SPWM变压变频调速控制系统设计79447

SPWM变压变频调速控制系统设计

一、课程设计目的

掌握交-直-交电压源型变频器的结构组成和工作原理，掌握变频器的主电路、控制电路、驱动电路以及保护电路的设计方法，掌握变频器主要元器件的选型方法。

二、设计内容、技术条件和要求

设计交-直-交电压源型三相SPWM变频器，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由6个电力晶体管GTR和6个续流二极管组成，并由8051和大规模集成电路HEF4752组成SPWM变压变频调速系统的控制电路。

基本设计参数：

异步电动机额定功率11kW，额定电流22A，线电压380V，允许过载倍数=1.5，泵升电压U s=150V，逆变器输出频率范围4~60Hz，额定输出频率50Hz，负载功率因数cos≥0.5，负载引起直流电压脉动百分比K≤5%，U in(max)=10V，设计任务：

1.设计主电路：选择GTR开关管和滤波电容参数；

2.设计控制电路：采用大规模集成电路HEF4752，并设f smax=1000Hz，计算

8253分频系数；

3.设计驱动电路：采用分立元件或集成电路模块均可；

4.画出系统主电路图、控制电路图、驱动电路图、保护电路图（过压保护

和过流保护二选一）；

5.写出设计心得体会。

三、SPWM调速系统基本原理

PWM的原理，就是面积等效原理，在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DC－DC变换），后者主要应用于PWM逆变（DC－AC变换）。PWM 脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称同步转速，记为n 实际电动机转速n要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为：

n1=60f1/np

其中1n 为同步转速(r/min) f 1为 定 子 频率，也就是电源频率

(Hz); np 为 磁 极 对数。 异步电机的轴转速为 n=n1(1-s)=60f1(1-s)/np

其中s 为异步电机的转差率, 由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。由电机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为 E1=4.44f1n1φm .其中E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V), f1为定子频率(Hz), n1为定子每相绕组匝数，φm 为极磁通里(Wb)。由上式可见主磁通中.是由E1和f

1。共同决定的，如果保持E1和f1之比不变，就可以保持主磁通不变。 主电路设计

1) 主电路功能说明

主电路为AC/DC/AC 逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。 二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流电阻，其上的电压波形反映了主回路的电流波形，可以用来观察波形。C1为滤波电容。可逆PWM 变换器主电路系采用IGBT 所构成的，IGBT (V1、V2、V3、V4、V5、V6）和六个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6）组成的双极式PWM 可逆变换器。经变换器逆变，可将直流电源变成稳定的或可变的交流电源。 2) 主电路设计

整流器

本课题中的整流器是使用六个二极管组成，它把工频电源变换为直流电源。 该电路整流输出接有大电容，而且负载也不是纯电感负载，但为了简化计算，仍可按电感计算，只是电流裕量要可适当取大些即可。 平波电路

在整流器整流后的直流电压中，含有6倍频率的脉动电压，此外逆变变流 器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉 动电压（电流）。在滤波电容选择时，C1一般根据放电的时间常数计算，负载 越 大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000μF 以上.

逆变器

逆变器的作用是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。 3) 主电路电路图

M 3~

AC~

C1x3

R1

K1CT1

R2

R3

+P

-N

U PN

VT7

R4D7

C3

VT1

VT2

VT6

VT4

VT5

VT3

图1 主电路电路图

主电路采用了交—直—交变频器，工作原理即：先将工频交流电源通过整流器变换成直流电，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流

电，由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个

“中间直溜环节”，所以又称间接式变频器。它又分为电压源型和电流

源型两种，电压源型采用较大电容量的电容器进行滤波，直流电路电压

波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源，它在当前

中小功率变频调速系统中应用十分广泛。如下图3.2整流部分原理图

图2 交-直-交变频电源

整流部分原理图如图3，其中A，B，C是交流电输入端，接有熔丝，当出现电流过大时熔丝会自动熔断，起到保护整个电路的作用，在整流

电路入口还接有电容和电阻，能够起到抗干扰的作用，使得系统的性能

更加的稳定。

图3 整流部分原理图

4)IGBT的分立驱动的实现

IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题，设计时应注意以下几点：①、IGBT栅极耐压一般在±20V左右，因此驱动电路输

出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电

阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容Cin，从而影响开关速度，后者

的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。

②、尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容Cin，

开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。假

定开通驱动时，

在上升时间tr内线性地对MOSFET输入电容Cin充电，则驱动电流为Igt

＝CinUgs/tr，其中可取tr＝2.2RCin，R为输入回路电阻。

③、为可靠关闭IGBT，防止擎住现象，要给栅极加一负偏压，因

此最好采用双电源供电。

四、驱动电路设计

1)辅助电源电路设计

为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT，必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，HEF4752及