變頻器調速系統(tǒng)--畢業(yè)論文.doc

裝訂線1 引言1.1 概述在變頻器調速系統(tǒng)中，調速的基本方法就是通過改變給定的頻率來實現，在目前許多應用的場合，由于拖動系統(tǒng)的慣性較大，而工藝要求電機快速降速或停車，因此會出現以下現象：電機將出現負轉矩，電機處于制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的機械能快速回饋到直流母線上，使之迅速上升，變頻器因母線電壓過高而無法完成制動過程，因此必須將該回饋能量迅速消耗掉，保持直流母線電壓在一定安全范圍以下，否則變頻器將會使得過壓保護或檢測故障失靈。1.2 發(fā)展的概況變頻器主要用于交流電動機(異步電機或同步電機)轉速的調節(jié)，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調速方案，是企業(yè)技術改造和產品更新換代的理想調速裝置。其在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。國際上400kva以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發(fā)生產熱點。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。自上世紀80年代被引進中國以來，變頻器作為節(jié)能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應用。在電力、紡織與化纖、建材、石油、化工、冶金、市政、造紙、食品飲料、煙草等行業(yè)以及公用工程（中央空調、供水、水處理、電梯等）中，變頻器都在發(fā)揮著重要作用。變頻器產生的最初用途是速度控制，但目前在國內應用較多的是節(jié)能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2003年的中國電力消耗中，60-70為動力電，而在總容量為5.8億千瓦的電動機總容量中，只有不到2000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的。據市場研究報告分析，在中國，帶變動負載、具有節(jié)能潛力的電機至少有1.8億千瓦。因此國家大力提倡節(jié)能措施，并著重推薦了變頻調速技術。應用變頻調速，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節(jié)能的轉速下運行。以風機水泵為例，根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調速的節(jié)電效果非常可觀。與次類似，許多變動負載電機一般按最大需求來生產電動機的容量，所以設計裕量偏大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非常高。如采用變頻調速，可大大提高輕載運行時的工作效率。因此，變動負載的節(jié)能潛力巨大。以電力行業(yè)為例，由于中國大面積缺電，電力投資將持續(xù)增長，同時，國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求，降低內部電耗成為電廠關注焦點，因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。市場研究報告顯示，僅電力行業(yè)，2003年的變頻器市場規(guī)模就達到了2.5億元。因此，變頻器的節(jié)能應用前景非常。隨著電力傳動及控制技術的發(fā)展，變頻調速越來越廣泛地應用于工農業(yè)各領域，很好地解決了交流電動機的調速問題。它具有調速范圍廣闊、調速精度高、動態(tài)響應好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質量和生產效率的顯著作用。在紡織與化纖行業(yè)是變頻器應用最多、使用密度最高的行業(yè)。在最常見的化纖機械設備中，選用變頻器的設備有螺桿擠出機、紡絲機和后加工機等。這些設備都要求精確速度控制、多單元同步傳動或比例同步(牽伸)傳動等，應用變頻器可以提高工藝要求、提升產品質量，同時減輕了人工的勞動強度、提高了生產效率。目前，中國的設備控制水平與發(fā)達國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高。但隨著中國加入WTO，產品質量和生產效率都需要面臨國際競爭，因此提高設備控制水平至關重要。由于變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動態(tài)響應好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質量和生產效率的顯著作用。變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當今的運動控制系統(tǒng)包含多種學科的技術領域，總的發(fā)展趨勢是：驅動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數字化、智能化和網絡化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。中國擁有龐大的產業(yè)群，并保持著持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展；與國際接軌，眾多的企業(yè)需要提升國際競爭力；人們生活質量不斷提高等。這些都是變頻器市場的增長驅動力和更廣泛應用的基礎。市場研究報告認為，至少在十年以后，中國的變頻器市場才能飽和并趨于成熟，因此，中國的變頻器市場具有廣闊的發(fā)展空間。1.3 開發(fā)的目的 在變頻調速的過程中，拖動系統(tǒng)需要急劇減重、剎車、定位等場合時，機械部分都因存在較大慣性而無法滿足工藝要求，因此，需要制動組件來消耗能量，以克服慣性的影響，實現快速制動的目的。目前市場上使用的制動單元都數位變頻器廠家為自家設備提供的配套產品。性能參差不全，通用性差，而且都是國外廠商的產品，國內在開發(fā)和生產變頻器制動單元者的領域內還存在一段空白。有跡象表明，國產化的制動單元正向國外產品挑戰(zhàn)，而國產化的價格比國外產品的價格低一半以上。本課程設計意在開發(fā)出一種設計先進，功能齊全，有一定市場競爭實力的制動單元產品。2 保護裝置的實現方法2.1 能耗型制動單元能耗制動采用的方法是在變頻器直流側加上放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現制動。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上，轉化為熱能，因此又被稱為“電阻制動”，它包括制動單元和制動電阻二部分。制動單元的功能是當直流回路的電壓超過規(guī)定的限值時（如660V或710V），接通耗能電路，使直流回路通過制動電阻后以熱能方式釋放能量。制動單元可分內置式和外置式二種，前者是適用于小功率的通用變頻器，后者則是適用于大功率變頻器或是對制動有特殊要求的工程生產中。從原理上講，二者并無區(qū)別，都是作為接通制動電阻的“開關”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅動電路。2.2 共用直流母線方式的回饋制動我們知道通常意義上的異步電機多傳動包括整流橋、直流母線供電回路、若干個逆變器，其中電機需要的能量是以直流方式通過PWM逆變器輸出。在多傳動方式下，制動時感生能量就反饋到直流回路。通過直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動狀態(tài)的電機上，制動要求特別高時，只需要在共用母線上并上一個共用制動單元即可。2.3 回饋到交流電網的方式要實現直流回路與電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的辦法就是采用有源逆變技術：即將再生電能逆變?yōu)榕c電網同頻率同相位的交流電回送電網，從而實現制動。它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實現功率的雙向流動，且具有很快的動態(tài)響應速度。同時，這樣的拓撲結構使得我們能夠完全控制交流一側和直流一側之間的無功和有功的交換。以上三種制動方式各有優(yōu)缺點，綜合了通用性，性價比等諸多因素，最后我們采取了能耗型制動單元的方法。3 制動單元的簡介3.1 制動單元的組成制動單元包括大功率晶體管、電壓采樣比較電路、驅動電路和其他的電力電子器件等。3.2 制動電阻制動電阻作為電機的再生能量從熱能方式消耗掉的載體，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數，通常在工程上選用較多的是波紋電組和鋁合金電阻兩種。前種采用表面立式波紋，有利于散熱減低寄生電感量，并選用高阻燃無機涂層，有效保護電阻絲不被老化，延長使用壽命；后者電阻耐氣候性和耐震動性，優(yōu)于傳統(tǒng)瓷骨架電阻器，廣泛用于高要求，惡劣工控環(huán)境使用，易緊密安裝，易附加散熱器，外形美觀。3.3 制動過程主要有四步：1、當電機在外力的作用下發(fā)電運行時，其產生的三相交流電動勢被變頻器的逆變部分的六個二極管組成的三相全控整流，使變頻器內直流母線電壓持續(xù)升高。2、當直流母線電壓達到某一電壓值（制動單元的動作電壓）時，制動單元功率管開通，電流流過制動電阻。制動電阻吸收再生能量并轉換成熱能釋放，變頻器直流母線電壓快速降低。3、當直流母線電壓將到某一電壓值（制動單元的停止電壓）時，制動單元功率管關斷，此時沒有電流流過電阻，制動電阻在自然散熱，降低自身的溫度。4、當直流母線電壓重新升高至動作電壓時，制動單元重復以上過程，以平衡母線電壓，使系統(tǒng)正常工作。3.4 系統(tǒng)功能表1：主要描述系統(tǒng)所能實現的功能制動單元系統(tǒng)功能功能說明參數設定制動起始電壓設定設定制動單元的動作制動起始電壓值制動停止電壓設定設定制動單元的動作制動停止電壓值制動使用率設定制動單元的工作使用率故障報警模塊異常報警當直流回路發(fā)生斷路，過載或IGBT模塊損壞故障報警，故障繼電器動作散熱器過熱制動單元散熱器過熱報警，故障繼電器動作輸入輸出故障繼電器（輸出）制動單元故障時故障繼電器吸合報警外部禁止（輸入）當外部設備禁止制動單元工作時用顯示停止狀態(tài)制動單元已經上電，但是不進行任何操作，面板閃爍顯示當前的母線電壓，RUN指示燈熄滅運行狀態(tài)對母線電壓進行監(jiān)控，面板顯示當前的母線電壓置，RUN亮，BRK指示燈根據是否制動而定編程狀態(tài)運用鍵盤操作面板，進行功能參數的修改和設置故障報警狀態(tài)由于外部設備或制動單元內部出現故障，且ALM燈亮，或操作失誤，制動單元會給出相應的故障代碼并且封鎖輸出，需手動復位外部設備禁止此時制動單元雖處于運行狀態(tài)但是不對母線電壓的監(jiān)控，顯示面板EXT指示燈亮3.5 制動單元通用的技術指標表2：項目內容輸入電壓560V直流電壓波動+（）50%動作電壓250V800V可設，步進為1V制動使用率1%100%可設，步進為1%環(huán)境環(huán)境溫度1040相對溫度90%RH以下存儲溫度2065標高、振動海拔1000m以下，振動5.9m/s2安放地點室內、不受陽光直射、可燃性氣體、油霧、水蒸氣、鹽分等保護構造IP20冷卻方式自然冷卻4 制動單元的硬件基本方案4.1 制動單元硬件配置功能單元硬件及其功能簡要說明1主控板1、 完成制動單元的脈沖發(fā)生，故障監(jiān)控2、 功率模塊的驅動電路3、 直流母線電壓檢測4、 四位數碼管及其指示燈的驅動2電源板開關電源3顯示板四位數碼管及其指示燈4功率模塊、散熱器西門康專用的IGBT、型材散熱器4.2 制動單元硬件基本框圖4.3 制動單元的主控板主要由CPU及外圍控制電路、電壓檢測電路、壓頻轉換電路、驅動電路、外部禁止控制電路、溫度檢測電路、故障報警回路、輸入輸出。4.3.1 CPU及外圍控制電路由單片機（AT89C52）、系統(tǒng)電源監(jiān)視、看門狗及EEPROM等電路構成單片機系統(tǒng)，完成以下功能：1）、上電復位及看門狗復位2）、母線電壓采樣濾波3）、PWM脈沖的發(fā)生4）、故障的監(jiān)控和報警5）、母線電壓和各狀態(tài)的顯示6）、設定數據的保存 1、 AT89C52（1）、簡介AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。主要功能特性：兼容MCS51指令系統(tǒng)8k可反復擦寫(1000次）Flash ROM32個雙向I/O口256x8bit內部RAM3個16位可編程定時/計數器中斷時鐘頻率0-24MHz2個外部中斷源可編程UART串行通道低功耗空閑和掉電模式共6個中斷源軟件設置睡眠和喚醒功能3級加密位AT89C51具有高性價比的特點。（2）接口部件1）、振蕩器該電路采用內部方式，利用其本身的內部振蕩器產生時鐘，在X1和X2引腳上外接一個晶體及電容組成的并聯諧振電路，便構成了一個完整的振蕩發(fā)生器。圖中電容C40、C41晶體Y1組成并聯諧振電路。2、X5045 （1）、簡介系統(tǒng)數據存儲器，由X5045組成，它是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM三種功能于一身的可編程電路。這種組合設計減少了電路對電路板空間的需求。X5045輸出復位為高電平有效。X5045中的看門狗對系統(tǒng)提供了保護功能。當系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設置時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU做出反應。X5045提供了三個時間值提供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護系統(tǒng)免受低電壓的影響，當電源電壓降到允許范圍以下時，系統(tǒng)將復位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲器與CPU可通過串行通信方式接口，共有4096個位，可以按512x8個字節(jié)來放置數據。X5045的CS：片選輸入；SO：串行輸出；SI：串行輸入；SCK：串行時鐘輸入；WP：寫保護輸入；RESET：復位輸出。（2）、工作原理1）、上電復位向X5045加電時會激活其內部的上電復位電路，從而使RESET引腳有效。該信號可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當VCC超過器件的門限值時，電路將在延時200ms（典型）后釋放RESET以允許系統(tǒng)開始工作。2）、低電壓監(jiān)視工作時，X5045對VCC電平進行監(jiān)測，若電源電壓跌落至預置的最小以下時，系統(tǒng)即確認RESET，從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況下工作。當RESET被確認后，該RESET信號將一直保持有效，直到電壓跌到低于1V。而當VCC返回并超過達200ms時，系統(tǒng)重新開始工作。3）、看門狗定時器看門狗定時器的作用是通過監(jiān)視WDI輸入來監(jiān)視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸發(fā)CS/WDI引腳以避免RESET信號激活而使電路復位，所以CS/WDI引腳必須在看門狗超時時間終止之前受到由高至低信號的觸發(fā)。4）、SPI串行存儲器器件存儲器部分是帶鎖存保護的CMOS串行EEPROM陣列，陣列的內部組織是x8位。X5045可提供最少為1000,000次擦寫和100年的數據保存期，并具有串行外圍接口（SPI）和軟件協(xié)議的特點，允許工作在簡單的四總線上。X5045電路具有的多功能、反應速度快、抗干擾能力強等特點在產品設計時表現的淋瀝盡致。可以說X5045是一種性能價格比較高的電路芯片，并可非常方便地與許多常用CPU系列器件接口。3、復位電路的選用傳統(tǒng)的阻容復位電路復位脈沖的寬度主要取決于電容電阻的參數，阻容復位電路大部分情況下均能良好地工作，但在電源出現瞬時跌落的情況下，將無法獲得參數符合要求的復位脈沖或根本無法產生復位脈沖，從而影響系統(tǒng)的可靠性工作。 IMP810為Microchip公司高性價比的系統(tǒng)監(jiān)控電路，用來對數字系統(tǒng)的電源電壓VDD進行監(jiān)控，并在必要時向主處理器提供可靠的復位信號。無需搭配外部元件使用。 IMP810可進行準確的VDD 監(jiān)控，并在上電，斷電，掉電及電源電壓下陷時提供準確的復位時序。這兩款器件還具備對電源線上的負向瞬態(tài)脈沖干擾進行抑制的能力，是全面替代阻容復位電路的理想選擇。4.3.2 電壓檢測電路該電路是本設計的重點內容，目的在于把直流母線上的電壓轉換到后續(xù)電路可以識別的范圍，并且和輸入電壓形成便于運算的線性關系。該電路有兩極放大電路，都是采用OP07集成運算放大器，由母線上檢測到的電壓經過R22、R23、R24、R25、R26、R27分壓后，兩個二極管作為限幅電路讓信號在預置的電平范圍內。第一級OP07放大電路是采用的差分式放大電路，所用的電位器RP1、RP2來調零，抵消輸入失調電壓和輸入失調電流的影響。R28作為反饋電阻使用。R4、C7則是簡單的濾波電路。OP07的噪聲峰峰值為0.6uv，共模抑制比CMRR106db,管腳2、3為信號差動輸入端，1、8為調零端，6為輸出端。運算放大器OP07的輸出信號，由LM331進行V/F轉換為脈沖信號，輸入至89C52的T0口，進行頻率計數，該計數脈沖頻率即反映了所測得電壓大小，若所測電壓與系統(tǒng)設定得電壓不相符時，則由單片機發(fā)出信號給驅動模塊驅動IGBT,接入制動電阻，消耗能量，降低母線電壓，保護電路。4.3.3 壓頻轉換電路LM331是美國NS公司生產的性價比較高的精密電壓頻率轉換器，它采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1Hz時，仍有較好的線性；變換精度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個阻容元件就可方便構成V/F變換電路，并且容易保證轉換精度。該轉換電路優(yōu)于普通8位并行A/D轉換器，有利于提高系統(tǒng)的測量范圍。該電路中，電阻R16它主要是使LM331的輸入端7腳產生偏流，以抵消6腳偏流的影響，從而減少頻率偏差。R33和可調電位器RP3的作用是調整LM331的增益偏差和由R31、R32及C29引起的偏差。6腳的電阻R31和1.0u F電容器C31并聯用以產生滯后效應，使V/F轉換獲得良好的線性度。LM331的輸出驅動器采用施密特觸發(fā)器74HC14，經觸發(fā)后的電平送給單片機的P34口作為T0的計數脈沖，單片機再將不斷變化的頻率轉換成相應的電壓。4.3.4 IGBT驅動電路開關部分采用的是全控型電力半導體器件。全控型電力半導體器件主要有GTO，GTR，P-MOSFET，IGBT等。本電路采用的是IGBT。IGBT是電壓型器件，只要有足夠的驅動電壓和很小的電流就可以，因而電壓型器件只需很小的驅動功率。絕緣柵雙極型晶體管IGBT是一種新發(fā)展起來的復合型電力電子器件，是將GTR、MOSFET這兩類器件相互取長補短適當結合而成的復合器件，柵極為絕緣柵結構（MOS結構）的晶體管，主電路部分則與GTR相同，它的三個極分別是集電極C、發(fā)射極E和柵極G。IGBT既有單極型電壓驅動器件MOSFET易驅動、通態(tài)壓降低的特點，又具有GTR耐高壓、電流大的優(yōu)點，其開關速度雖較功率MOSFET低，單是遠高于GTR，又因是電壓型控制器件，所以控制電路簡單，穩(wěn)定性好。因此，在20KHZ及以下中等容量變流裝置中得到廣泛的應用。頻率特性介于功率晶體管與MOSFET之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內，故在逆變電路中一般都用這種開關器件 。圖5 IGBT的結構IGBT在開關過程中需要一個+15V電壓以獲得低升啟電壓，還需要一個電壓以防止關斷時的誤動作。這兩種電壓（+15、-15V）均可由20V供電的驅動器內部電路產生。IGBT的特性和參數特點：1）、IGBT開關速度高，開關損耗小；2）、在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力；3）、IGBT的通態(tài)壓降比大功率MOS管低，特別是在電流較大的區(qū)域；4）、IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似；5）、與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時可保持開關頻率高的特點。IGBT的保護，將IGBT用于電力變換時，應采取保護措施以防損壞器件，常用的保護措施有：1）、通過檢測出過電流信號切斷門極控制信號，實現過電流保護；2）、利用緩沖電路抑制過電壓并限制過量的；3）、利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當超過允許的溫度時主電路跳閘，實現過熱保護。大多數IGBT生產廠家為了解決IGBT的可靠性問題，都生產與其相配套的混合集成驅動電路，如日本的EXB系列，日本東芝的TK系列，美國摩托羅拉的MPD系列等。這些專用的驅動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功能完善，可實現IGBT的最優(yōu)驅動。本電路采用日本富士的EXB系列，快速型IGBT專用驅動模塊。EXB841模塊是單電源動作，高速運行，具有過電流保護電路的特點。當單片機檢測到直流母線上的電壓大于所設的電壓范圍時，由單片機發(fā)出信號供給EXB841模塊，使之工作驅動IGBT動作，帶動制動電阻消耗能量，從而產生保護作用。IGBT通常只能承受10Us的短路電流，所以必須有快速保護電路，EXB841內部有電流保護電路，根據驅動信號與集電級之間的關系檢測過電流。當集電級電壓過高時，雖然加入信號也認為存在過電流，但是如果發(fā)生過電流，驅動器的低速切斷電路就快速關斷IGBT，從而保證IGBT不被損壞。如果以正常速度切斷過電流，集電級產生的電壓尖脈沖就會破壞IGBT。EXB841個引腳的功能：1腳連接反向偏置電源；2腳接電源；3腳驅動輸出；4腳用于連接外部電容器，防止過流保護電路誤動作；5腳過流保護輸出；6腳集電級電壓監(jiān)視；7、8不接；9腳電源；10、11不接；14、15驅動信號輸入。4.3.5 外部禁止控制電路外部控制信號端子主要有兩個，一個是EXT，另一個是COM，EXT是外部控制信號，COM是外部控制信號地，輸入直流24V電壓。，當EXT為24V（對COM）時，制動單元封鎖輸出，當該信號撤銷時，制動單元恢復正常工作，此時制動單元雖處于運行狀態(tài)，但不進行對母線電壓的監(jiān)控。4.3.6 溫度檢測回路原理圖：當電路工作時，有時溫度變化大，所以增加了溫度報警回路。采用溫度繼電器來控制。當溫度過高時，繼電器動作，吸合，此時流過反向器的電平為低電平，經反向后得到高電平，提供給單片機。4.3.7 故障報警回路故障報警主要有模塊異常報警，散熱器過熱報警，輸入錯誤。 當制動單元自身發(fā)生故障時，繼電器動作。TA表示故障繼電器的公共點；TB表示故障繼電器的常閉點；TC表示故障繼電器的常開點。1、模塊異常報警當直流回路發(fā)生短路。過載或IGBT模塊毀壞時報警故障繼電器動作。面板顯示Err2且ALM燈亮。2、散熱器過熱225、故障報警電路原理圖如下：故障報警主要有模塊異常報警，散熱器過熱，輸入錯誤。一方面可由單片機提供顯示，另一方面可以遠程監(jiān)控。1、 模塊異常報警：當直流回路發(fā)生短路，過載或IGBT模塊提供故障時，報警故障繼電器動作，面板顯示Err2且ALM燈亮。2、 散熱器過熱制動單元散熱器過熱報警，故障繼電器動作，面板顯示Err1且ALM燈亮。3、輸入錯誤在參數保護的情況下設定參數，面板會顯示Err3，提示用戶參數已寫保護，以防誤操作。4.3.8 輸入輸出部分1、制動單元出現故障時，故障繼電器吸合。2、外部設備想控制制動單元時，選用外部控制輸入端子。3、上述輸入、輸出應用端子焊在電路板上，其示意圖如下：EXT：外部控制信號COM：外部控制線號地TA：故障繼電器輸出公共端TB：故障繼電器輸出常閉端TC：故障繼電器輸出常開端4.4 開關電源4.4.1 簡介：開關電源所提供的電壓為直流電，為各個電路提供電源。它的核心部分是大功率的開關管和脈沖變壓器，其逆變電路完全式數字調速，能達到非常高的調整精度。開關電源是一種高頻電源轉換電路，采用開關器件來控制未經穩(wěn)壓的直流輸入電源，配合相應的濾波線路，產生穩(wěn)定的直流輸出，輸出電壓的高低取決于開關器件的占空比。早期的開關電源采用分立器件，但結構復雜，性能也不理想。隨著半導體技術的發(fā)展，開關電源控制所需的集成開關穩(wěn)壓器控制芯片應運而生，這就是脈沖寬度調制（PWM）器件，而且功能不斷完善，性能不斷提高，而外接元件卻越來越少，這使得開關電源的設計大大簡化，同時性能逐步提高，促進了開關電源的發(fā)展。用PWM器件設計的開關電源以其體積小、重量輕、效率高、可靠性好等顯著優(yōu)勢在民用和軍用電子產品中發(fā)揮著日益重要的作用。4.4.2 開關電源的設計原理原理圖：（見附錄）開關電源的原理框圖如圖所示，整機電路包含主電路與控制電路兩部分。主電路輸入整流濾波、逆變電路、輸出整流濾波等組成，它的主要作用是將電網的能量傳遞給負載。主電路以外的電路統(tǒng)稱為控制電路，它保證主電路正常工作并獲得設計期望的技術指標。與此相應。開關電源設計包括主電路設計與控制電路設計兩大部分。主電路設計包含主電路形式的選擇，開關工作頻率、功率器件的選型與額定參數的確定，變壓器與電感參數計算等?？刂齐娐吩O計的基本任務是根據主電路形式確定合適的控制方法及其實現，此外應考慮必要的故障檢測與保護電路。圖8 開關電源的原理框圖框圖中各部分簡介：（1）、輸入電網濾波：消除來自電網如電動機的啟動，電器的開關，雷擊等產生的干擾，同時也防止開關電源產生的高頻噪聲向電網擴散。（2）、輸入整流濾波：將電網輸入電壓進行整流濾波，為變換器提供直流電壓。（3）、逆變電路：是開關電源的關鍵部分，它把直流電壓變成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入帶電網隔離的作用。（4）、輸出整流濾波：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時還防止高頻噪聲對負載的干擾。（5）、控制電路：檢測輸出直流電壓，并將其余基準電壓比較，進行放大，調到振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。（6）、保護電路：當開關電源發(fā)生過電壓，過電流短路時，保護電路使開關電源停止工作以保護負載和電源本身。4421 主電路形式的選擇主電路形式主要依據輸出功率大小、輸出電壓高低等進行選擇。如輸出功率較大時采用三相輸入電源及橋式逆變電路；如輸出功率較小但是輸出電壓較高時應采用反激變換器電路。本電路選擇后者。4422 開關工作頻率目前，軟開關電源，開關工作頻率通常在數百前赫茲以上，對硬開關電源開關工作頻率通常在20KHZ到100KHZ之間。開關頻率越高。所需要的濾波電感、電容容量就越小，脈沖變壓器體積也越小，然而相應的器件關損耗增大，對開關器件的開關速度要求也越小，干擾抑制等問題也更復雜。不同的功率器件有不同的開關頻率。小功率MOSFET的開關頻率可達50KHZ以上。4423 功率器件的確定根據輸出功率要求與主電路開關工作頻率，可基本選定功率器件類型。本電路選用MOSFET管作為開關器件。4424 磁性元件的設計磁性元件的設計包括變壓器、電感。磁性元件的設計是主電路設計的重要內容。（1）、電感器設計開關電源中的電感通常作直流濾波用。電感設計首先應根據電路工作要求確定流過的平均電流及容許的紋波大小，同時還應給定容許的電感銅耗大小。（2）、變壓器設計變壓器設計包括變比確定，磁芯材料及磁芯形式選擇，繞阻匝數及導線規(guī)格等。1）、線圈聯線圖：圖9 變壓器的基本模型繞線順序：N1、N2、N3、N4、N5、N6其中N3雙線并繞，N4、N5繞在同一層，繞線均勻，整齊。2）、具有的優(yōu)缺點：優(yōu)點：體積小，重量輕，效率高，自身抗干擾性強，輸出電壓范圍寬，模塊化。缺點：由于逆變電路中會產生高頻電壓，對周圍設備電壓有一定的干擾。需要良好的屏蔽及接地。4425 控制電路設計控制電路的核心是根據反饋控制原理，將期望輸出電壓信號與實際輸出電壓信號進行比較，利用誤差信號對功率開關管器件的導通與關斷比例進行調節(jié)，從而實現輸出電壓維持在期望電壓值附近的目標。目前，能實現PWM控制的集成電路芯片種類較多，該控制電路采用的是UC3844。一、UC3844的簡介UC3844是單端輸出脈沖調制器，具有管腳數量少，外圍電路簡單安裝與調試簡便，性能優(yōu)良，價格低廉等優(yōu)點。通過高頻變壓器與電網隔離，同時具有輸入端過壓保護與輸出端過流保護，欠壓鎖定電路，工作穩(wěn)定可靠。1、工作原理采用DIP-8封裝，其內部框圖如下：主要包括5v基準電壓源，振蕩器，誤差放大器，過流檢測電壓比較器，PWM鎖存器，輸入欠壓鎖定電路，門電路，輸出級，34V穩(wěn)壓管。內部基準電壓源產生的5V基準電壓，作為UC3844內部電源，經衰減的2.5V電源作為比較放大器基準，并作為向外電路輸出5v/500Ma的電源，振蕩器產生方波震蕩，振蕩頻率取決于外接定時元件，RT接在8腳和4腳之間，CT接在4腳到地，該電路中的定時元件為R8、C2,振蕩頻率為f=1/(8RTCT),反饋電壓VFB由2腳到1腳外接，該電路由（R6、C1）構成，該電路用來改變誤差放大器閉環(huán)增益和頻率特性。第6腳輸出驅動開關管的方波，為圖騰柱式輸出，適用于驅動MOS開關管，輸出電流可達+（-）200mA,3腳為電流檢測端，用于檢測開關管電流，當電壓大于1v時，可關閉輸出脈沖，保護開關管不至于過流損壞，UC3844包括過壓欠壓保護電路，當電源電壓超過16v或低于10v時，集成電路停止工作。2、UC3844的開關電源電路采用以PWM集成電路UC3844為核心設計的高頻率單端式正激式開關電源如圖所示。見附錄。所謂單端式，是指高頻變壓器的磁芯僅工作在磁滯回線得一側，并且只有一個輸出端。直流母線上的電壓經過R1、R2、R5降壓后至7腳，利用R12、C7、C15的充電過程時VCC逐漸升至+16V以上，也就實現了軟啟動，一旦開關功率管轉入正常工作狀態(tài)，自饋線圈N2上所建立的高頻帶那井D6、C16、C7、R12整流濾波后，就作為芯片的工作電壓至此，啟動過程結束。自饋線圈N2的輸出電壓經過取樣代電壓分壓后，回送到UC3844的誤差放大器的反向斷2腳作為比較電壓，當直流母線上的電壓升高或負載阻值變大導致輸出電壓也升高時，2腳電壓隨之升高，誤差放大器輸出降低，進而使輸出脈沖寬度變窄，縮短MOS管的導通時間，反之亦然，總的效果是保持輸出恒定，不受干擾。根據圖中定時元件的數值，UC3844的工作頻率為90HZ。與變壓器的原邊線圈N1并聯的R3、R4、C6網絡起消除反向尖峰代電壓的保護作用，俗稱吸合電路，又稱緩沖電路。緩沖電路連接在變壓器初級的兩端，以確保變壓器泄漏電感引起的尖峰信號，不會造成開關漏極電壓超過其擊穿電壓。如果超過擊穿電壓，器件會發(fā)生雪崩，由于它具有一定的雪崩額定值，這樣僅僅多消耗一點功率，不需配置昂貴的齊納緩沖器。電路中，D5是保護集成電路免收系統(tǒng)啟動時產生過高電壓的損壞。C5、R10、R18具有消除電流波形的作用。在MOS開關管前串電阻R9是將衰減由MOSFET輸入電融合在柵源電路中的任何串聯引線電感產生的高頻寄生振蕩。D3、D4、R6起到軟啟動的作用，保證輸出的電壓平穩(wěn)。當MOS管導通時D2截至,MOS管截至時D2導通，形成脈沖。D2是產生續(xù)流的作用。 該芯片具有體積小，重量輕，成本低，性能良好，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。二、LM2575的簡介單片機系統(tǒng)是本設計的核心部分，而單片機在20M晶振的速率運行時很容易受到外界的各種影響。電源的穩(wěn)定尤為重要。所以為了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，我們增加了穩(wěn)壓集成電路。LM2575開關穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導體公司生產的1A集成穩(wěn)壓電路。它內部集成了一個固定的震蕩器，只需極少外圍器件便可構成一種高效的穩(wěn)壓電路，它大大減小散熱片體積，而在大多數情況下不需散熱片。內部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等；芯片可提供外部控制引腳，是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代品。三、PWM調制PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。就是按照一定規(guī)律對可控開關器件門極驅動脈沖的寬度進行控制以改變器件導通時間，實現對輸出的調節(jié)，屬于無源逆變。特別是近年來大功率全控型開關器件性能的提高，使PWM控制逆變器的開發(fā)和應用得到快速的發(fā)展。1、脈寬調制原理PWM控制是在逆變器輸出的周期內將直流輸入斬成幅值相等而寬度可變的脈沖序列加在負載兩端，這種方式通過對逆變開關控制脈沖寬度的調制來改變每個工作周期中開關導通占空比，從而達到電壓調節(jié)的目的。2、脈寬調制的分類按照對逆變器輸出周期中斬切脈沖的個數及脈沖寬度分布的情況，PWM控制可分為單脈寬調制和多脈寬調制。多脈寬調制又分為等寬脈沖和可變脈沖調制兩類。多脈沖PWM控制具有較單脈沖調制低的諧波幅值和較高的諧波次數，有利于濾波。然而諧波抑制的同時，基波幅值也降低。用可變脈寬的多脈沖調制，可通過改變逆變器開關開通和關斷時刻來消除一些次諧波。由于可變脈寬多脈沖調制的優(yōu)點，近年來在硬開關逆變電路中得到了廣泛的應用，為了對脈沖寬度進行調制，可用不同的方法，當前用的較普通的是正弦脈寬調制。PWM控制技術的重要理論基礎是面積等效原理，以一系列等幅不等寬的脈沖來代替。4.5 顯示電路采用四位數碼管顯示，因為在本系統(tǒng)中單片機（AT89C52）的I/O剩下較多，故數碼管、段驅動由單片機的I/O直接操作，并通過軟線連接到顯示板上。通過接口由單片機提供信號，驅動A/D轉換器，從而實現數碼顯示。數碼顯示區(qū)示意圖：功能說明：RUN：綠燈亮則表示系統(tǒng)運行ALM：紅燈亮則表示故障報警EXT：綠燈亮則表示外部禁止BRK：綠燈亮則表示系統(tǒng)制動狀態(tài)顯示單元說明：指示燈含義指示燈顏色RUN運行指示燈黃色ALM報警指示燈紅色BRK制動指示燈綠色制動單元運行時RUN指示燈（黃色）為閃爍?？偨Y：從制動單元的工作原理上看，制動單元主要有5種工作狀態(tài)：（1）、停止狀態(tài)制動單元已經上電，但不進行任何操作的狀態(tài)，面板顯示當前的母線電壓，RUN指示燈熄滅。（2）、運行狀態(tài)制動單元對母線電壓進行監(jiān)控，面板顯示當前的母線電壓值，RUN亮，BRK指示燈看是否制動而定，母線電壓超過設定得電壓值時將進行值將進行制動。（3）、編程狀態(tài)運用鍵盤操作面板，進行制動單元的功能參數攝制。（4）、故障報警狀態(tài)由于外部設備或制動單元內部出現故障，或操作錯誤，制動單元會給出相應的故障代碼并且封鎖輸出。（5）、外部禁止狀態(tài)此時制動單元雖處于運行狀態(tài)，但不進行對母線電壓的監(jiān)控，顯示面板EXT指示燈亮。5 軟件基本方案 制動單元的軟件主要由子程序模塊組成，其軟件流程和主要子程序模塊如下：子程序名稱功能簡介1系統(tǒng)初始化上電系統(tǒng)數據，中斷初始化2母線電壓采樣濾波采樣濾波母線電壓，并用于控制和顯示3脈沖發(fā)生器根據母線電壓及相關的信息產生驅動脈沖4狀態(tài)顯示顯示母線電壓及各狀態(tài)5按鍵處理對輸入的按鍵進行判斷，執(zhí)行相應的操作6故障監(jiān)控處理制動單元故障并進行故障報警5.1 主程序流程：主程序主要用于系統(tǒng)的控制和管理。系統(tǒng)加電后，AT89C52自動上電復位，開始運行主程序。5.2 故障監(jiān)控溫度故障，外部禁止，軟件采用查詢方式來進行故障檢測。與鍵盤值一起讀入，采取相應措施。驅動模塊的過流故障時由終端方式取得響應，這樣在驅動模塊產生過流故障時可以及時采取措施保證器件的安全。5.3 母線電壓采樣：這里我們用計數器和定時器來完成電壓的采樣工作。T0作為計數器，來接收LM331的頻率信號。得到我們要的次數值。T1作為定時器，不斷的產生中斷，以取得我們所需要的時間量。經過計算可以得到頻率值。再換算為電壓值，就可以測得直流母線的電壓。在程序中我們盡量采取按位移動等方法避免單片機進行乘除運算，以減輕單片機運算任務。5.4 人機接口人機接口是用鍵盤和LED顯示解決。鍵盤會定時的由P1口讀入，處理前要進行延時，達到軟件消除鍵抖的目的。程序采取選擇結構響應相應的按鍵值。顯示由四位LED完成。為掃描顯示方式。使用數組建立顯示緩沖區(qū)。用定時器2定時產生中斷來完成顯示。在工作過程中程序按要求改變顯示緩沖區(qū)的內容，這樣就完成了人機交的工作。6 制動單元的PCB設計6.1 PCB設計規(guī)則及要點6.1.1 確定PCB的分布 該設計考慮到結構方面的因素，決定分為兩大塊：主控板和電源板。這樣安排既滿足了尺寸上的要求，又可以減少開關電源對整個系統(tǒng)的干擾。是本設計在工業(yè)生產中更加安全穩(wěn)定。而且可以方便今后的安裝調試。6.1.2 確定PCB的層數 電路板尺寸和布線層數需要在設計初期確定。主要取決于器件的數量，封裝形式，板子的尺寸等因素。該設計中由于對尺寸沒有嚴格要求，所以采取了雙面板。 6.1.3 組件布局按照原理圖的思路進行布局，器件形成功能塊，這樣可以降低走線的難度。 6.1.4 布線 為完成布線任務，布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。分自動布線和手動布線兩種。自動布線由計算機完成，效率高，但由于軟件等種種原因在線寬度、過孔的最大數量、平行度、信號線之間的相互影響以及層的限制方面效果不盡如人意，該設計基本采用手動布線。以達到設計要求。 6.2 主控板的PCB設計主控板以單片機為核心布局，設計中我們?yōu)榱讼到y(tǒng)安全穩(wěn)定，注意了以下方面：(1)晶振引線盡量短，并用底線包裹。防止干擾危害到單片機的時鐘信號。 (2)濾波電容靠近需要濾波的器件。從而達到滿意的效果。 (3)長距離的走線中途加濾波電容，防止干擾。 (4)為了今后安裝調試維修的方便，在主控板的空閑地方增加了測試點。6.3 電源板的PCB設計電源以開關管變壓器為核心布局，同樣我們注意了以下幾方面：(1)為了防止高電壓產生打火的現象，隔絕強弱電壓，我們在PCB板需要的地方進行開槽。(2) 注意了單位面積承載固定的電流的要求，加粗了大電流線路的寬度。以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。(3) 外圍電路靠近主要器件。以減少干擾所產生的后果。7 整機調試PCB板設計完成后，經過制造加工后得到一塊完整的電路板。在進行調試的過程中，出現了一些問題，例如： P1口的上拉電阻，在設計時認為P1口為準雙向口內部有上拉電阻，所以沒有再外加上拉電阻。但經公司資深工程師建議：為保證上拉電阻效果采取外加上拉電阻。以保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行。8 有關參數的計算8.1 制動轉矩TB的計算式中：TB：制動電磁轉矩（Nm） ：電機的轉動慣量（N）：電機負載側折算到電機側的轉動慣量（N）：負載阻轉矩（Nm）N1：制動前電機速度(rpm)N2：制動后電機速度(rpm)Ts：減速時間（s）一般情況下，在進行電機制動時，電機內部存在消耗，這合成制動轉巨大約為電動機額定轉距的20%，因此計算出的制動電磁轉矩小于20%的額定轉矩，則表明無需接外接制動裝置。8.2 制動電阻的計算在制動單元工作過程中，直流母線的電壓的升降絕于常數RC，R為制動電阻的阻值，C為變頻器的電解電容的容量。由充電放電曲線我們知道，RC越小母線電壓的放電速度越快，在C保持一定（變頻器型號確定）的情況下，R越小。母線電壓的放電速度越快。由以下公式可以求制動電阻的阻值：式中： ：制動單元作電壓值。一般為710V TM：電機額定轉矩（Nm）這里設定N2為0，這樣該阻值就滿足電機各種減速狀況的要求。8.3 制動單元的選擇在進行制動單元的選擇時，制動單元工作時流過開關管的最大瞬時電流要小于該器件的額定電流是選擇的唯一依據，通過計算最大電流值，就可以選擇合適的制動單元。計算公式如下：式中：制動單元直流母線電壓值，一般為800v ：制動電阻值 ：制動單元瞬時值一般變頻器的硬件過壓保護值為760v,考慮啟動作的滯后，將其適當加大。但一般不會超過800v，因此在計算時IC適當加大了。8.4 制動電阻的標稱功率 由于制動電阻為短時工作制，即每次通電時間很短，在通電期間，電阻溫升，但瞬時功率很高；每次通電后的間歇時間較長，在該段時間內其溫度在不斷下降，如此循環(huán)往復，最終使電阻達到一個穩(wěn)定溫度，一般有80100度。因此根據電阻的特性和技術指標，我們知道電阻的標稱功率將小于通電時的消耗功率，一般可用下是求得： 式中： PR：制動電阻的額定功率 PS： 制動期間平均功率ED%：制動使用率，這里選擇：10% a.制動電阻降額系數，一般選1.52，該值可由電阻的降額曲線查的PS可有以下公式求得： （W）結論該制動單元功率等級為15，30，55KW，輸入電壓DC280VDC800V，制動使用率從1%100%連續(xù)可調。顯示直觀，有良好的人機顯示，母線電壓實時可調。使用時必須和變頻器配合使用，這種制動單元屬于外置式的，在技術上有一定的保證。 它所具有的特點：（1）、電壓范圍廣，適合各種電壓等級的變頻器，動作及停止電壓在250V800V之間，連續(xù)可調，允許在電網變動大的場合使用。（2）、充足的熱冗余保證，完善的電磁兼容，適合惡劣的工業(yè)環(huán)境；（3）、良好的