DCpU = 1.35 380 513V(38)l2) 加上滤波电容后，UDC的最大线电压可达到交流线电压的峰值U=2U =2 380 537V(39)DCPl2. 元件选取滤波电容理论上越大越好，考虑到价格和体积，电容也不能选得太大；事实上，中间直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的，因此，选用一个2200m F 电容器。3.2
37、.3 限流电阻的参数选择图 3 中 Ra 为变频电路启动时的限流电阻,由于变频电路通电瞬间,滤波电容相当于短路,因而,冲击电流很大,故需加电阻 Rs来限流,实际上当电容充电时, Rs和Cr 构成的回路是一个典型的一阶惯性环节，其时间常数 T = RC ；故在零初始状态下，电()容上电压的相应方程式为 UC= U1 - e-t T(310)DC当 t=4T 时，U= 92.8%U，故可选取充电时间为 t =4T= 4RC 。CDCc假若要求充电时间ts= tc4cc= 30s ，那么R=故 Ra 上消耗的功率为：304 2200 10 -6 3.5KW(311)P =U2DC(1.35U )2=
38、L 9.40W(312)R8R8Raa实际上，假若不是经常性的冲放电时， Ra 的瓦数可选小一些，以减小设备的体积。实选限流电阻 Ra为： 3.5KW / 9W 。3.2.4 逆变器功率器件 IGBT 选择IGBT 是场控大功率器件，具有自关断能力，开关速度高，所以，使用 IGBT 可使逆变器结构小巧。但它热时间常数小，承受过载能力差；因此，在实际的应用时， 应从负载最严重的情形来选择功率器件。本系统中，最严重的情况是异步电动机的启动电流为额定电流的（1.22.0 倍，且要考虑电流峰值。1. IGBT 集电极电流 I计算公式为ICc= (1.2 2.0)Im= (1.2 2.0) 2IlNm(
39、320)式中， lm电机过载倍数，一般小于 2.7。I 电机额定电流N所以， IC= (1.2 2.0)Im= (1.2 2.0) 2INl = (1.2 2.0) 2 2.3 4.8 44.15m考虑安全裕量，实取 50A。2. IGBT 的耐压值UCESIGBT 关断时的峰值电压为:dtU= (U1.15 + Ldi) a = (650 1.15 + 150) 1.1 = 987.25V （321）CESPdc式中，1.15 为过压保护系数，a 为安全系数，一般取1.1，150 由 Ldi dt 引起的尖峰电压。令U U，并向上靠拢，IGBT 的实际电压等级应取 1200V。CESCESP
40、3.3 本章小结本章首先介绍了主电路的基本结构，对主电路中的整流电路、滤波电路、逆变电路的工作原理进行了分析；然后，根据系统参数要求，对主电路中元器件参数进行了分析、计算，并根据计算结果选择了元器件。等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制，简称SPWM，这种序列的矩形波称作SPWM 波。SPWM 的生成原理如图 5 所示电气自动化技术专业毕业综合实践报告第四章系统控制电路设计控制电路和保护电路是整个系统的控制核心，主要是逆变器的控制电路设计（主要是 SPWM 的产生控制和 IGBT 驱动控制）。它作为交流电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位，它主要是向变频主电路
41、提供各种控制信号，以使主电路安全、可靠的工作。4.1 触发控制电路框图图 4 触发控制电路结构框图4.2 SPWM 的生成原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角形作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时， 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦波调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波图 5SPWM 生成原理第- 17 -页，共 41 页 电气自动化技术专业毕业综合实践报告仍采用传统的三角波和正
42、弦波叠加原理，且采用双极性规则采样法 II，由于每个周期的采样时刻都是固定的（图中 E 点），根据脉冲电压对三角载波的对称性，假设第- 19 -页，共 41 页A 相电压瞬时电压表达示为 Ua可得脉宽时间：= Sin(w1t)。t=T/21+MSin(w ta 21 et=T/21+MSin(w tb 21 et=T/21+MSin(w tc 21 e)-120)+120)而间隙时间：t =t=(T-t )/2a1a 3at =t=(T-t )/2b1b3bt =t=(T-t )/2c1c3c4.3 MA818 结构及工作原理1 MA818 内部结构框图及工作特点图5MA818内部结构框图MA
43、818 主要由三部分组成:第一部分为接收并储存微处理器命令的控制字部分。它主要由总线控制,总线译码,暂存器R0、R1、R2 ,虚拟寄存器R3、R4 及24 位初始化寄存器和24 位控制寄存器组成;第二部分为从EPROM 中读出正弦调制波形的数据部分。它由地址发生器和数据缓冲器组成; 第三部分为三相输出控制电路及输出脉冲锁存电路。每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。脉冲延迟电路能在同一相的两个开关器件进行开、关切换时, 提供一个较短的延迟时间, 以使导通信号滞后于关断信号, 从而避免同一相上的开关器件发生直通短路现象。脉冲删除电路能保证使最小输出脉冲大于器件的开关时间, 而将更窄
44、的脉冲删除掉。2工作原理MA818 在工作之前, 两个24 位寄存器(初始化寄存器和控制寄存器) 要先从微机中输入命令字。MO TEL 总线的宽度为8 位,向24 位寄存器输送数据时, 要分三次分别送到R0、R1、R2 寄存器中,再通过向虚拟寄存器R3、R4 的写指令命令分别完成从R0、R1、R2 向控制寄存器和初始寄存器传送数据。MA818 采用规则采样法产生SPWM 波形。它内部具有一个地址发生器和一个输入数据缓冲器,能从外部微机系统PROM/ EPROM 中直接读取用户按要求定义的各种精确的、用于产生SPWM 脉冲序列的调制波形,并与三角载波比较,从而产生所需要的SPWM 波形。在调制波
45、形的正半周(0180) , 波形被分割为768 个8 位采样值进行存储, 幅值范围为0255。768 个采样值从0180按线性增长, 其角度分辨率为0. 23。在调制波形的负半周(180360) , MA818 对0180内的768 个采样值取反,从而得到全360的调制波形。768 个采样值分成1536 个4 位采样值存储, 其中低4 位部分分别存储在0000H0300H 单元中, 高4 位部分分别存储在0400H 0700H 单元中, MA818 自动地读取这两个部分,并在内部拼成一个8 位采样值。这样,MA818只需要4 根数据线既可完成从外部PROM/ E2PROM 中读取采样值。4.4 单片机 SST89E58RD2 的特性SST87E58RD2是一款80C51微控制器，包含32KB+8KB FLASH和256+768B的数