毕业设计29采用sle4520集成电路的三相spwm异步电动机变频调速系统设计

毕业设计29采用sle4520集成电路的三相spwm异步电动机变频调速系统设计内容摘要：

证必要的调速精度，而且在动态过程中由于不能保持所需的转矩，动态性能较差，因此开环控制方案只能用于对调速精度和动态性能要求不高的场合。 图4－ 5　带 低频补偿的恒压频比转速开环控制系统框图PWM脉宽调制信号生成器/D转换器给定积分器恒磁通补偿器光电隔离电路驱动电路保护电路 (2)转差频率控制 它属于转速闭环控制，在恒磁通的条件下，通过控制转差频率，就可以实现对 转矩的动态控制。 框图如图 46所示。 PWM脉宽调制信号生成器微型计算机转差调节器△u N恒磁通补偿器驱动电路光电隔离电路保护电路＋图46 转差频率控制的PWM变频调速系统 (3)矢量变换控制 １５ 矢量变 换控制是 1921年由西德 Blaschke等人提出的一种新的控制思想和控制结 构。 通过矢量变换控制，能使交流电动机和直流电动机一样的调速性能。 2. 按计算机参与控制的情况分类 （ 1） 单片机控制 （ 2） 多微机控制 （ 3） 单片机 + SPWM器件控制结构 为了获得较为理想的调速性能，人们研制出了各种各样的 SPWM脉宽调制信号发生器有模拟的，数字的，还有混合式的，也有数片集成电路芯片组合而成的， HEF4752就是其中一种，它是 80年代初英国 Mullard公司研制出的一种专门用来产生三相正弦脉宽调制（ SPWM）信号的 大规模集成电路，它可驱动大功率晶体管，但后来研制出的SLE4520能驱动频率更高的绝缘栅晶体管 IGBT，运用 SLE4520产生 SPWM脉宽调制信号可以使变频调速系统控制电路的硬件结构大大简化，有利于提高整个系统的抗干扰性和可靠性，也可以使整个系统的调节控制变得更为简捷，采用单片机控制时，可减小大量的计算工作量，使微机腾出空来处理一些诸如系统测量，保护及控制工作，有利于充分发挥微机的控制作用。 采用微机 +SPWM器件控制的 PWM变频调速系统结构框图如图所示： 驱动电路光电耦合电路显示电路 转速给定电路故障检测及保护电路交流电源　～PM模 块单片机＋SLE4 520的 变频调速系统框图 五．本次方案的确定 由上述分析可知，采用单片机 +SLE4520 器件控制结构，使 PWM 变频调速系统控制电路的硬件更加简单，有利于提高整个系统的抗干扰性和可靠性，也可使整个系统的调节控制更为简捷，并可减少大量的计算工作，仅用价格低廉的单片机 8031 就可胜任， １６ 同时也使单片机空出来处理一些诸如系统测量，保护及控制工作，有利于充分发挥单片机的控制作用，同时还采用 IGBT开关元件，使输出的 SPWM的开关频率达 20KHZ，基波频率可达 2600HZ，达到设计要求，而且经济效益最佳。 经过以上比较，我们可得系 统方框图如图所示 给定0310口控制信号数据SLE4520 PM3～4LS164 LEDXD　 　TXD系统方框图 系统工作原理： 首先由拔码盘输入给定转速 N，由于 N 是由 P0口输入再取入为 BCD码，转换成二进制，并转换为频率 F，然后判断 F所处的范围，根据一定的软件算法，输出数据由数据总线 P0P7写入地址译码锁存器。 然后根据地址译码，由微机输出的 SPWM脉宽数据分别写入 SLE4520中的 3个 8位数据锁存器，经 SLE4520处理后产生脉冲来控制 IGBT，由于 IGBT必需要有一定的驱动功率及一定的保护电路，而 IPM内部主要是 IGBT、驱动电路、检测电 路，可以大大简化电路，故采用了 IPM模块。 如果发生事故，则产生中断来申请中断处理。 显示接口，主要用来显示转速等必要参数。 系统主回路的选择 (一 ).系统主回路的框图 一 . 根据系统的总体结构框图，我们可以得到系统的主回路框图如图 51 １７ ～ 3～图5－1　 　系统主回路图 从图中，我们可以看出，三相电源电流经快速熔断器， KM 触头，经过△形 /Y形的变压器变压后，三相整流电路把交流电变成直流电，然后经过电容 C C2 滤波，输到IPM中的 IGBT上。 通过控制 IGBT的 通断和截止，从而使电机得电，开始起动。 电阻 R1和灯 L作为系统运行的指示标志， R2 用于电机制动时的耗能电阻。 （二）变频器介绍与变频电源的选择 在变频调速系统中，变频器可以分为交 — 交变频器和交 — 直 — 交变频。 1． 变频 交 — 交变频是直接将电网的交流电变为电压和频率都可以调节（ VVVF）的交流电。 在单相交 — 交变频器中，如果输入电压为三相电源，可控整流器为三相全桥式接法，要得到单相输出交流电共需 12个晶闸管元件。 因此，对于三相负载，则需要 36个晶闸管元件，另外，由于输出波形是由供电电源经整流后得到的，所以 ，交流输出的频率不能高于电网电源的频率。 2． 交－直－交变频 交－直－交变频的工作原理可用图 5－ 2所示的对单相负载供电的交－直－交变频器来说明，它通过可控硅整流装置把交流电变为幅值可调的直流电，开关元件 1,3和 2，4 交替对负载电阴供电，那么就在负载上得到交流输出电压 Uo， Uo 的幅什由可控整流装置的控制角α决定， Uo 的频率由开关元件切换的频率来确定，而且受电源频率的限制。 在单相交－直－交变换器中，如果可控整流装置采用三相全控桥接法，需要 10 个晶闸管，如果要得到三相交流输出，只需增加两个开关元件即可。 １８ 图5－2 　交－直－交变频的工作原理图L 变频电源的选择 在变频调速系统中，变频器的负载通常是异步电动机，无论它处于电动还是发电状态，功率因数都不会等于 1。 因此，在直流环节和电动机之间将有无功功率流动，所以必须在直流环节和负载之间设置贮能元件，以缓冲无功能量，根据无功能量的处理方式，变频电源分为电压源和电流源两种。 电压源（亦称电压型）变频器是在中间直流环节中并联大电容以缓冲无功功率，如图 5－ 3（ a）所示，从直流输出端看，电源具有低阻抗，因此，输出电压波形接近于矩形波，属于电压强制方式。 整流逆变 逆变整流（a)电压 型变频器（b)电流 型变频器图5－ 3　变 频器 电流源（也称电流型）变频电源是在中间直流环节中串以大电感吸收无功功率， 如图 5－ 3（ b）所示，从直流输出端看，电源具有高阻抗。 因此，输出电流波形接近 １９ 于矩形波，属于电流强制方式。 在本课题中，我匀利用 SLE4520进行变频调速产生的 SPWM波调制技术，故我们通常选用电压源变压器。 其输出电压波形为矩形波。 （一） 整流器的说明及二极管的选择 图 5－ 4为三相桥式整流电路及其波形 负载D1D2D3D4D5D6VW ω tω tω t图5－4　(a)　三相桥式电路　　（b)三相桥式电路电压波形（b) 在波形图中， WT1－ WT2范围内， R相电压为最大值，面 S相电压为最大负值，线电压 URS此时最大。 因此，整流元件 D1与 D4受 URS正向阳极电压作用而串联导通，其通路为： A－ VD1－ VD4－ B，其它整流元件受反向电压作用而不导通，整流输出电压为线电压 URS，在 WT2－ WT3范围内， R相仍然为最大值，而 T相电压变为负相最大值，线电压 ２０ UR7最大，因此，整流元件 VD1与 VD6串联导通，其通路为： A－ VD1－ RFZ－ D6－ C，其它整流元件受反向电压作用不导通，整流输出电压为线电压 URT同理，在 各期间内整流元件导通情况归纳如下： WT1－ WT2 URS最大 VD1与 VD4导通 WT2－ WT3 URT最大 VD1与 VD6导通 WT3－ WT4 UST最大 VD3与 VD6导通 WT4－ WT5 USR最大 VD3与 VD2导通 WT5－ WT6 UTR最大 VD5与 VD2导通 WT6－ WT7 UTS最大 VD5与 VD4导通 在整流的 WT1－ WT2其间，由上图可知，二极管 VD1与 VD4 导通，而 VD2不导通，承受反向电压，此时 VD2的阴极接在 A点， VD2的阳极通过 VD4接到 B点，在 VD4正向导通时，内压降很小，所以加在 VD2上的反向电压基本上等于 R，S 间的电压 URS，同理分析出其他范围内不导通元件承受的反缶压降均为两相间的线电压，其反向峰值电压为： UDMAX＝ UUMAX＝ 取 UDMAX＝ 540V 但是从富士公司 R系列 IPM的资料及我们选用的 IPM来看， *220*=618V的UDMAX对于 6MBP015RA060来说是太大了，因为其最高主电压不能超过 400V，但是考虑到我们所做的系统容量并不大，为节约成本（ 600V 与 1200V 的 IPM 从价格上来说是差 得比较大的，且 1200V 档的无容量很小的模块――最小的也是 75A 级的，这样价格就差得更大了，且 75A的用在我们的设计中无疑是非常浪费的），故采用单相桥式整流电路。 其 UDMAX＝ 220*= 滤波器件的说明及选择 从整流电路的分析中看出，经整流出来的电压不是纯直流电，而是一个交流成分与直流电压叠加而成的脉动直流电压，由于脉动大，产生杂音或使信号严重失真，影响通信质量（传支质量），所以必须加滤波器进行滤波。 一般情况下，滤波电容 C越大，放电时间常数 RFC就越大，脉动成分就越小，但也不能将 C 取太大，这容易导致调速动态响应变慢，所以一般取 RFC≥（ 3~ 5） T/2JF，整流波形就比较平滑，基本上可满足负载的脉动要求，故电容器的选择为： Rfc ≥ 2)5~3( T T为电源电压的周期 C≥（ 3～ 5） 2T Rf  0 C≥ ２１ 故滤波电容器选择 500UF (四 )逆变器件的选择 一． 用 SLE4520很容易与微处理器（包括单片机）结合组 成大功率数字化变频器的控制器。 该控制器的最高时钟频率国 12MHZ，正弦波输出频率 0~2600HZ开关频率从 1KHZ以下到 20KHZ以上，这些频率指标可满足逆变器中主回路开关元件 GTO、 GTR、 IGBT、或功率 MOSFET等不同需要。 而对于上述主回路开关元件， GTO跟普通晶闸这、管一样，一旦导通即能在导通状态下自锁，上一种必须依靠门极电流的极性变化来改变通断的晶体管，关断 GTO的反向门极电流通常须达到阳极电流的 1/4~1/3，因而关断控制较易失败，故较复杂，工作频率也 不够高，而几乎与此同时，大功率晶体管（ GTR）迅速发展了起来，使 GTO 晶闸管相形见拙，因此，在大量的中小容量变频器中， GTO晶闸管已基本不用。 GTR与 GTO相比较虽有关断控制容易的优点，但因其是用电流信号进行驱动的，所需驱动功率较大，故基极驱动系统比较复杂，并使工作频率难以提高。 MOSFET 具有工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，驱动简单等优点，但它在提高击穿电压和增大工作电流方面进展较慢，故在变频器中的应用尚不能居主导地位。 IGBT是 MOSFET和 GTR相结合的产物，是栅极为绝缘栅结构（ MOS结构 ）的晶体管，其基本结构，等效电路和图形符号见图 5－ 5 IGBT 的基本结构是在 N 沟道 MOSFET 的漏极（ N﹢基板）上加一层 P﹢基板（ IGBT的集电极）形成四层结构，由 PNP－ NPN晶体管构成 IGBT，它的开关作用是通过加正向极电压来形成沟道，给 PNP晶体管提供基极电流，使 IGBT开通。 反之，如给门极施加反向门极电压，沟道消失，流过反向基极电流，使 IGBT关断。 IGBT具有 MOSFET的工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，驱动简单的优点，也具有 GTR的阻断电压高，载流能力强的特点，并且没有 GTR固有的二次击穿 问题，安全工作区宽。 而且还具有不用缓冲电路，开关频率高等优点。 IGBT的这些与 GTO、 GTR、 MOSFET相比较来说，具有更大的优越性，所以在本设计课题的主回路开关元件中选择 IGBT。 IGBT要有相应的驱动电路及保护电路，而 IPM模块是集成 IGBT，驱动电路及保护电路的器件，有利于简化系统电路故在小容量的系统中应用较多，而我们所设计的也正是小容量系统，为简化电路，故采用 IPM模块，但其有价格较高的缺点。 二 .IPM模块的介绍 智能电力模块是电力集成电路的一种，有时也称为智能集成电路。 在电力电子变流电路中 ，电力电子器件必须有驱动电路（或触发电路），控制电路和保护电路的配合，才能按人们的要求实现一定的电力控制功能，以往，电力电子器件和配套控制电路是分立器件或电路装置，而今半导体技术达到了可以将电力电子器件及其配套控制电路集成在一个芯片上，形成所谓的功率集成电路，可以做成多种功率器件及其控制电路所需的有源或无源器件，比如功率二极管、 GTR， IGBT，高低压电容，高阻值多晶硅电阻，低阻值扩散电阻以及各种元器件之间的连接等。 这种功率集成电路特别适应于电力电子技 ２２ 术高频化发展方向的需要，由于高度集成化，。