毕业设计（论文）交流电机变频调速控制

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1、天津工程师范学院成人教育毕业设计论文交流电机变频调速控制作者：摘 要：随着生产的发展，在机床功能增多及自动化程度提高的情况下，为了简化机械传动机构，又出现了机床主运动、进给运动、辅助运动等分别由不同电动机拖动方式，叫做分立拖动。此时，电气控制系统亦相应地进行了改进，除控制功能方面的基本要求外，还需要具有各电动机动作的配合、联锁、顺序、切换、协调、显示等性能，同时各种行程、时间、速度、度、压力、电流等基本控制线路已形成规范，而且机床电气控制技术本身也已形成了独立的体系。 变频调速器在工厂中的应用越来越普遍。但由于变频调速器是新型电控设备，许多工厂的电气技术人员对其认识不足，没有允分发挥变频调速器

2、的强大功能，对变频调速控制的设计过于繁琐，从而在一定程度上降低了变频调速控制系统的降低了变频调速控制系统的可靠性，甚至对电动机造成了一定的损害。工厂常见的变频调速电机系统控制电路设计为例，在对其认真分析讨论的基础上，提出了通用变频频调速电机驱动系统控制电路设计方案。自激振动是机械加工中经常出现且十分有害的现象它严重影响零件的加工精度和生产效率的提高。因此，抑制自激振动的方法相继出现。而变速切削方法以其易于实现、抑振效显著等特点显示其良好的应用前景。变速切削铣床就是利用这一方法设汁的一种新型机床，其中机床主轴时变转速的实现是变速切削铣床设计的关键，研制一套实现机床主轴时变转速的控制系统是变速铣削

3、方法得到实际应用的前提。目前变频技术已在轻纺、电力等工业领域广泛使用。但未见到将百毫秒年变频技术应用到切削加工领域。鉴于目前机床一般使用交流电机作为动力，且其在变转速情况下的耐热性、转矩(功率)与转速之间关系的研究已经成熟。故采用变频技术实现变速切削铣床的调速。关键词：铣床 变频 驱动 主轴Abstract:WiththedevelopmentoftheproductioninthemachinefunctionmoredynamicandHeadoftheimprovementofcircumstances,inordertosimplifythemechanicaltransmission

4、Institutions,thereisthemovementofamachinetool,feedcampaign,supportedbytheMovementofdifferentmotordrive,calledDragseparation.Atthistime,electricalcontrolsystemhasalsocarriedoutimprovements,inadditiontocontrollingthefunctionsofthebasicrequirements, frequency converter application in a factory more com

5、mon. However, due to frequency converter is a new electronic control equipment, electrical and many factories have sufficient understanding of its technical staff, not allowed to play a frequency converter at the power of the design of VVVF control is too complicated, so to some extent reduce the co

6、ntrol system Frequency Frequency control reduces the reliability of the system, and even caused some electrical damage. Common plant VVVF motor control circuit design of the system as an example, a careful analysis in its discussion on the basis of a common variable speed motor drive systems often c

7、ontrol circuit design. Is self-excited vibration in machining are often very harmful and it is seriously affecting the phenomenon of machining accuracy and production efficiency. Therefore, self-excited vibration suppression methods have emerged one after another. Cutting method and its speed is eas

8、y to implement, or vibration characteristics of a significant effect shows a good application prospects. Cutting speed milling machine is set up to use this method, a new juice machine, in which time-varying machine tool spindle speed is the speed of the realization of the key cutting machine design

9、ed to develop a set of time-varying realization of machine tool spindle speed control system is the actual speed milling method the premise of the application. Inverter technology has been present in the textile, electricity, etc. widely used in industrial fields. 100 ms but did not see the variable

10、 frequency technology was applied to the field of machining. General view of the current machine as a driving force for the use of AC motor and variable speed in case of heat resistance, torque (power) and the study of the relationship between speed ripe. Therefore, the use of variable speed inverte

11、r technology the speed cutting machine.xle一、系统框图本设计的系统框图如图11所示，它主要是由整流和逆变两大部分组成，而最重要的是逆变部份。在整流侧由转速调节器、电流调节器、触发电路等构成。它的目的是将三相交流电通过整流变成可调的直流电（在本设计中主要不是靠它来调整电压）从而对直流侧电压进行控制。在逆变侧由极性鉴别器、电压 频率转换电路、三角波、正弦波等电路构成。它的目的是将直流侧的直流电逆变成电压频率可以协调控制的交流电（在此该部分即要调整电压，还要调整频率），以供给负载。系统框图的确定可以给我们建立一个清晰的设计过程，它是设计电路的主要依据。图11

12、 系统框图二、主电路（一）、整流及逆变电路 （1）、整流电路整流电路由VD1VD6组成三相可控整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。整流电路因变频器输出功率大小不同而不同。功率小的，输入电源多用单相220V电源，整流电路为单相全波整流电桥；功率大的，输入电源一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。设电源的线电压为UL，那么三相全波整流后平均直流电压UD的大小是：UD=1.35UL。三相电源为380V时，整流后的平均直流电压是513V。、滤波电容CF整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。滤波电容CF的作用除了滤除整流后的电压波纹外，还在整流电路与逆变器之间起

13、藕合作用，以消除相互干扰，为感性负载的电动机提供必要的无功功率。滤波电容CF同时起储能作用，所以也叫储能电容。、限流电阻RL与开关SL由于储能电容大，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，所以当变频器接通电源瞬间，滤波电容CF的充电电流很大。过大的冲击电流会使三相整流桥损坏。为了保护整流桥，在变压器刚接通电源的一段时间里，电路串入限流电阻RL，限制电容的充电电流。当滤波电容CF充到一定程度时，令SL接通，将RL短接。图21 变频器主电路、电源指示HLHL处了指示电源是否接通外，还有一个功能，即变频器切断电源后，显示滤波电容CF上的电荷是否已经释放完毕。（2）、逆变电路、逆变管VD1VD6VD1

14、VD6组成逆变桥，把VD1VD6整流后的直流电，“逆变”成频率、幅值都可调的交流电。这是变频器实现变频的执行环节，是变频器的核心部分。常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管（IGBT）、大功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应管（MOS-FET）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等。、续流二极管VD7VD12 续流二极管VD7VD12的主要功能如下：A、电动机的绕组是感性的，其电流具有无功分量。续流二极管VD7VD12为无功电流返回直流电源提供“通道”。B、当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管VD7VD12返回直流电源。C、VD1VD6进行逆变的基本工作过程：

15、同一桥臂的两个逆变管，处于不停的交替导通和截止的状态。在交替导通和截止的换相过程中，需要续流二极管VD7VD12提供通道。、缓冲电路不同型号的变频器，缓冲电路的结构也不尽相同。图21是比较典型的一种，其功能如下：逆变管VD1VD6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极间的电压UCE由近乎0V迅速上升至直流电压值UD。这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01C06的功能就是降低VD1CD6在每次关段时的电压增长率。VD1VD6每次由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，C01C06上所充的电压将向VD1VD6放电。此放电电流的初始值是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致VD

16、1VD6的损坏。因此R01R06的功能就是限制逆变管在接通瞬间C01C06的放电电流。但是，R01R06的接入，又会影响C01C06在VD1VD6关段时降低电压增长率的效果。当VD01VD06接入后，在VD1VD6的关段过程中，使R01R06不起作用；而在VD1VD6的接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01R06。（2）、制动电路和制动单元、制动电阻RB电动机在工作频率下降过程中，异步电动机的转子转速将超过此时的同步转速，处于再生制动状态，拖动系列的动能反馈到直流电路中，使直流电压UD不断上升，电压太高，对变频器的元器件形成危害。因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使UD 保持

17、在允许范围内。制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。、制动单元VTB制动单元VTB由大功率晶体管GTR及驱动电路构成。其功能是控制流经RB的放电电流IB 2、变压器（1）、整流变压器在本设计中一共用了2个整流变压器包括了4组不同的电源。分别为12、15V、+24V、以及38V。在输出的直流电源中分别采用桥式整流，在通过电容器进行滤波，滤波后再通过三端稳压器进行稳压，最后再用电容器进行滤波。它们的输出用于部分电路的工作电压。（2）、同步变压器本设计中一共用了2个同步变压器，其中1个三相变压器用于六路脉冲的三相电源的输入，而另一个变压器输出2组不同的直流电。分别为15V、+24V。它们的整流、滤波

18、、稳压等过程与整流变压器的一样，输出用于六路脉冲的工作电压。（二）、晶闸管 1晶闸管的简介晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流管（Silicon Controlled Rectifier SCR）由于通过它的单相电流可以很大，且能够采用弱电信号控制其开通，因而，它自1957年问世以来，在电力电子技术领域得到广泛运用。到了20世纪80年代，晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控器件所取代，但是由于晶闸管能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场所仍然是不可缺少的。晶闸管器件系列包括：普通晶闸管、快速晶闸管（FST）、双向晶闸

19、管（TAIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。通常所说的晶闸管往往就是普通晶闸管。 2晶闸管的结构 晶闸管的内部是PNPN四层半导体结构，它形成三个PN结（J1，J2，J3），并对外引出三个电极，三个电极分别为：阳极A（Anode）、阴极K（Cathode）、门极G（Gate）。 晶闸管的外部结构有封装式、螺旋式、平板式、模块式和集成封装等结构。如同功率二极管一样，200A以下的晶闸管常采用螺旋式结构；200A以上的晶闸管常采用平板式结构。模块式有单器件模块和3.6个器件模块等形式。大功率晶闸管使用时必须安装散热器，其冷却方式有自冷、风冷、水冷等形式。 晶闸管的结构和电气图形

20、符号见图22图22 晶闸管的结构和电气图形符号 3晶闸管的工作条件 （1）、晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受和种电压，晶闸管都处于关短状态。 （2）、晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 （3）、晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。 （4）、晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。从晶闸管的内部分析工作过程：晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。当晶闸管承

21、受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。 设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0, 晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和： Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0 若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia

22、+Ig 从而可以得出晶闸管阳极电流为I=(Ic0+Iga2)/（1-（a1+a2）（XXX）式 硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（XXX）中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流IaIc0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅

23、速进行。从图3，当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2） 1时，式（XXX）中的分母1-（a1+a2） 0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。 式（XXX）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2） 0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。 在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流 Ia 减小到维持电流 IH 以下时，由于 a1 和 a1 迅速下降，当 1-（ a1+a2 ）0 时，晶闸管恢复阻断状态。 4晶闸管的主要参数 （

24、1）、额定电压UTn 当IG=0时，晶闸管处于额定结温时，使阳极漏电流增加的阳极电压称为正向不重复峰值电压UDSM，同理URSM称为反向不重复电压。而取0.8UDSM=UDRM称为正向重复峰值电压，0.8URSM=URRM称为反向重复峰值电压。晶闸管的额定电压UTn则取UDRM和URRM中较小值再靠近标准电压等级所对应的电压值。由于瞬间过电压也会造成晶闸管损坏，因而选择管子的额定电压UTn应为晶闸管可能承受正常工作时最大峰值电压UTM的23。 （2）、额定电流IT（AV） 额定电流IT（AV）是指在环境温度为+40C和规定的冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相、工频（50HZ）、正弦半波（导通

25、角不小于170）的电路中，结温稳定在额定值时所允许的通态平均电流。 值得注意的是，晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算，然而实际应用中限制晶闸管最大电流的是晶闸管的工作温度。晶闸管的工作温度却主要由电流的有效值所决定，因此需将额定电流IT（AV）换算成额定电流有效值ITn。根据晶闸管IT（AV）的定义，设流过管子的正弦半波电流的峰值为Im。依据电流平均值、有效值的定义有（导通角不小于170），则： 额定电流 IT（AV）电流有效值 ITn现定义电流有效值与平均之比为电流波行系数。则管子的电流波行系数为kf该试表明

26、额定电流为IT（AV）的晶闸管可以通过ITn=1.57 IT（AV）的正弦半波有效值。 （3）、通态平均电压UT 指在额定通态平均电流和稳定结温下，晶闸管阳极和阴极间电压的平均值，一般称为管压降。其范围一般在0.61.2V。 （4）、维持电流IH 在室温和门极开路时，晶闸管由通态到断态时的最小阳极电流。一般为几十几百毫安。 （5）、擎住电流IL 指晶闸管刚从断态转入通态并移出信号后，能维持通态所需的最小阳极电流。IL的数值与工作条件有关，通常IH为的24倍。 （6）、门极触发电流IGT和门极触发电压UGT温下，晶闸管施加6V的正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发

27、电流IGT。对应于此IGT的门极电压为门极触发电压UGT。实用中，应使触发电路送给门极的电流IG及电压UG满足：IGTIGIFGM，UGTUGUFGM，此外，门极平均功率Pg(AV)和峰值功率PGM也不应超过规定值。5晶闸管对触发电路的要求 （1）、触发脉冲信号对门-阴极来说必须是正极性的。为了减少门极损耗，一般不用交流或直流触发信号，常采用脉冲形式的触发信号。 （2）、触发信号应有足够的功率（电压、电流），但以不超过门-阴极安全工区为限。 （3）、触发脉冲信号应有一定的宽度。保证被触发的晶闸管可靠导通，该脉冲的宽度一般为2050us。对于感性负载，触发脉冲的宽度应大于晶闸管阳极电流从零上升到

28、擎住电流的时间，触发脉冲的总宽度应小于100 us。 （4）、触发脉冲的前沿要陡，有强触发能力。在大电流晶闸管串并联电路中，要求并联的晶闸管同时导通，使元件在允许的di/dt范围内，触发脉冲的形式应有助于晶闸管元件的导通时间趋于一致，为此，宜采用强触发措施。 （5）、触发脉冲应与被触发晶闸管阳-阴极的电压同步，并通过控制电压UC，脉冲保证能有足够的移相范围。 （6）、不触发时，触发脉冲电路输出加到晶闸管门极-阴极间的漏电压应控制在0.150.25V之间。（三）、IGBT 1、IGBT的简介绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）。它

29、是一种由VDMOS与双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断器件。它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有MOSFET输入阻抗高，开关速度快，工作频率高，热稳定性好，无二次击穿和驱动电路简单的长处，又具有GTR通态压降低，耐压高和承受电流大的优点。从20世纪80年代中期到现在，该器件已经更换三代，具有广泛的应用领域，今后的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量。 2、IGBT的基本结构IGBT是在功率MOSFET基础上发展起来的多元集成新型器件，结构是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其等效电路、电路符号如图XXX所示。外部有三个电

30、极，分别为G门极，C集电极，E发射极。等效电路中RN则是沟边体区等效电阻。常见的IGBT外部结构如图22所示。图22 IGBT外部结构 3、IGBT的工作原理由IGBT的等效电路可看出，IGBT是一种场控器件，它的开通与关断是由G极E极之间的电压UCE所决定。当UCEUCE(th)(开启电压)时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区的电阻RN的值，使得高耐压的IGBT也具有很低的通态压降。当MOSFET加的UCE为负电压时，其沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的驱动原理与MO

31、SFET基本相同。但因为注入的空穴为少数载流子，这些少数载流子需要一定的时间通过复合而消失，即集电极电流需要一定的时间逐渐衰减，所以IGBT的开关速度比MOSFET要慢。 4、IGBT的主要参数（1）、射极击穿电压BUCES为IGBT的最高工作电压，它取决于IGBT的内部PNP晶体管所能承受的击穿电压值。击穿电压BUCES的大小与结温成正温度系数关系，大约为0.63V/C。（2）、开启电压UCE(th)和最大栅射极电压BUGES开启电压UCE(th)是IGBT导通所需的最低栅射极电压，即传输特性与横坐标的交点电压。UCE(th)具有负温度系数，约为-5mv/C。在25C条件下，UCE(th)一

32、般为26V。由于IGBT的驱动为MOSFET，应将最大栅射极电压限制在20V以内，最佳值一般取15V左右。（3）、通态压降UCE(on)指IGBT处于导通状态时集射极间的导通压降。它决定了IGBT的通态损耗，此值越小，管子的功率损耗越小。一般UCE（on）约为2.53.5V。（4）、集电极连续电流IC和峰值电流ICPIGBT集电极允许流过的最大连续电流IC为IGBT的额定电流。IC的大小主要受到结温的限制，且具有负温度系数的特点，这也是IGBT能够多个并联的原因之一。IGBT还规定了最大集电极峰值电流ICP（条件为脉宽1ms）。一般情况下，峰值电流ICP为额定电流IC的2倍左右。此外，为了避免

33、动态擎住现象发生，规定了最大集电流ICM。三者间关系为： ICICPICM（IC=1/2ICP，IC=1/6ICM） 5、IGBT对驱动信号的要求由于IGBT是以MOSFET为输入极，其栅极特性与MOSFET相同，具有与功率MOSFET相似的输入特性和高输入阻抗，故驱动电路相对比较简单，驱动功率也比较小。但IGBT的静态特性和动态特性与栅极驱动条件密切相关，栅极正偏压UGE、负偏压-UGE和栅极电阻RG对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力及duCE/dt等参数都有不同程度的影响。IGBT对驱动信号及电路有以下基本要求：（1）、充分陡的脉冲上升沿和下降沿：前沿很陡的栅极电压加到

34、C-E极间，可使IGBT快速开通。减小开通损耗；后沿足够陡的关断电压，并在C-E极间加一适当的反向偏压，有助于IGBT快速关断，缩短关断时间，减小关断损耗。用内阻小的驱动电源对G极电容充放电，可以保证UCE有足够的前后沿。（2）、足够大的驱动功率：IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率及电压、电流幅值，使IGBT总处于饱和状态，不因退出饱和而损坏。（3）、合适的正向驱动电压UCE：在有短路过程的设备中，建议选用UCE=15V10。（4）、合适的负偏压：在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，缩短关断时间，需施加负偏压-UGE，同时还可防止关断瞬间因du/dt过高造成误导通，并提高抗干

35、扰能力。反偏压-UGE一般取-2-10V。（5）、合理的栅极电阻RG：在开关损耗不太大的情况下，应选用较大的RG。参照表21，RG的范围为1400。表21 IGBT栅极串接电阻RG的参数值IGBT额定电压值/V500V15A30A50A100A150A200A300A400A1000V5A15A25A50A75A100A150A200A300A500ARG/15082502515128.253.32（6）、IGBT多用于高压场合，故驱动电路与整个控制电路应严格隔离。（7）、利用门极控制特性，实现对IGBT的过电流、短路、栅极前电压、管芯过热等保护。（四）、其它电路及器件 1、电流检测电路 电流

36、检测电路如图23所示。它主要由三个电流互感器组成，其目的是为检测主电路中流过的电流。当主电路中电流增大时，电流互感器的输出电流也增大。输出的电流再通过六个二极管（VD1VD6）进行整流，得到一个直流电后再通过电容器进行滤波让得到的电流更平整。电位器RP1的目的是为了在电流互感输出电压不变而需要调整该电路的输出电流时，可以调整该电阻从而调整其输出电流。该电路的输出接电流调节器使电路行成一个闭环的回路，让系统更加平稳。 在本设计中，该电路的目的是为了检测主电路中三相中流过电流的大小。使其检测后的电路反馈到电流调节器中。使变频器直流侧的电压更加稳定。图23 电流检测电路三、控制电路整流部分（一）给定

37、积分器给定积分器是把阶跃的输入信号转变成线性的斜坡信号，斜率大小可以根据生产工艺要求方便地进行调整。由模拟电子 电路组成的给定积分器原理图如图3-1所示，它包含三级运算放大器。第一级是高放大倍数的倍数的极性鉴别器，其输出电压U1只取于给定电压Uw*相反的极性不过Uw*大小如何变化，U1都是饱和值。第二级是反向器，使其输出电压U2的极性再倒一下，变成与Uw*极性相同。第三极是积分器。经RC积分使输出电压Ugi成为斜坡信号，积分的变化率用电位器RP来调节。最后，再由Ugi引负反馈信号回到第一级，已决定积分的终止时刻。只要Ugi的绝对值小于Uw*，则第一级输出U1始终饱和，负反馈对它没有影响直到|U

38、gi|=| Uw*|时，U1、U2很快下降到零，积分终止，Ugi保持恒值。图3-2上标出了给定电压Uw*为正时各级运放的输出极性。这时，突加Uw*和突减Uw*各处电压的波形示于图3-2积分器的积分时间可从其虚地点的电流平衡方程式推导出来式中T=RC积分时间常数。调节和T都能改变Ugi的斜率，从而改变调速系统的加减速，一般系统要求积分时间在5-50s之间可调。如果把第一级运放改为同向端输入，可以省去一个反相器，只要改变一下负反馈的接法就可以了。给定积分器输出Ugi的波形实际上代表课调速系统转速的启动、运行、制动波形，因此给定积分器又称软启动器，它是人好转速开环的调速系统可靠工作所不可缺少的控制部

39、件。3-1给定积分器电路图图3-2给定积分器波形图（二）、转速调节器转速调节器（ASR)的输入信号为速度给定Ug与转反馈电压UFN的偏差，输出电压UI作为电流调节器（ACR)的给定信号。通过转速反馈使得系统的转速稳定，无静差。电动机的转速跟随给定电压的变化而变化；对负载的变化起抗扰作用；同时系统在刚刚开始工作的一段时间内，输出电压UI达到限幅值，从而使系统在最大启动电流的情况下启动。 转速调节器（ASR)的功能是对给定反馈两个量进行加法、减法、比例、积分、微分等运算。如图33所示，运算放大器LM741的反馈电路中接了电阻R及电容C，构成了比例积分电路（C可外接电容，电容的大小可根据需要选择），

40、动态比例放大倍数由RP3调节，而RP4可对各参数的阻容比例进行调节，不用时，将RP4停在最大电阻处，在电动机空载电流小且主回路不串接电感时，会出现电流断续，可适当调节RP4，提高电容比例，RP1和RP2为正负限幅调节，限制输出的电压，因此也可以限制一下环节的输入电压的最大值。在应用有静差调速环节时，将C3短接，使得该调节器变成比例调节器。 图33 转速调节器（三）、电流调节器 电流调节器（ACR)的给定信号是速度调节器的输出信号UI反馈信号来自于交流电流互感器的输出，它从系统整流和逆变之后，取出部分信号作为电流反馈信号Ufi。速度调节器的输出信号UI与电流反馈信号Ufi的偏差通过PI运算后的输

41、出信号UCT作为触发器的控制信号调节逆变器的控制角。当负载发生变化及电网电压波动引起的电流变化得到有效的抑制；在起动时保证电动机获得最大的启动电流；在转速调节的过程中，使电流跟随其给定电压的变化 ；当电动机发生过载或堵转时限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。同时，当故障消失时，系统能自动恢复正常。如图34图34 电流调节器（四）、零速封锁零速封锁器的作用是保证电动机在停车状态下不会爬行，当转速给定电压Ug和速度反馈电压UFN同时为零时，封锁各调节器，零速封锁器首先将模拟电压通过LM324转换成电平信号，其继电特性可使电平信号相对稳定，提高抗干扰能力。门电路及延时电路、驱动电路在零

42、速封锁器输入为零时封锁；再零速封锁器输出为-15V时可以开始工作，图35所示为零速封锁器（DZS）电路图。图35 零速封锁器（五）、六路脉冲1、触发电路晶闸管最重要的特征是可控的正向导通特性，晶闸管由关断状态转换为了导通状态应具备两个基本的条件。第一就是在电路中晶闸管应承受正向的阳极电压，即其阳极电位要高于阴极电位；第二是在门极与阴极间加一个具有一定功率的正向触发电压，这一触发信号是由触发电路提供的，根据具体情况这个触发信号可以是交流信号、直流信号、还可以是脉冲信号。由于晶闸管被触发导通以后，门极的触发信号即失去控制作用，为了减少门极的损耗及触发功率，故一般不用交流或直流触发信号，常用脉冲形成

43、的触发信号。根据触发电路控制晶闸管的通断方式可分为移相触发和过零触发两类。移相触发就是改变晶闸管在每个周期内的导通时刻也就是改变控制角的大小，从而控制输出电压、功率的大小；而过零触发是在设定的时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数，从而实现对输出电压、功率的控制。而应用最为广泛的是移相触发。图36 六路脉冲2、触发电路的特点本触发采用六路双窄脉冲KC04集成触发组件在设备中具有a同步滤波网络不受电源中波形畸变和换流缺口的干扰。 b适应较宽的同步电压范围，并只需三相同步电压。 c各相脉冲不均衡度很小。 d能很方便地与调节系统匹配，并只需调节信号的上下限就可以调节整流和逆变角。 e输出是脉冲列式的双脉

44、冲，对不同宽度的脉冲可以使用统一的脉冲变压器。 f有一个脉冲输出端，用以控制脉冲输出和正反组可逆系统中作逻辑切换控制。 g由于采用专用电路KC04、KC41控制板体积小、调整维修方便。 3、KC04触发电路的工作原理 对于拖动4.5KW以上的负载，常采用KC04集成芯片就能满足触发要求；根据具体情况触发信号可以是交流信号，直流信号也可以是脉冲信号，由于晶闸管被触发导通以后，门极的触发信号即失去控制作用。为了减少门极的损耗及触发功率，故在该设备中采用脉冲形式的触发信号，使用移相触发通过改变晶闸管在每个周期内的导通时刻，也就是改变控制角的大小，从而控制输出电压功率的大小。同时为了使触发电路具备性能

45、可靠、功耗低、体积小、调试方便等，故在设备中选用KC41C集成化六路脉冲触发组件，其原理图如图36所示。该触发组件将控制电压的大小转换成相应控制角的触发脉冲，使电路可靠工作。每一相输出脉冲可靠地驱动一只大功率晶闸管，有一个脉冲输出控制端，用以控制端，用以控制脉冲的输出和在系统中作正反组逻辑切换控制用。组件输出脉冲列式为双脉冲。KC41C是六路脉冲形成集成电路。KC41C的输入信号通常是KC04的输出，把三相三块KC04移相触发器的1脚与15脚产生的6个脉冲分别接到KC41C集成的16脚,经内部集成二极管完成 或 功能,形成双窄脉冲,再由内部6个集成三极管放大,从1015脚输出,还可以在外部设置

46、V1V6晶体管作功率放大,可得到800mA的触发大电流的晶体管用.KC41C不仅具有双窄脉冲形成功能,而且还具有电子开关控制封锁功能,当7脚接地或处于低电位时,内部集成开关管V7截止,各路正常输出脉冲;当7脚接高电位或悬空时, V7饱和导通,各路无脉冲输出.四、控制电路逆变部分 本设计采用SPWM技术，但是采用了可控整流。其目的是为变频器输出的电压更加稳定，同时为使调速范围更加大。本设计的重点主要集中在逆变部分。逆变部分的框图如图41所示。图41 逆变部分 图中，电压、频率转换电路的输入接绝对值运算器的输出，而延时电路的输出接驱动电路。设置电压、频率转换电路的目的是为了获得符合图中U1F1输出

47、特性，即在基频以下，产生一个与频率F1成正比的电压，作为正弦波幅值的给定信号，以实现恒压频比的控制；在基频以上，则实现恒压弱磁升速控制SPWM的生成主要是有三角波与正弦波进行比较后生成。改变给定信号即可改变正弦波发生器的频率给定信号，并同样按照变频调速的控制要求相应地改变正弦波发生器的幅值给定信号。通过正弦波发生器产生所需频率和幅值的正弦信号波。再与三角波发生器所产生的三角波进行比较后，生成体现给定频率和给定幅值的SPWM波。设置延时电路的目的是为了防止逆变器桥臂上的两个全控器件在换流时，一个还没完全关断（管子关断是有一个关断时间的）。而另一个却又被驱动导通，形成同时导通，造成短路，就是要使导

48、通的器件稍作延时（待关断的器件完全关断后）再被驱动。 图42 电压 频率输出特性（一）、绝对值运算器 绝对值运算器电路如图43所示，它能去掉给定积分器输来信号符号，只反映输入信号的绝对值。电路将输入信号分为两路：如输入为正，则经二极管VD1直接输出；如输入为负，则VD1截止，信号送至集成运放反号器再经VD2输出，这样输出信号就只取了输入的绝对值。图43 绝对值运算器（二）、电压 频率转换电路 电压频率转换器的种类很多，有单结晶体管压控振荡器、时基电路555构成的压控整党器，还有各种专用集成压控振荡器构成的电路。图44即为一种专用U/F转换集成块LM331所构成的电压频率转换器电器。 如LM33

49、1的输入7端电压较高，则其输出 3端的振荡信号频率就较快；如输入7端的电压降低，则输出3端的振荡信号频率就变慢。给定信号可以通过着个环节控制逆变器的交流电输出频率。LM331的电压频率转换比值可以通过调节2端的外接电位器进行调整。 图44 电压 频率转换电路（三）、SPWM生成电路 1、正弦波发生器TR1结型场效应管在这里充当压控可变电阻，它与R3、R4一起构成文氏振荡器的负反馈回路，TR1的电阻越大，负反馈越强。D2、D3、R8、R9、R10与 IC（2/2）对输出振荡电压进行全波整流，在IC的1脚产生负的整流输出电压，经过D1与R7、C4滤波后获得一个负的直流电压，该电压与振荡输出的幅值差

50、不多相等。这个负电压加在TR1的G极，控制着TR1的D-S极之间的电阻值。振荡输出幅度增大，TR1的G极电压就越负，TR1的D-S极间阻值变大，负反馈增强，使得振荡幅度减小。通过以上的自动调节，使振荡幅度保持稳定，避免放大器进入非线性区域，从而获得良好的正弦波形。如图45。图45 正弦波发生器2、三角波发生器电路原理由运算发大器构成的三角波发生器是目前PWM系统中应用最广泛的一种，其结构如图46所示。它由两个运算放大器构成，N1为基型迟滞比较器，N2为反向积分器，它们共同组成正反馈电路，形成自激震荡。N1输出对称方波，N2输出三角波。其波形如图47所示。图46三角波发生器图47 三角波波形图

51、设稳压管的稳定电压为UZ，则比较器N1输出高电平UH为+UZ，输出低电平UL为UZ，基准电压接到N2的反向端，同时接地，所以 上门限电压为 下门限电压为 门限宽度为 工作原理： 当N1输出UD1为低电平，即UD1=UL=-UZ时，-UZ经电位器RP分压后加到积分器的输入端，若分压系数为p，则加到积分器N2反相输入的电压为-pUZ。此时（t=0），积分器对-pUZ电压积分，其输出电压达到U+(t=t1)时,比较器翻转,输出高电平UH=+UZ.此时,加到积分器输入端的电压为pUZ。积分器反向积分，输出一个从U+线性下降的电压。当输出电压下降到U+时，比较器又输出低电平。上述过程周而复始，便形成自激

52、振荡，其波形如图XXX所示。积分器的输出电压随时间的变化规律为 当t=0时 当t=T/2时 则 解得，振荡周期 振荡频率为 由上面的分析。可以得到如下结论：(1)、变稳压管的稳压值，即可改变N1输出方波的幅值，但也同时影响三角波的幅值。(2)、变R1与R2之间的比值，可以改变上下门电压，从而可改变三角波的幅值，因为三角波的幅值是门限宽度值，但改变R1与R2的比值不影响方波幅值而影响振荡频率。(3)、变电位器RP的分压系数p和积分电路的R4、C1可单独改变振荡频率，而不影响幅值。(4)、XX所示的电路可同时输出方波UD1和三角波电压UD这种三角波发生器线性度良好，调整简便，采用通用型运算放大器（

53、如F007、5G24）即可获的120Hz的振荡频率，在工程中应用普遍。（四）、驱动电路1、IGBT驱动电路HL403A(B)是在HL402A(B)的基础上改进线路设计及工艺,采用高技术制作的厚膜集成驱动器.它在外加功放单元后可直接驱动600A,1200V,的功率IGBT,并且本身又具有HL402(B)的功能,该厚膜驱动器属世界首创,是我国“八五”攻关新成果，是国家级高新技术产品。 （1）、列、名称、功能和用法 HL403A（B）的引脚排列，其A型与B型的差别仅在于内部电路稍有不同，但外部特性及用法完全相同。它们均采用标准单列直插式17引脚厚膜集成电路封装，其引脚名称、功能和用法除了引脚3和4与

54、HL402A（B）不同外，其余引脚的名称、功能及用法与HL402A（B）完全相同。HL403的引脚3为正向驱动脉冲输出端，使用中与外接NPN功率放大晶体管的基本相连；其引脚4为反向栅极驱动脉冲输出端，使用中与外接PNP晶体管的基本相连。 （2）、和工作原理 HL403（B）DE 内部结构，它的内部结构与HL402A（B）的差别仅在于它把HL402内的反向放大晶体管移到了厚膜集成电路之外，所以它的工作原理几乎完全与HL402相同，故此处从略。 图 48 （3）、主要设计特点和参数限制 1）通过外接功放晶体管，使驱动能力增强。 2）可直接驱动200600A、1200V以下的IGBT。 3）可通过告

55、便稳压管的值来完成对不同饱和压降IGBT管的栅极驱动。 4）具有对被驱动IGBT的完善保护功能。 5）主要参数和限制HL403除可输出最大脉冲峰值电流为6A（脉宽2us）外，其余的参数和限制同HL402。（4）、应用技术 在高频应用中典型接线HL403A（B）的电参数及各主要引脚的波型和外配元器件的选用与HL402完全相同，其输出波形也与HL402相同，不同之处在于它需要把输出脉冲功率放大后去驱动功率IGBT模块。图XXX给出了这种应用的典型接线图。由图可知，它与HL402的差别在于增加了外部的两个功率放大晶体管，其驱动功率增大了，所以它的典型应用接线可以用于有切应用HL402的地方去取代HL

56、402A（B）。在高频应用中，出现软关断时能封锁输入信号的应用电路如图4-6所示，图中LM555在电源合闸时置“1”，输入信号VIN通过4081与门进入HL403的引脚17，16，当出现软关断时，VLC道通，V1截止，V1的集电极电压经10K电阻，330PF电容延迟5s后使LM555置“0”，通过4081与门将输入信号封锁。此电路延迟5s动作是为了使IGBT软关断后再停止输入信号，避免立即停止输入信号造成硬关断。 HL403输出的降栅压和软关断波形的试验HL403输出的降栅压和软关断波形很容易通过模拟试验来确定，其模拟试验电路如图4-8所示。在该图中，将典型应用接线图中的电阻R1改为电位器RP

57、，其电阻值取12K，将二极管VD2的阴极端接至RP的中点，IGBT的栅-射极用等效电容CGE代替，当电位器RP的滑动触点在左边时，从示波器上可以看到正常的输入波形VIN及输出波形VGE，如图4-8所示；当逐渐将电位器RP的滑动触点向右移时，就可以看到很理想的降栅压波形和软关断波形，如图4-8所示，根据观察到的图4-6所示降栅压和软关断波形，通常选择电容C6，C7，C5的值，就可以将降栅压延迟时间t1，降栅压时间t2，软关断时间t3整定到所需的值。这样电容C5 ，C6，C7电容值的确定变得教直观和方便，使得电路的调试比较容易。 IGBT能承受的短路时间是在底频下测出的，在高频的情况下，短路即使每

58、次软关断前导通的时间不长，但由于电流幅值高，重复次数较多，产生的热积累也会造成IGBT损坏。为此，在出现软关断后，可由4-6中的光耦合器VLC的输出信号引脚17，16，的输入信号截止，就能保证IGBT不至损坏。2、 GTR的驱动电路 1M57215BL/M57925L/M57950L经功率放大后可驱动大电流GTR的厚膜驱动器，M57215BL/M57925L/M57950L是专门设计用来直接驱动50A以下一单元GTR模块的混合厚膜集成电路。它们经功率放大后可驱动75A以上的GTR模块，其输入与TTL电平兼容，属于部不具有对GTR进行保护功能的驱动器。 图49M57215BL驱动300AGTR模

59、块的电路 图410M57215BL/M57925L/M57950L的内部结构和工作原理示图2内部结构及工作原理:M57215BL/M57925L/M57950Lde 内部结构和工作原理示图如图所示 主要设计特点：（1）、可驱动的GTO功率大（2）、带有过电流及欠饱和保护被驱动的GTO；（3）、工作频率范围宽；（4）、对环境适应强。3M57215BL/M57925L/M57950L主要参数及限制（1）、输出电压:45V;（2）、工作电源电压最大值14；（3）、负工作电源电压最大值-5V；（4）、输入电流：10mA;（5）、最大输出基极驱动电流：1A；（6）、最大输出基极负驱动电流：3A（7）、工

60、作频率f:2kHz;（8）、输入、输出间隔离电压（9）、工作温度范围:-20+704应用技术及应用实例（1）、直流驱动75A以下GTO模块给定电源外部接电阻接不同的GTR模块要求调节大小。外部接电容。当引脚2为高电平是GTR模块关断，向GTR模块基极提供负峰值电流。 五、反馈电路 在本设计所用反馈电路如图51所示。38V电源经过单相桥式电路整流、滤波稳压，由电位器RP1送出速度给定电压值。速度反馈是由三相测速发电机发出三相交流电压通过三相桥式电路整流、滤波后，由电位器RP2送到VT1的基极。反馈电压与给定电压反极性叠加后，再经过放大，控制脉冲移相。 图51 反馈电路调整过程如下（以增速为例）：

61、通过调节RP1，转速给定电压升高，VT1的基极电流增大，VT1的集电极电流增大，对C1充电的电流增大，移相脉冲提前。六、SPWM技术 SPWM的简介 在一般的交直交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，整流器必须是可控的，调速时需同时整流器UR和逆变器UI，这样就带来了一系列的问题。 1964年，德国的ASchonung等率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通迅系统中的调制技术推广应用于交流变频。用这种技术构成的PWM变频基本上解决了常规六拍阶梯波变频器中存在的问题，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。 SPWM的工作原理 名为SPWM逆变器，就是期望其输出电压是纯粹的正弦波行，那么，可以把一个正弦半波分作N等份。如图XXX所示，然后把每一等份的正弦波曲线与横轴所包围的面积都有一个与此面积相等繁荣等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。这样由N个不等幅而等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 图61一系列的脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。可以看到，由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源