用于异步电动机调速的通用变频器设计.doc

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1、目录一、本次设计方案简介11.1 变频器主电路方案的选定11.2 系统原理框图及各部分简介21.3 比恒定控制31.4 选用电动机原始参数8二、变频器主电路设计9 2.1 主电路的工作原理92.2 主电路各部分的设计112.3系统主电路参数计算与元件选择13三、系统控制电路设计183.1为SPWM波生成方法183.2 驱动电路设计193.3保护电路设计203.4电源电路设计273.5控制系统的实现30四、总结32五、参考文献33一 本次设计方案简介1.1 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

2、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1/31/2,所以不能高速运行。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

3、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

4、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-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以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，虽然电流型变频器可以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可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用交-直-交的电压型变频器。如图1.1所示：图1.1 交-直-交电压型变频主电路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1.2所示：图1.2 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

5、，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。它可以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，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SA4828，控制电路的主要

6、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。1.3 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。控制是目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

7、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 (1-1) 另外，电机的电磁转矩为: （1-2）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（1-1）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(（1-2）)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

8、,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(1-1)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，就可以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： (1-3) 式中: -定子相电压； -定子电阻； -定子阻抗； -定子电流变频后的机械特性如图1.3所示: 图1.3 电动机低于额定

9、转速方向调速时的机械特性从图2.4中可以看出，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，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但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可以如下解释：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

10、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

11、的压频比控制特性示于图1.4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1.4 压频比控制特性曲线补偿后的机械特性曲线如图1.5所示：图1.5 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，频率可以从额定频率向上增高，但是电压却不能超出额定电压，由式（1-1）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1.6所示：图1.6 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，曲线不仅临界转矩下降，而且

12、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，所以，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1.7所示：恒转矩调速恒功率调速图1.7 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，所以仍按比恒定控制就不

13、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。1.4 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：；额定电压：；额定电流：功率因数：cos=0.827；效率：；额定频率：50Hz；二、变频器主电路设计2.1 主电路的工作原理 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

14、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以及能耗制动电路。其结构如图2.1所示。图2.1 系统主电路原理图2.2、主电路各部分的设计1.交直电路设计 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

15、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15KW的三相交流电动机，其额定电流为32.78A，额定电压为380V，额定频率为50HZ。整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块。(2) 整流器件的一般选择原则1） 最大反向电压 (21)式中是电源线电压的振幅值 2) 最大整流电流 (22)式中为变频器的额定电流 3) 整流输出的平均直流电压 如果电源的线电压为，则三相全波整流后平均直流电压的大小= (23)2.中间直流电路 它包括吸收由整

16、流器、逆变器回路产生的电压脉动的滤波电路（也称储能回路）以及限流电路。（1）滤波电路 由于整流电路输出的整流电压中含有6倍电源频率的脉动直流电压，而逆变器采用PWM控制方式（由逆变器同时完成VVVF）,要求中间直流电路是电压源型, 所以一般采用电容器滤波。中间直流电路除起滤波作用外，还必须在整流器与逆变器之间起耦合作用，以消除相互干扰，这就要求给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。可见，中间直流电路的电容除起滤波作用外，还起储能作用，因而它的电容量必须较大，所以，又称储能电容器。本课题中使用两个大电容器、；又由于电解电容的电容量有较大的离散性，故电容器、电容量不能完全相等，这将使它们承受的

17、电压和不相等，为了使和相等，在和旁各并一个阻值相等的均压电阻和。 （2）限流电路 图2.1中，串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻和可控硅组成的并联电路。1) 限流电阻 变频电路在接入电源之前，由于储能电容较大，滤波电容上电压=0，故接入电源瞬间势必产生很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，此时很大，可能使整流桥受到损坏；也可能使电源瞬间电压下降，形成干扰。为限制该冲击电流，有必要在整流桥的输出端和滤波电容器之间串入一个限流电阻。2)可控硅 当电路正常工作是，如将此限流电阻长时间接在电路中，会引起附加损耗和整流输出直流电压以及逆变器输出电压的不稳定。所以，当电容两端的电压增加到额定电压的70

18、%时，触发可控硅，将电阻切除电路，并使一直处于导通状态。触发可控硅的电路可设计如图2.2所示。图2.2可控硅触发电路图中，通过调节来设定基准电压。并同主回路P点电压相比较，当P点电压高于基准电压时，比较器LM331输出高电平，在通过光耦TLP741进行隔离放大，使导通。3、直交变换电路（1）.逆变器 其功能是把直流电压逆变成频率可调的交流电压。在图2.1中，有开关器件构成的电路。的器件接受控制电路中的PWM调制信号的控制，将直流电压逆变成三相交流电压。本设计中，采用了由开关元件IGBT构成的三相桥式逆变电路，由于IGBT具有GTR的大容量和MOSFET的开关动作快、驱动功率小等优点，发展很快，

19、备受青睐，在电机控制和开关电源领域中有着广泛的前景。（2）.续流电路 由图4中的构成。其功能为1)为电动机绕组的无功电流返回直流回路时提供通路；2)频率下降，从而同步频率下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路。 3)为电路中的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。4.能耗制动电路 在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减下频率来实现的。这时，从电动机的角度来看，电动机处于再生制动的工作状态；从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频主电路的直流环节中被消耗掉了。归根结底，是通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。为此，在

20、系统电路中设计了由VE、RE、VDE组成的放电回路，以免过高的直流电压使各部分器件损坏。5 指示电路电源指示灯HL，除了表示电源是否接通以外，还有一十分重要的功能，即在变频电路切断电源后，指示滤波电容是否放电完毕。由于和的容量较大，而切断电压又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以，电容没有快速放电的回路，其放电时间长达数分钟。由于上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。2.3系统主电路参数计算与元件选择由图2.1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。根据前面所给出的原始参数，主电路各部分的计算如下：1.

21、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 (24)2)流过二极管电流有效值 (25)3)二极管电流定额 (26)4)二极管的电压定额 = (27)根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电、雷击等因素，实取。(2).元件选取根据上式确定的电压、电流定额，选择二极管模块MOD1、MOD2, 型号为：6RI30G-120，即（60A,1200V）。2.滤波电容的选择(1)参数计算当没有滤波电容时，三相整流输出直流电压为 (28)加上滤波电容后，的最大线电压可达到交流线电压的峰值 (29)2. 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

22、容的容量是从限制电压波动的角度来选择的，因此，选用两个电解电容器相串联，总耐压值为，电容量为。电容器的均压电阻取。3.开启电源限流电路的参数选择图2.1中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,故需加电阻来限流,实际上当电容充电时, 和、构成的回路是一个典型的一阶惯性环节，其时间常数；故在零初始状态下，电容上电压的相应方程式为: (210)当t=4T时，故可选取充电时间为t=4T=。假若要求充电时间，那么 (211)故上消耗的功率为： (212) 实际上，假若不是经常性的冲放电时，的瓦数可选小一些，以减小设备的体积。实选开启限流电阻为：。4.直

23、流回路短路过电流保护1) 输出直流电压 (213)式中，为安全系数，一般取1.1；1.1为波动系数。2) 额定状态下，直流侧的功率，不计逆变器的损耗和电机的谐波损耗，有 (214)3) 直流电流平均值 (215)4) 整流器交流侧输入的电流有效值可近似为 (216)5) 熔断器的额定电流为 (217)所以，实选熔断器熔体额定电流为40A，型号为：NH000。5交流电源侧保护元件参数选择（1）交流侧过流保护快速熔断器熔体的额定电流为 (218)其中，是与负载的过载倍数以及整流模块的安全裕量有关的系数，考虑到，取=1.9，所以有 =，故实选熔断器额定电流为50A。静电感应过压抑制电容取为（经验选取

24、）。进线电抗L的电感量 按下面的经验公式计算 (219)式中，与变频器容量相当的整流变压器的短路比，100以下的一般取为5，将，代入上式得 故实选进线电感量220，额定电流为50A(交流)或饱和电流为75A(饱和电流考虑了1.5倍在要求)。6.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集电极电流计算公式为 (220)式中，电

25、机过载倍数，一般小于2.7,电机额定电流则=考虑安全裕量，实取200A。（2）IGBT的耐压值IGBT关断时的峰值电压为: （321）式中，1.15为过压保护系数，为安全系数，一般取1.1，150由引起的尖峰电压。令，并向上靠拢，IGBT的实际电压等级应取1200V。三 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，主要包括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），系统过压、过流、以及泵升电压的保护等。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提供各种控制信号，以使主电路安全、可靠的工作。3.1为S

26、PWM波生成方法图3.1 SPWM波生成方法采用模拟电路的优点是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。缺点是电路所用硬件较多，改变参数和调试比较困难。若用单片机直接产生SPWM信号，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。对于调速精度、调速方式要求较高的交流异步电动机，可以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；对一般交流电动机的变频调速，可以直接采用三相SPWM调制信号专用芯片构成调速系统。在本设计中选用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片，

27、可以和单片机接口，完成对交流电动机的变频调速。3.2 驱动电路设计驱动电路是将控制电路产生的PWM信号加以隔离、放大，形成驱动各开关器件开关信号动作的电路。它将逻辑电平的控制电路与可驱动6个IGBT的高/低侧开关电路元件相连接，驱动电路因开关器件的不同而异。在本设计中，选用的开关器件是IGBT,它是电压驱动型开关器件，要求电路驱动速度要快，同时考虑到功率变换电路拓扑结构上的要求和抗干扰能力的要求。各功率开关器件之间以及控制电路和功率主电路之间，需要进行电隔离，所以采用了脉冲变压器耦合进行隔离。其电气原理图如下所示。图3.2 系统驱动电路电气原理图1.电路组成：1)CD40106和D触发器构成高

28、频载波发生器(4MHZ方波)； 2)：脉冲变压器； 3)、组成解调电路； 4)7555组成施密特触发器，对信号整形； 5)、组成推挽输出及实现电压跟随、电流放大，驱动IGBT开通、关断。2.工作原理CD40106和、构成多谐振荡器，输出8MHZ的脉冲序列，经D触发器二分频，在Q、端分别得到互补的4MHZ方波，与门、打开，、互补通断，脉冲变压器推挽工作，组成全桥整流，在解调电容上得到一个平滑的直流电平。、为储能电容，在推挽工作时，一方面传递PWM信号，另一方面把原边电源能量传到副边，存储于电容中，用于芯片7555工作和驱动IGBT。7555组成施密特触发器，对信号进行整形。这是由于解调电路、是由

29、惯性环节组成，虽然其时间常数较小，但仍造成解调以后信号的上升沿和下降沿速度变慢，经整形后，信号的上升沿和下降沿明显加快。其另一个作用是反向，使驱动信号和控制信号同向。为高电平时，P点为低电平，推挽放大器导通，电容的电能经、向IGBT门极充电，IGBT导通。当PWM信号为低电平时，与门、关断，停止工作，解调电容经放电。使为零，P点为高电平，7555输出低电平，导通，IGBT门极经放电而关断。的作用是阻止储能电容的能量向释放，为开关加速环节，选用7555是因为CMOS的功耗小。3.3 保护电路设计设计保护回路，其目的是检测主回路的电压、电流等。当主回路发生过载、过压等异常时，停止电路元件工作或抑制

30、其电压、电流值，以防止逆变器件和交流电动机损坏。本设计主要针对逆变电路和电动机常出现的故障，系统设置了泵升电压保护、过（欠）压保护、过流保护、过热保护等。3.3.1 泵升电压保护回路设计1产生原因在主回路中，直流电源电压两端并联较大容量的电解电容器、，它除了可以减小直流电源电压的脉动外，还可以作储能用。由于逆变器直流侧采用三相不可控整流，交流电动机减速或停车时，存储在电动机转子和负载中的机械能不可能回馈给电网；因此，电流必须经过逆变器中IGBT外部并联的续流二极管反馈至中间直流电路，对电容充电，由于电容的容量有限，充电将使C、端电压升高，形成所谓的“泵升电压”。 Ud U Ud 图3.3 泵升

31、电压现象2.泵升电压保护电路如上所述，发生泵升电压是电动机制动过程中不可避免的现象，如果不对此电压进行限制，将会造成IGBT的永久性损坏，为此，需要在主电路中并联制动电路起保护作用。如果采用再生制动方法，则会使变频主电路结构和控制系统复杂，所以，一般采用能耗制动的方法。本课题选用由、组成的制动电路，图3.4是泵升电压保护电路的电气原理图。其工作原理为：比较器LM311同相端接P点的电压检测信号，反向端接电位器。是用来取泵生电压保护动作的基准电压。电容的作用防止干扰信号引起的误动作；、是泵生电压的放电支路。当检测到主回路P电压高出额定值的15%时，比较器LM311输出一个高电平，使导通，从而将逆

32、变器部分回馈能量转化为热能释放掉，即消耗在电阻上，这样电机就可以在四象限运行，而不会损坏逆变器桥臂上的开关器件IGBT。图3.4 泵升电压保护电路3.3.2 过（欠）压保护回路设计a 过压保护电路 1. 产生原因及危害1) 电网输入电压长时间过高；2）减速过快，引起泵升电压过高，当超过IGBT的安全工作电压时就可能造成开关器件的损坏；3）我国电网电压的线性度较差，在重负载时，线电压通常小于380V，而在用电低谷期时，线电压高达440V,如此大的电压变化范围，会导致直流回路过电压，同样会损坏IGBT。 2. 过压保护回路 设计的过压保护电气原理图如图3.5所示直流电压保护信号取自主回路滤波电容器

33、两端，经电容器分压后获得，为防止高压信号进入控制电路，采用光电耦合电路，直流电压保护动作限定在670V以上。3.工作原理 正常情况下，采样电压小于给定电压，比较器输出低电平，经反向器CD4090输出高电平，指示灯不亮。当故障发生时，采样电压经与非门CD4090输出低电平，过压指示灯LED1亮，同时，过压信号经与非门74HC30输出信号SET，送至锁存器74HB66封锁驱动脉冲输出。图3.5 过（欠）压电路原理图b欠压保护电路 从IGBT的特性可知，当电源电压低时，会因其驱动功率不足而造成元件的损坏；同时逆变器直流侧大电容两端出现欠压时，也应立即关闭逆变器，否则也会导致IGBT器件永久性损坏，不

34、能保证交流电动机永久性工作。1欠压产生原因1) 输入交流电压长期低于标准值的70%以下，或发生缺相、断相；2) 电容不足或电容损坏。2欠压保护电路 原理图如图3.5，欠压检测采用中间直流采样，即在大电容两端P、N两点采样，这样既能在真正欠压缺相时，检测出信号，进行保护，又不至于因短时间欠压并未构成危险时而保护误动作，提高了高频电路的抗干扰能力和运转可靠性。3工作原理（同过压保护电路）3.3.3过流保护回路设计1产生原因及危害过流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作特性和运行安全，而且影响到整个系统的性能和安全。它包括短路和过流保护两种，控制回路误动作或误配线等都会造成逆变器上、下桥臂直通等

35、短路事故。短路电流流过逆变器的开关器件，会使元件烧坏，因此，必须在很短的时间内（12）封锁PWM驱动信号输出，使逆变器停止工作，同时，还应使输入侧电源开关跳闸。短路电流的整定值一般为逆变器输出额定电流的200%300%，超过逆变器额定电流200%以上的电流应立即采取保护措施。当逆变器内部发生短路时，电流变化非常大，因此必须快速检测出过流信号。一般采用霍尔元件快速检测电流，其检测点可设置在中间直流母线、逆变器输出电路或IGBT开关器件上。2. 过流保护电路过流保护电路原理如图3.6所示，过流信号来自霍尔元件对逆变器三个桥臂上IGBT元件上电流的采样（采样时间为）。3. 工作原理当在某一桥臂上发生

36、过流时，比较器LM319()输出高电平，经反向器CD4049()输出低电平，指示灯LED3亮，显示故障，经与非门74HC30输出高电平，关闭驱动电路，同时继电器动作，断电。中间继电器的触点可连接在电源侧，使主电源掉闸关断，切断后面装置和主电源的联系，从而保护电路图3.6 过流保护电路电气原理图3.3.4过热保护回路设计1. IGBT散热及过热保护要求 当逆变器输出电流供给交流电动机工作时，功率开关器件IGBT本身也要消耗功率。其消耗的功率主要包括通态损耗和开关损耗，其结果使基板温度和工作结温上升。图3.7为IGBT耗散功率P与模块基板温度的关系曲线；图3.8为IGBT集电极电流与模块基板温度的

37、关系曲线。可以看出随着IGBT基板温度的上升，IGBT的耗散功率和集电极电流急剧下降。因此其最高基板温度不能超过，否则工作结温会超过，造成管子的过热烧坏。为了能使IGBT稳定可靠工作，必须采取适当的散热措施，加强IGBT过热检测保护。图3.7 IGBT耗散功率与基板温度曲线 图3.8IGBT集电极电流与基板温度曲线2.散热器设计IGBT满负荷工作时，将产生较高的功率损耗密度。散热器设计要求将IGBT功耗转化为热量迅速而可靠地从基板传送到散热器上散掉，确保IGBT的最高工作结温不超过最高允许温度150。散热能力越强，器件所承受的功率就越大，而器件的散热能力取决于它的热传导特性。设计散热器时，通常

38、需要用到以下几个表达式。 (3-1)式中：Q总热阻；基板结温与环境温度之差；P器件的功耗。外加散热器后，总热阻Q包括以下几个部分：Q= (32)式中：结到基板的热阻； 基板到散热器界面的热阻； 散热器到周围空气的热阻。器件所允许的功耗为： (33)式中：器件的结温； 周围环境温度。本设计中选用的是IR公司生产的IGBT,型号为IRLDT150M12，模块单管封装形式，其主要参数数据如下： ；。由于IGBT开关时间短，驱动电流小，故开关损耗和驱动损耗可忽略不计，另外，断态损耗也可忽略不计，所以，IGBT的功耗主要由通态损耗来确定，即 温差为： (34)故总热阻为： = 忽略则散热器热阻= 所以，

39、可选散热器型号为：RK04A风冷板型热管散热器，热阻为：0.035.3.过热检测电路设计 （1）过热检测电路 散热器的设计是保证IGBT在正常情况下可靠工作的关键，但如果周围环境极度恶劣或IGBT功耗较大时，会引起散热器温度升高，同样会造成IGBT过热损坏。为防止正常情况下不烧坏IGBT器件，需要在控制电路中加入过热保检测护电路，其电气原理如图3.9所示。图3.9过热检测保护电路电气原理图（2）工作原理 把温度系数为正的热敏电阻作为检测元件，将其安装在IGBT器件与散热器之间。随着IGBT器件与散热器温度升高，热敏电阻阻值增大，A点的电压逐渐升高，而与电压比较器反向端B点上的电压固定为+5V；

40、当IGBT或散热器温度高于某一预定值（对于IGBT结温允许设定值）时，A电位高于B点电位，电压比较器输出呈高阻状态，因此，E点为高电平，T管导通，发光二极管的过载指示灯亮，同时，F点也为高电平，而IGBT的驱动封锁信号高电平有效，从而封锁驱动信号，使IGBT关断；反之，当IGBT或散热器温度低于某一预定值时，A点电位低于B点电位，T管不导通，发光二极管的过载指示灯不亮，F点为低电平，IGBT正常工作。3.4电源电路设计3.4.1直流稳压电源的原理结构系统的直流电源是为控制电路中给定信号、各种集成芯片提供工作电压。本设计中用到的有(0.7A)、(1A)、 (1A)三种直流稳压工作电源。直流稳压电

41、源可以利用三端固定输出电压集成稳压器来实现。它有两个系列，其中系列输出正电压，系列输出负电压。使用稳压器时，为保证稳压性能，输入与输出间电位差应为23V。该直流电源主要由电源变压器、桥式整流电路、电容滤波电路、和系列集成稳压器以及保护电路环节组成。系统设计的直流稳压电源的电气原理图如图3.10所示。图3.10 系统直流电源电气原理图3.4.2元件选择1.电源变压器通常根据变压器副边输出功率来选购（或自绕）变压器。对于容性负载，变压器副边的输出电压与稳压器输出电压的关系为：，在此范围内，越大，稳压器的压差越大，功耗也就越大。一般取副边电压，副边输出电流的有效值。表1 与间的一般取值（V） 5.0

42、9.012.015.024.0（V）9.012.015.018.027.02. 整流二极管整流二极管的反向击穿电压应满足： (34)其额定工作电流应满足： (35)所以，对直流电源， 二极管的耐压值，0.7A，考虑到一定的裕量，实选电压30V，电流1.0A； 对直流电源，二极管耐压值，1A，考虑到一定的裕量，实选电压25V，电流1.5A； 对直流电源，二极管耐压值，1A，考虑到一定的裕量，实选电压15V，电流1.5A。3滤波电容器 对于滤波电容器的选择，一般需要考虑以下几点：1）整流二极管的压降；2）和最小允许压降；3）电网波动的10%。 综上考虑，滤波电容器C的选择可由下式估算： (36)式中，稳压器输入端纹波电压的峰-峰值； 电容C放电时间常数，=T/2=0.01s； 电容C放电电流；可取，滤波电容C的耐压值应大于。所以，对直流电源，稳压器输入端纹波电压的峰-峰值为