交流异步电机的变频调速系统设计报告
交流异步电机的变频调速
系统设计报告
Last revision on 21 December 2020
单相异步电机变频调速器的设计
姓名: 陈焰
学院: 工学院
专业: 12级电气工程及其自动化
班级: 电气3班
学号:
日期 2015年1月17日—2015年1月23日指导教
刘权、孙磊
师:
安徽农业大学工学院电气工程系
摘要
近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。
现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。
本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基础上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同时采用EXB840构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。
一、绪论
变频调速技术简介
变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点：由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢[1]。
变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。但如何得到一个单独向异步电动机供电的经济可靠的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。20世纪60年代中期，随着普通的晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置，它是将三相的工频电源经变换后，得到频率可调的交流电。这个时期的变频装置，多为分立元件，它体积大、造价高，大多是为特定的控制对象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，调速后电动机的静、动态性能还有待提高，特别是低速的性能不理想，因此仅用于纺织、磨床等特定场合。
20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步，开始出现了通用变频器。它功能丰富，可以适用于不同的负载和场合，特别是进入20世纪90年代，随着半导体开关器件IGBT、矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流，调速后异步电动机的静、动态特性已经可以和直流调速相媲美。随着变频器的专用大规模集成电路、半导体开关器件、传感器的性能越来越高，进一步提高变频器的性能和功能已成为可能。现在的变频器功能很多，操作也很方便，其寿命和可靠性也较以前有了很大的进步。
所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交-直-交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。
本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。
变频器的发展现状和趋势
变频器的发展现状
进入90年代，通用变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工业领域及家电产品中得到迅速推广。此外，变频技术和变频器制造己经从一般意义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵地，各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、财力，使之目前己经进入了高新技术行业。就变频技术而言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等国家可以说是齐头并进，不分伯仲。在这一领域的研制、生产方面，220KW功率以上的变频器基本被欧、美等国家垄断，如德国的西门子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS)，美国的公司、欧洲的ABB等。中小容量的变频器85%为日本产品和台湾产品所占领，如富士(FUJI),三垦( SAMCO )、东芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱( MITSUBISHI)、安川以及台湾的台达。由于这些国家、地区的工业基础好、制造业发达、开发生产能力强，所以他们生产的变频器适应范围广，生产己经初具规模变频器应用普及率在85%以上。我国的变频器深圳华为电气(现己经改名安圣电气)、伴灵电气、成都森兰、大连普传科技都是变频器研究、开发、生产的高新技术企业，拥有雄厚的技术实力，相信不久的将来可以取代国外品牌，创建我们自己的国产名牌。
变频器技术的发展趋势
在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展[2]：
1.网络智能化
智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。
2.专门化和一体化
变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。
3.环保无公害
保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。
4.适应新能源
现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面。
研究的目的与意义
在工业发展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求就可以，调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产的连续性和流程化的要求愈来愈高，发展电机的调速技术已经是势在必行了。直流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期内在调速领域内占据首位。但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。
随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置(主要指变频器)性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力。各种性能优越的新型电
力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO；具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET；既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT；以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。
能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世，为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现PWM控制的变频技术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。
总之，交流电机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。
系统原理框图及各部分简介
本文设计的变频器由以下几部分组成，如图所示。
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。因为本设计中采用市电，即220V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。
三相逆变电路：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。
PWM 控制：调制脉冲宽度，控制我们所需要的频率。
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。
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。
2交流异步电动机变频调速原理及方法
三相异步电机工作的基本原理
异步电机的等效电路
异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路可用图来表示[3]。
图异步电动机的定、转子图
图中：
1.
U ——定子的相电压； １Ｉ.
——定子的相电流；
１１ 、 x r ——定子每相绕组的电阻和漏抗； s E 2、S I 2、S X 2分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；
1.E ——每相定子绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。其有效值可计算如下：
11114.44N m E f N K =Φ （2-1） 式中:
1E —气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值；
1f —定子频率；
1N —定子每相绕组中串联匝数；
1N K —基波绕组系数；
m Φ—极气隙磁通。
由电动机的基础知识可知：转子回路的频率 12s f f =，与转差率成正比，所以转子回路中的各电量也都与转差率成正比。
为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，应将定子、转子放在一个电路中。由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。根据电机学原理，在下列假定条件下：
a.忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的；
b.忽略磁饱和；
c.忽略铁损。
可以得到电动机的T 形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现只取A 相进行计算分析。A 相的T 形等效电路如图所示。
图 电动机的T 形等效电路图
图中：
m r ——励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻；
m x ——励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；
0.
Ｉ——励磁电流；
L R ——机械负载的等效电阻，在L R =,在L R 上消耗的功率就相当于异
步电动机输出的机械功率； 2222Ｘ 、ｒ 、Ｅ、''''I 等参数——经过折算后的转子参数。
异步电动机的转矩
（1）电磁转矩的表达式
n m m P =ΩP =
T 9550 （2-2） 式中 m P 的单位为KW ；n 的单位是min r ；Ｔ的单位是m N ?。
（2）电磁转矩的物理表达式
e T =2,
2cos ?I ΦM T C （2-3）
式中 T C ——转矩常数；
m Φ——主磁通。
（3）电磁转矩的参数表达式
e T =
])()[(2222122211221x x s r sr f r psU '++'+'
π （2-4） 式中 p ——磁极对数；
1U ——电源的相电压；
1f ——电源频率。
异步电动机的机械特性
2s s 1r '-
机械特性是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系，即n =)(T f ，它可由（2-3）所决定的)(s f T =曲线变换而来。异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身固有的参数所决定的)(T f n =曲线，叫做电动机的自然机械特性。
图 异步电动机机械特性曲线
只要确定曲线上的几个特殊点，就能画出电动机的机械特性。
1.理想空载点
图中的E 点，在这点上，电动机以同步转速0n 运行（s =0），其电磁转矩T=0。
2.起动点
图中的S 点，在起动点上，电动机已接通电源，但尚未起动。对应这一点的转速n ＝0（ｓ＝1），电磁转矩称起动转矩st T ，起动是带负载的能力一般用起动倍数来表
示，即N st st T T K =。式中,N T 为额定转矩。 3.
临界点Ｋ是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定区的分界点。电动机运行在Ｋ点时，电磁转矩为临界转矩K T ，它表示了电动机所有能产生的最大转矩，此时的转差率叫临界转差率，用K s 表示。K T 、K s 根据式（2－3）用求极值的办法求出，即：由ds dT ＝0，可得：
21222
1212)(x x r x x r r s K '+'≈'++'
= （2－4） )(43])([4321121221211121x x f pU x x r r f pU T K '+≈'+++=ππ （2－5）
电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用m β表示，即
m β＝N
K T T （2－6） 普通电动机的m β＝～之间，而对某些特殊用电动机，其过负载能力可以更高一
些。
上述分析说明：K T 的大小影响着电动机的过载能力，K T 越小，为了保证过载能力不变，电动机所带的负载就越小。由)1(0K K s n n -=知：K s 越小，K n 越大，机械特性就越硬。因此在调速过程中，K T 、K s 的变化规律常常是关注的重点。特别是研究变频后的电动机机械特性，K T 、K s 就显得尤其重要。变频后的机械特性将会在下一小节中介绍。
异步电机变频调速原理
交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。
交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。
交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用0n 表示：
p f
n 600= （2-7）
式中：f 为三相交流电源频率，一般是50Hz ；p 为磁极对数。当p =1是，
0n =3000r ／min ；p =2时，0n =1500r ／min 。
由上式可知磁极对数p 越多，转速0n 就越慢，转子的实际转速n 比磁场的同步转速0n 要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率s 表示： %10000?-=
n n n s （2-8）
在加上电源转子尚未转动瞬间，n =0，这时s =1；启动后的极端情况n =0n ，则
s =0，即s 在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 s =1%～6%。综合（2-7）和（2-8）式可以得出： 060(1)
(1)f s n n s p -=-= （2-9）
由式（2-9）可以看出，对于成品电机，其极对数p 已经确定，转差率s 的变化不大，则电机的转速n 与电源频率f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。
变频调速的控制方式及选定 f V 比恒定控制
f V 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。f V 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 111144.4N K f E N m =Φ 即1
1m f E ∝Φ （2-10） 另外，电机的电磁转矩为:
22m T e cos ΦI Φ=T C （2-11）
其中 T C —与电动机有关的常数；
Cos 2Φ—转子每相电路功率因数；
2Φ—转子电压与电流的相位差；
e T —电机的电磁转矩。
由式(2-10)推断，若1E 不变，当定子电源频率1f 增加，将引起气隙磁通m Φ减小；而由式(2-11)可知，m Φ减小又引起电动机电磁转矩e T 减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在1E 不变时，而定子电源频率1f 减小，又将引起m Φ增加,m Φ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(2-10)可知，要保持m Φ不变，当频率1f 从额定值N f 向下调节时，必须同时降低1E ,使
11
f E =常值 只要保持11f E 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：
11111()U E r jx I =++ (2-12) 式中: 1U -定子相电压；
1r -定子电阻；
1x -定子阻抗；
1I -定子电流。
当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，1U 和1E 可以看成近似相等，所以保持f V =常数即可。 由于f V 比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，1U 与 1E 都变小，定
子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。
变频后的机械特性如图所示。
图 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性
从图中可以看出，当电动机向低于额定转速0n 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m Φ保持恒定，调速时就要求感应电动势1E 与电源频率1f 的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源电压U ≈1E 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U 中所占的比例大小决定了它的影响。当1f 的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U 中所占的比例相对较小，U ≈1E 所产生的误差较少；当1f 的数值较低时，定子阻抗压降在电压U 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U 中的比例增大，已经不能再满足U ≈1E 。此时如果仍以U 代替1E ，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1E 减小，11f E 的比值减小，造成磁通量m Φ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
V转矩补偿法。
用。一种简单的解决方法就是所示的f
V转矩补偿法的原理是：针对频率f降低时，电源电压U成比例地降低引起的U f
Φ恒定，使电动机转矩回
的下降过低，采用适当的提高电压U的方法来保持磁通量
m
升，因此，有些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost）。
带定子压降补偿的压频比控制特性示于图中的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。
图压频比控制特性曲线
补偿后的机械特性曲线如图所示。
图补偿后的机械特性曲线
2.在基频以上调速
f向上增高，但是电压却不能超出额定在基频以上调速时，频率可以从额定频率
N
U，由式（2-10）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，电压
N
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所示。
图电动机高于额定转速方向调速时的机械特性
n方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段当电动机向高于额定转速
的斜率开始增大，使得机械特性变软。
f升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电造成这种现象的原因是：当频率
1
Φ将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
m f的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械随着频率
1
特性变软。
以上调速方式相应的特性曲线如图所示。
图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
V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f
V比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按f
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。
其它控制方式
1.转差频率控制变频调速 转差率控制方式是f
V 控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决f V 控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。
2.矢量控制变频调速
矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流a I 、b I 、c I 通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流1αI 、1βI ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流1m I 、1t I （1m I 相当于直流电动机的励磁电流；1t I 相当于与转矩成比例的电枢电流），然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。
3.直接转矩控制变频调速
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
日前市场销售的通用变频器的控制多半为f V 比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，f V 比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。
从以上的分析可看出，f V 控制常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于f V 控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。由此，在本设计中采用f V 控制。
3变频器主电路设计
主电路的工作原理
变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。
在本设计中采用图的主电路，这也是变频器常用的格式[4]。
图 电压型交直交变频调速主电路
主电路各部分的设计
1.交直电路设计
选用整流管61VD VD -组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的电压为d U =L U =×380V=513V 。
滤波电容F C 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，滤波电容F C 的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻L R ，从而使电容F C 的充电电流限制在允许的范围内。当F C 充电到一定程度，使L S 闭合，将限流电阻短路。
在许多下新型的变频器中，L S 已有晶闸管替代。
电源指示灯HL 除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电压会威胁人员安全。因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。
B R 为制动电阻，在变频器的交流调速中，电动机的减速是通过降低变频器的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，B R 和B V 的作用就是消耗掉这部分能量。如图所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管B V 导通，将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。
2.直交电路设计
选用逆变开关管61V V -组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电，逆变管在这里选用IGBT 。
续流二极管127VD VD -的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。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0601R R -，电容0601C C -，二极管0601VD VD -组成缓冲电路，来保护逆变管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流c I 和集电极与发射极间的电压ce V 的冲
击，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时，ce V 迅速上升，c I 迅速降低，过
高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电容（0601C C -）来减小电压增长率。当逆变管开通时，ce V 迅速下降，c I 迅速升高，并联在逆变管两端的电容
由于电压降低，将通过逆变管放电，这将加速电流c I 的增长率，造成IGBT 的损坏。所
以增加电阻0601R R -，限制电容的放电电流。可是当逆变管关断时，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（0601VD VD -），使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。
变频器主电路设计的基本工作原理
1.整流电路
整流电路是把交流电变换为直流电的电路。本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1，由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍[5]。
2.逆变的基本工作原理
将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下：
（1）单相逆变电路
在图的单相逆变电路的原理图中：
当1S 、4S 同时闭合时，ab U 电压为正；2S 、3S 同时闭合时，ab U 电压为负。
由于开关1S ～4S 的轮番通断，从而将直流电压D U 逆变成了交流电压ab U 。
可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如：1S 、2S 交替导
通，每个开关导通π电角度。因此交流电的周期（频率）可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值D U 。
图 单相逆变器原理图
（2）三相逆变电路
三相逆变电路的原理图见图所示。
图3-3中，1S ～6S 组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在 输出端得到一个相位互相差3
2π的三相交流电压。 当1S 、4S 闭合时，V U u -为正；3S 、2S 闭合时，V U u -为负。
用同样的方法得：
当3S 、6S 同时闭合和5S 、4S 同时闭合，得到W V u -,5S ,2S 同时闭合和1S 、6S 同时闭合，得到U W u -。
为了使三相交流电V U u -、W V u -、U W u -在相位上依次相差3
2π；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图中已标明。根据该规律可得V U u -、W V u -、U W u -
波形如图 所示。
a) 结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图
图 三相逆变器原理图
观察6个开关的位置及波形图可以发现以下两点：
①各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如1S 、2S 。 ②各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差32π
电角度。如3S 比1S ,滞后32π，5S 比3S 滞后32π。
上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过D U 的大小来调节。 主电路参数计算
根据前面所给出的原始参数，主电路各部分的计算如下[6]
： 1.整流二极管的参数计算
m I （峰值电流）N =2×=
d I （有效值）= /m I
二极管额定电流值e I =（～2）Id/=～
额定电压值e U =（2～3）m U =（2～3）×2×380=～
2.滤波电容
系统采用三相不控整流，经滤波后d U =×2×380=。
3.制动部分 制动电阻粗略计算为N d B I U R 2=～N d I U =Ω～Ω
b V 击穿电压：当线电压为380V 时，根据经验值选1000V 。
B V 集电极最大电流cm I ：按照正常电压流经B R 电流的两倍来计算：
b d CM R U I 2≥=2×=
的选用
峰值电压=（2～）××2×380=～
集电极电流c I =（～2）m I =（～2）×N I ×λ×2=～
集电极-发射极额定电压≥倍最高峰值电压=×=
IGBT 及驱动模块介绍
IGBT 简介及驱动要求
绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是80年代初功率半导体器件技术与MOS 工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。众所周知，构成IGBT 的MOSFET 和BJT 各有其优缺点。MOSFET 属于单极型器件，具有开关频率高、没有二次击穿现象、元件并联运行容易、控制功率小的优点，缺点是导通电阻大，耐压水平不容易提高。BJT 属于双极型器件，具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点，缺点是开关时间长，有二次击穿现象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET 和BJT 优点的新型复合器件IGBT 应运而生，IGBT 具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小等优点。并且，随着IGBT 技术的发展，其性能不断得到改善和提高，使得IGBT 在大功率开关电源设备中的地位越来越重要，如UPS 、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都使用IGBT 模块。由于IGBT 在设备中所占成本比例较高，所以掌握好IGBT 的特性和正确的使用方法，尽量减少
IGBT 模块的损坏以降低开发成本和提高整机可靠性，就成为设计者和使用者所必须关心的一个问题.关于IGBT 的基本结构、工作原理、主要参数、特性等在电力电子书本里已经有详细介绍，在这里不在赘述[7]。
IGBT 是压控器件，栅极输入阻抗高，所需要驱动功率小，驱动较为容易。但必须注意，IGBT 的特性与栅极驱动条件密切相关，随驱动条件的变化而变化。
(1)随着栅极正向电压GE U 的增加，通态压降减小，开通损耗也减小.若GE U +固定不变时，通态压降随集电极电流增大而增大，开通损耗随结温升高而增大。
(2)随着栅极反向电压GE U -的增加，集电极浪涌电流减小，而关断损耗变化不大，IGBT 的运行可靠性提高。
(3)随着栅极串联电阻G R 增加，将使IGBT 的开通和关断时间增加，从而使IGBT 开
关损耗增加；而G R 减小，则又将使dt di 增大，从而使IGBT 在开关过程中产生较大的电压或电流尖峰，降低IGBT 运行的安全性和可靠性。
通过以上分析可以看出，一个理想的IGBT 驱动电路应具有以下基本性能:
(1)通常IGBT 的栅极电压最大额定值为±20V ，若超过此值，栅极就会被击穿，导致器件损坏。为防止栅极过压，可采用稳压管作保护。
(2)IGBT 存在～6V(T=25?C)的栅极开启电压，驱动信号低于此开启电压时，器件是不导通的。要使器件导通，驱动信号必须大于其开启电压。当要求IGBT 工作于开关状态时，驱动信号必须保证使器件工作于饱和状态，否则也会造成器件损坏。正向栅极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一定过载情况下器件不退出饱和的前提，正向栅极电压越高，则通态压降越小，通态损耗也就越小。对无短路保护的驱动电路而言，驱动电压高一些有好处，可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。通常，正向栅极电压取15V 。在有短路保护的场合，不希望器件工作于过饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流，对短路保护有好处。此时，栅极电压可取为13V 。
另外，为减小开通损耗，要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT 的栅极等效为一电容负载，所以驱动信号源的内阻要小。
(3)当栅极信号低于其开启电压时，IGBT 就关断了。为了缩短器件的关断时间，关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。器件关断时，驱动电路应提供低阻抗的放电通路。一般栅极反向电压取为-(5～0)V 。当IGBT 关断后在栅极加上一定幅值的反向电压可提高抗干扰能力。
(4)IGBT 栅极与发射极之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由于存在栅极输入电容，所以驱动电路需要提供动态驱动电流。器件的电流、电压额定值越大，其输入电容就越大。当IGBT 高频运行时，栅极驱动电流和驱动功率也是不小的，因此，驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。
(5)IGBT 是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间不宜过短，否则会产生过高的集电极尖峰电压。栅极电阻G R 对IGBT 的开关时间有直接的影响。栅极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，会对器件造成损坏，所以栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。栅极电阻过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大，也会降低其工作效率和对其安全运行造成危险，所以栅极电阻的上限受到开关损耗的限制。对600VIGBT 器件，栅极电阻可据下式确定：
e R =(I ～10)×625/e I
式中，e I 为IGBT 的额定电流值. 栅极电阻的下限取系数为1，限取系数为10。对于1200V 的IGBT 器件，栅极的电阻值可取相同电流额定值的600V 器件阻值的一半。
(6)驱动电路和控制电路之间应隔离。在许多设备中，IGBT 与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。驱动电路具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时也有利于维修调试人员的人身安全.驱动电路和栅极之间的引线应尽可能短，并用绞线，使栅极电路的闭合电路面积最小，以防止感应噪声的影响。采用光耦器件隔离时，应选用高的共模噪声抑制器件，能耐高电压变化率。
(7)输入输出信号传输尽量无延时。这一方面能够减少系统响应滞后，另一方面能提高保护的快速性。
(8)电路简单，成本低。
(9)当IGBT 处于负载短路或过流状态时，能在IGBT 允许时间内通过逐渐降低栅极电压自动抑制故障电流，实现IGBT 软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过离的dt di 。在杂散电感的作用下，过高的dt di 会产生过高的电压尖峰，使IGBT 承受不住而损坏。同样的，驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响，即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时，无论此时有无输入信号，都应无条件地实现软关断.在各种设备中，二极管的反向恢复、分布电容及关断吸收电路等都会在IGBT 开通时造成尖峰电流，驱动电路应具备抑制这一瞬时过流的能力，在尖峰电流过后，应能恢复正常栅压，保证电路的正常工作。
(10)在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号，供控制电路处理。 EXB840的内部结构
基于以上的驱动要求，在设计中采用EXB840,它是一种高速驱动集成电路,最高使用频率为40KHz 驱动150A/600V 或者75A/1200V 的IGBT,驱动电路信号延迟小于s ,采用单电源20V 供电。
EXB840的功能框图如图所示。
它主要由输入隔离电路，驱动放大电路,过流检测急保护电路以及电源电路组成。其中输入隔离电路由高速光电耦合器组成,可隔离交流2500V 的信号。过流检测及保护电路根据IGBT 栅极驱动电平和集电极电压之间的关系,检测是否有过电流现象存在,如果有过电流,保护电路将迅速关断IGBT,防止过快的关断时而引起因电路中电感产生的感应电动势升高,使IGBT 集电极电压过高而损坏IGBT,电源电路将20V 外部供电电源变成15V 的开栅电压和-5V 的关栅电压。