1.概述
在電氣傳動領(lǐng)域中，隨著自關(guān)斷器件技術(shù)水平的不斷提高，脈寬調(diào)制技術(shù)（簡稱PWM技術(shù)）也日趨成熟。PMW交流變頻調(diào)速以其高效率、高功率因數(shù)、輸出波形好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在井下風(fēng)機(jī)、水泵、造紙機(jī)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。將單片機(jī)應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，可有效地避免傳統(tǒng)調(diào)速方案中的一些缺點，達(dá)到了提高控制精度的目的[1]，其特點：
?。?）采用單片機(jī)可以使絕大多數(shù)控制邏輯通過軟件實現(xiàn)，簡化了電路。
?。?）單片機(jī)具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快，精度高，有大容量的存儲單元，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制。
（3）無零點漂移，控制精度高。
（4）可以提供人機(jī)界面，多機(jī)連網(wǎng)工作。
根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)變頻調(diào)速的最新研究成果及研究動向，參閱大量的文獻(xiàn)、資料，本著先進(jìn)性與成熟性兼顧、標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性、連續(xù)性、及時性的系統(tǒng)設(shè)計原則，設(shè)計了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
整個電路分為三大部分：主回路、驅(qū)動電路以及用單片機(jī)控制PWM產(chǎn)生器的控制電路，另外還有過流檢測和保護(hù)電路，這樣使得系統(tǒng)工作更穩(wěn)定、可靠。
2.系統(tǒng)主回路設(shè)計
2.1整流濾波電路的設(shè)計
為了給逆變器提供一個穩(wěn)定的直流電壓，需要將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流。通常整流電路可分為可控整流和不可控整流?？煽卣骺梢允瓜到y(tǒng)的功率因數(shù)接近l，并且具有較小的紋波，頻率高，可降低較小幅值的濾波電容。但是采用可控整流電路會使得系統(tǒng)成本上升，并且控制電路復(fù)雜。
目前比較經(jīng)濟(jì)可靠的方案，一般都是采用二極管整流，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變輸出電壓無關(guān)而接近于1。在本系統(tǒng)中，我們采用了三相二極管不可控整流，如圖2所示，采用它無需控制電路驅(qū)動，電路簡單、可靠，成本低，缺點就是紋波較大，需采用較大幅值的濾波電容。
2.2 三相逆變電路的設(shè)計
三相交流負(fù)載需要三相逆變器，在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路[2]。采用IGBT作為可控元件的電壓型三相逆變電路如圖3所示，可以看出電路由三個半橋組成。
電壓型三相逆變橋的基本工作方式與單相逆變橋相同，是 導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為 ，同一相（同一半橋）上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的時間依次相差 。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€臂，下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進(jìn)行的，因此，也被稱為縱向換流。用T記為周期，只要注意三相之間互隔T/3（T是周期）就可以了，即B相比A相滯后T/3，C相又比B相滯后T/3。
具體的導(dǎo)通順序如下：
第1個T/6:V1,V6,V5導(dǎo)通,V4,V3,V2截至;第2個T/6:Vl,V6,V2導(dǎo)通,V4,V3,V5截至;
第3個T/6:V1,V3,V2導(dǎo)通,V4,V6,V5截至;第4個T/6:V4,V3,V2導(dǎo)通,V1,V6,V5截至;
第5個T/6：V4,V3,V5導(dǎo)通,V1,V6,V2截至;第6個T/6:V4,V6,V5導(dǎo)通,V1,V3,V2截至。
3 驅(qū)動電路及系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計
3.1 驅(qū)動電路的設(shè)計
作為功率開關(guān)器件，IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整機(jī)的性能，所以選擇或設(shè)計合理的驅(qū)動電路顯得尤為重要。采用一個性能良好的驅(qū)動電路，可使IGBT工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對提高整個裝置的運(yùn)行效率，可靠性和安全性都有重要的意義。
驅(qū)動電路必須具備兩個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖[ 3]。
對驅(qū)動電路的要求，可歸納如下：
1）IGBT和MOSFET都是電壓驅(qū)動，都具有一個2.5～5V值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。
2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓Uge,有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。
3）驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。
4）在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。
5）IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。
本文采用美國IR公司推出的IR21lO集成驅(qū)動器來驅(qū)動IGBT，它兼有體積小，速度快，電路簡單的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。
驅(qū)動芯片IR2110用于驅(qū)動半橋電路如圖4所示。
3.2 電流檢測及過流保護(hù)電路
當(dāng)流過IGBT的電流過流，一旦超出安全區(qū)，IGBT將永久損壞，因此系統(tǒng)要設(shè)置電流過流保護(hù)電路，系統(tǒng)在變頻器的直流部分串電流互感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號再通過比較器比較，將過流信號檢測出來后，送到SA828l的脈沖封鎖端（電平信號），那么SA828l就會停止輸出PWM脈沖，以保護(hù)IGBT。IGBT的過電流保護(hù)電路如圖5所示。
其中運(yùn)放C814組成電壓跟隨器，其輸入來自電流互感器的輸出。兩個電壓比較器C271組成窗口電壓比較器，比較器的輸出經(jīng)施密特反相器連接到與門的輸入端。當(dāng)IGBT沒有過電流時，C814的輸入電壓比較低，窗口電壓比較器輸出高電平，因此EN信號為高電平，使IGBT驅(qū)動信號有效;反之，當(dāng)IGBT過電流時，EN信號變?yōu)榈碗娖剑怄i了IGBT驅(qū)動信號而使IGBT關(guān)斷，調(diào)節(jié)電位器RP，可以改變過流閥值的大小。
過壓保護(hù)電路的原理與電流保護(hù)電路類似，另外在主電路上應(yīng)配裝一個10A的快速熔斷保險，當(dāng)電路發(fā)生嚴(yán)重過流時，快速熔斷保險燒斷切斷電網(wǎng)電源，盡可能的保證主電路的安全。
4.控制電路軟硬件設(shè)計
三相SPWM發(fā)生器是控制電路的核心部分。在本設(shè)計中，我們選用了AT89C51單片機(jī)控制英國MITEL公司的專用集成芯片SA8281作為SPWM波形發(fā)生器，該芯片與微處理器接口方便，幾乎不用加任何的邏輯電路即可構(gòu)成完整的SPWM控制電路，結(jié)構(gòu)緊湊，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，利于降低成本。
4.1 SA8281的功能介紹
SA8281芯片是MITEL公司設(shè)計的專門為交流電機(jī)的調(diào)速控制，UPS電源以及其他需要脈寬調(diào)制作為一種有效電源控制的電力電子器件[4]。引腳如圖6所示：
它可用于三相PWM波形產(chǎn)生的可編程微機(jī)外圍接口芯片，使用一組標(biāo)準(zhǔn)的MOTEL總線，適用于英特爾和摩托羅拉二種總線接口，接口通用性好，編程和操作簡單，方便，快捷。
SA8281采用常用的對稱的雙邊緣采樣法產(chǎn)生全數(shù)字化PWM波形，無時漂，無溫漂，具有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。
有6個標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出，用來驅(qū)動逆變器的6個功率開關(guān)器件。
工作頻率范圍寬，精度高，三角載波頻率可調(diào)。
