1、摘 要SA868是一種三相 SPWM波形發生器，采用 SA868構成的變頻調速系統具有低成本、電路簡單、控制性能優良及高可靠性等特點。SA868系列集成正弦脈寬調制器（SPWM）能輸出包含了波形、頻率、幅值、旋轉方向等信息。許多重要的運行參數，如：載波頻率、最小脈寬、脈沖延遲時間、脈沖取消時間等，可在器件初始化時設置，所以要改變運行狀況，只要改變軟件即可。在硬件電路不便的情況下，通過設置改變波形參數，改變頻率或逆變器的性能指標，其設置靈活方便，可大大節約硬件成本。此芯片可提供多種保護特性，包括只直流線路的過載保護。所有的PWM發生器都可以輸出足夠大的電流以直接驅動隔離級的光耦合器。變頻調速器是

2、一種用來改變交流電頻率的電氣設備。此外，它還具有改變交流電電壓的輔助功能。 過去，變頻調速器一般被包含在電動發電機、旋轉轉換器等電氣設備中。隨著半導體電子設備的出現，人們已經可以生產完全獨立的變頻調速器。關鍵詞：變頻調速器,SA868目 錄摘 要1第1章 三相異步電動機21.1 三相異步電動機的工作原理2定子旋轉磁場產生的原理2旋轉磁場的旋轉方向3旋轉磁場的旋轉速度3異步電動機的轉差率31.2 三相異步電動機的調速方法41.3 三相異步電動機的變頻調速原理6第2章 主要元件介紹82.1 專用芯片SA86882.2 SA868應用連接圖102.3 SA868芯片內部結構及工作原理11第3章 三相

3、異步電動機變頻調速系統的設計123.1主電路設計123.2控制電路設計143.3電源電路設計14結 論16參考文獻17致 謝18第1章 三相異步電動機1.1 三相異步電動機的工作原理當向三項定子繞組中通過入對稱的三項交流電時，就產生了一個以同步轉速n1沿定子和轉子內圓空間作順時針方向旋轉的旋轉磁場。由于旋轉磁場以n1轉速旋轉，轉子導體開始時是靜止的，故轉子導體將切割定子旋轉磁場而產生感應電動勢（感應電動勢的方向用右手定則判定）。由于導子導體兩端被短路環短接，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。轉子的載流導體在定子磁場中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判

4、定）。電磁力對轉子軸產生電磁轉矩，驅動轉子 沿著旋轉磁場方向旋轉。三相異步電動機工作原理為：當電動機的三項定子繞組（各相差120度電角度），通入三項交流電后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組是閉合通路），載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，從而在電機轉軸上形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，并且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。定子旋轉磁場產生的原理旋轉磁場：指磁場的軸線位置隨時間而旋轉的磁場。 在三相異步電動機的定子鐵心中放置三組結構完全相同的繞組U1U2、V1V2、W1W2，各相繞組在空間互差120°電角度，向這三相繞組中通入

5、對稱的三相交流電，則在定子與轉子的空氣隙中產生一個旋轉磁場。 以兩極電機即2p=2為例說明，對稱的三相繞組U1U2、V1V2、W1W2假定為集中繞組，三相繞組接成星形，并通以三相對稱電流iA、iB、iC。如動畫演示所示。假定電流的瞬時值為正時是從各繞組的首端流入，末端流出。電流流入端用 “×”表示，電流流出端用“”表示。 wt=0時，iA=0； iB為負值，即iB由末端V2流入，首端V1流出； iC為正值，即iC由首端W1流入，末端W2流出。電流流入端用“×”表示，電流流出端用“” 表示。 利用右手螺旋定則可確定在wt=0瞬間由三相電流所產生的合成磁場方向， 可見合成磁場是

6、一對磁極，磁場方向與縱軸線方向一致，上方是北極，下方是南極。 wt= /2時，iA為正最大值，即iA由首端U1流入，末端U2流出； iB為負值，即iB由末端V2流入，首端V1流出； iC為負值，即iC由W2流入，W1流出。 可見合成磁場方向以較wt=0時按時針方向轉過90o。 同理可畫出wt= ，wt=3/2，wt= 2時的合成磁場，可看出磁場的方向逐步按順時針方向旋轉，共轉過360o，即旋轉一周。 綜上所述，在三相交流電動機定子上布置有結構完全相同在空間位置各相差120o電角度的三相繞組，分別通入三相交流電，則在定子與轉子的空氣隙間所產生的合成磁場是沿定子內圓旋轉的，故稱旋轉磁場。 旋轉磁場

7、的旋轉方向U相、V相、W相繞組的電流分別為iA、iB、iC。 三相交流電的相序A B C。 旋轉磁場的旋轉方向為U相 V相 W相（順時針旋轉） 若 U相、V相、W相繞組的電流分別為iA、iC、iB（即任意調換電動機兩相繞組所接交流電源的相序） 旋轉磁場的旋轉方向為逆時針旋轉。 綜上所述，旋轉磁場的旋轉方向決定于通入定子繞組中的三相交流電源的相序。只要任意調換電動機兩相繞組所接交流電源的相序，旋轉磁場即反轉。 旋轉磁場的旋轉速度兩極三相異步電動機（即2P=2）定子繞組產生的旋轉磁場，當三相交流電變化一周后，其所產生的旋轉磁場也正好旋轉一周。 故在兩極電動機中旋轉磁場的轉速等于三相交流電的變化速度

8、，即n1=60f1=3000轉分。 四極三相異步電動機（即2P=4）定子繞組產生的旋轉磁場，當三相交流電變化一周后，其所產生的旋轉磁場只旋轉了半圈。 故在四極電動機中旋轉磁場的轉速等于三相交流電的變化速度的一半，即n1= 60 f1/2 =1500轉/分。 綜上所述，當三相異步電動機定子繞組為p 對磁極時，旋轉磁場的轉速為 n1 = 60f1/p （1-1）式中 n1:旋轉磁場轉速（又稱同步轉速），轉/分 f1:三相交流電源的頻率，赫； p:磁極對數。 異步電動機的轉差率轉差率：同步轉速n1與轉子轉速 n之差對同步轉速之比值，用S表示。分析n和n1間的關系： 1、當n=0，轉子切割旋轉磁場的相

9、對轉速n1n= n1為最大，故轉子中的感應電動勢和電流最大。 2、當轉子轉速n增加時，則n1n開始下降，故轉子中的感應電動勢和電流下降。 3、當n= n1，則n1n=0，轉子導體不切割定子旋轉磁場，故轉子中沒有感應電動勢。 1.2 三相異步電動機的調速方法三相異步電動機轉速公式為：n=60f/p(1-s)   （1-2）從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數p及轉差率s均可太到改變轉速的目的。從調速的本質來看，不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉兩種。   在生產機械中廣泛使用不改變同步轉速的調速方法有繞線式電動機的轉子串電阻調速、斬波調速、串級調

10、速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速的有改變定子極對數的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調速有能無換向電動機調速等。   從調速時的能耗觀點來看，有高效調速方法與低效調速方法兩種：高效調速指時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調速以及能將轉差損耗回收的調速方法（如串級調速等）。有轉差損耗的調速方法屬低效調速，如轉子串電阻調速方法，能量就損耗在轉子回路中；電磁離合器的調速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉差損耗隨調速范圍擴大而增加，如果調速范圍不大，能量損耗是很小的。  （1）變

11、極對數調速方法   這種調速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速目的，特點如下：a具有較硬的機械特性，穩定性良好；b無轉差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速；c可以與調壓調速、電磁轉差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調速特性。   本方法適用于不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。  （2）變頻調速方法   變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器

12、和交流交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交直交變頻器。其 特點：a效率高，調速過程中沒有附加損耗；b應用范圍廣，可用于籠型異步電動機； c調速范圍大，特性硬，精度高；技術復雜，造價高，維護檢修困難。   本方法適用于要求精度高、調速性能較好場合。(3)串級調速方法   串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產生附加的裝置，把吸收的轉差功率返回電網或轉換能量加以利用。根據轉差功率吸收利用方式，串級調速可分為電機串級調速、機械串級調速及晶閘管串級調速形式，多采用晶閘管串級調速，其特點

13、為：a可將調速過程中的轉差損耗回饋到電網或生產機械上，效率較高；b裝置容量與調速范圍成正比，投資省，適用于調速范圍在額定轉速7090的生產機械上；c調速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產；d晶閘管串級調速功率因數偏低，諧波影響較大。   本方法適合于風機、水泵及軋鋼機、礦井提升機、擠壓機上使用。  (4)繞線式電動機轉子串電阻調速方法   繞線式異步電動機轉子串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上。屬有級調速，機械特性較軟。  (5)

14、定子調壓調速方法   當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同轉速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調速范圍較小，使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調速范圍，調壓調速應采用轉子電阻值大的籠型電動機，如專供調壓調速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯頻敏電阻。為了擴大穩定運行范圍，當調速在2：1以上的場合應采用反饋控制以達到自動調節轉速目的。   調壓調速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調壓方式有串聯飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調壓等幾種。晶閘管調壓方式為最佳。調壓調速的特點：   a調

15、壓調速線路簡單，易實現自動控制；b調壓過程中轉差功率以發熱形式消耗在轉子電阻中，效率較低。調壓調速一般適用于100KW以下的生產機械。  (6)電磁調速電動機調速方法   電磁調速電動機由籠型電動機、電磁轉差離合器和直流勵磁電源（控制器）三部分組成。直流勵磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導通角，可以改變勵磁電流的大小。   電磁轉差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。電樞和后者沒有機械聯系，都能自由轉動。電樞與電動機轉子同軸聯接稱主動部分，由電動機帶動；磁極用聯軸節與負載軸對接稱從動部分。當電樞與磁極均為靜止時，如勵磁繞組通以

16、直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對N、S極性交替的磁極，其磁通經過電樞。當電樞隨拖動電動機旋轉時，由于電樞與磁極間相對運動，因而使電樞感應產生渦流，此渦流與磁通相互作用產生轉矩，帶動有磁極的轉子按同一方向旋轉，但其轉速恒低于電樞的轉速N1，這是一種轉差調速方式，變動轉差離合器的直流勵磁電流，便可改變離合器的輸出轉矩和轉速。電磁調速電動機的調速特點：   a裝置結構及控制線路簡單、運行可靠、維修方便； b調速平滑、無級調速； c對電網無諧影響；  d速度失大、效率低。  本方法適用于中、小功率，要求平滑動、短時低速運行的生產機械。(7)液力耦合器調速方法  

17、; 液力耦合器是一種液力傳動裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當泵輪在原動機帶動下旋轉時，處于其中的液體受葉片推動而旋轉，在離心力作用下沿著泵輪外環進入渦輪時，就在同一轉向上給渦輪葉片以推力，使其帶動生產機械運轉。液力耦合器的動力轉輸能力與殼內相對充液量的大小是一致的。在工作過程中，改變充液率就可以改變耦合器的渦輪轉速，作到無級調速，其特點為：   a功率適應范圍大，可滿足從幾十千瓦至數千千瓦不同功率的需要；b結構簡單，工作可靠，使用及維修方便，且造價低； c尺寸小，能容大；d控制調節方便，容易實現自動控制。本方法適用于風機、水泵的

18、調速。  1.3 三相異步電動機的變頻調速原理從原則上講，改變極對數P，改變轉差率s，改變頻率f都可以實現調速。對異步電機而言，以上三種方式雖都可以采用，但變極對數的調速是有級調速（不能實現平滑調速），電磁調速、轉子變阻調速都是耗能型調速方法，所以只有變頻調速是最理想的調速方法。變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交直交變頻器。其 特點：效率高，調速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣，可用于籠型異步電動機； 調速范圍大，特性硬，精度高；技術復雜，

19、造價高，維護檢修困難。如公式（1-2），因此，改變定子電源頻率可以改變同步轉速和電機的轉速。又由異步電動機的電勢公式可知外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即 （1-3）式中，c1為常數。由此有 （1-4）所以，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變。一般電機在設計中為了充分利用鐵心材料都把磁通的數值選在接近磁飽和的數值上，因此，如果頻率從額定值（通常為50周/秒）往下降低，磁通會增加，將造成磁路過飽和，勵磁電流增加，鐵心過熱，這是不允許的。為此我們要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓能協調控制。在電力電網中應用最普遍的是標準系列的普通籠型異步電機和同步電機，這些電機使用變頻器進行變頻

20、調速是最為合理的，因此變頻調速是交流調速中最理想的，最有發展前途的，也是發展最快的。PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調制，是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期，以達到變壓目的或控制電壓脈沖寬度和脈沖列周期，從而實現變壓變頻的目的一種控制技術。它是一種開關式穩壓電源應用，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。第2章 主要元件介紹2.1 專用芯片SA868SA868系列集成正弦脈寬調制器（SPWM）能輸出包含了波形、頻率、幅值、旋轉方向等信息。許多重要的運行參數，如：載波頻率、最小脈寬、脈沖延遲

21、時間、脈沖取消時間等，可在器件初始化時設置，所以要改變運行狀況，只要改變軟件即可。在硬件電路不便的情況下，通過設置改變波形參數，改變頻率或逆變器的性能指標，其設置靈活方便，可大大節約硬件成本。此芯片可提供多種保護特性，包括只直流線路的過載保護。所有的PWM發生器都可以輸出足夠大的電流以直接驅動隔離級的光耦合器。SA868允許使用者借助于四路數字輸入而容易地與機械處理定時器按鈕或微處理器通道實現接口而選擇特殊的工作頻率，使用者還可以在廠家制造過程中預先選定的工作速度編程送入SA868內部的ROM中。SA868借助于自身PWM脈沖的算法來控制電壓和頻率，確保磁通恒定而達到調速工作中使電動機的轉矩恒

22、定，針對不同的機械允許選擇合適配套的V/f曲線，并且SA868可自動地采集瞬時的轉速和方向而實現加速或減速，另外滿足整個功率裝置的載波頻率、調制工作頻率、輸出頻率范圍、波形、最小脈沖寬度、脈沖重疊時間可以由生產廠家預先調整和更改。SA868具有可保證可靠工作的全面保護電路，它的所有參數都與所接晶體振蕩器頻率有關，其六路PWM輸出信號不經放大便可直接驅動光耦合器或脈沖變壓器，TRIP輸出端可直接推動外接發光二極管（LED），特殊用途的SA868如用于不間斷電源，開關型功率電源輸出為50、60或400HZ，使用者可向廠家定做。SA868的特點：無需微處理器：通過10位ADC模擬輸入：外接EEPRO

23、M編程：大批量的應用可工程掩膜：三種波形選擇：線性和風扇規律的V/F特性：外接RC實現平滑加速、減速：恒頻調壓工作方式適用于靜止逆變器：內置大電流輸出驅動器：載波頻率達24kHz靜音工作：工作頻率為04kHz：最小脈寬和死區脈寬可調：雙緣調制：串接接口：自舉驅動器預充電。SA868引腳說明如表所示。表2-1 SA868引腳說明引腳意義說明7RESET內部計數器復位端2，3RPHT,RPHBA相高、低端PWM輸出4，5YPHT,YPHBB相高、低端PWM輸出1，24VDDD,VSSD電源，地（數字）6DIR控制電機轉向8Rdecel外接電機減速電阻9，13VSSA,VDDA電源，地（模擬）14，

24、15，16，17SET4,SET3,SET2,SET1速度給定11，12Imonitor,Vmonitor電流、電壓檢測輸入端22，23XTAL1,XTAL2外晶振PWM20，21BPHT,BPHBC相高、低端PWM輸出18SET TRIP過電壓、過電流控制端19/TRIP指示關閉狀態端圖2-1 SA868引腳極限參數如下：1） 電源電壓VDDD：7V。2） 引腳電壓：Vss-0.3VVDD+0.3V。3） 引腳輸入/輸出電流：+10mA。4） 儲存溫度：-65+1255） 工作溫度:-40+852.2 SA868應用連接圖圖2-2中，過流檢測信號經運算放大器358組成的同相放大器送入SA86

25、8的電流監控端，假如發生過流，SA868會瞬時禁止PWM信號輸出，電壓檢測信號送入電壓監控端。R7、R8、C5、C6分別確定加速振蕩器和減速振蕩器的頻率。通過改變R、C值，就可設置所需的加速和減速頻率。該片的時鐘由20MHz的晶振提供，為確保晶體正常工作，晶振兩引腳到數字地之間應接入10pF68pF電容。運算放大器358B及其電阻、穩壓管構成欠壓檢測電路，當工作電壓過低時，運放358B輸出高電平，使SET TRIP端置1，瞬時關斷PWM輸出，保護功率級免受損壞。速度設置及保護告警均通過P1插座輸入和輸出。SA868六路輸出的隔離驅動電路完全相同，下面僅以其中一路為例，如圖3-2所示。從SA86

26、8的XTAL2端輸出的20MHz信號經2個74HC74組成的4分頻得到5MHz的方波輸出，該輸出接至74F126，從而使BC337、BC227構成的推挽式開關電路按5MHz頻率工作，即隔離變壓器T2也以5MHz高頻方式工作，該變壓器T2所加的電源電壓為PWM信號RPHT，因而將該控制信號通過高頻斬波傳送到T2副邊，副邊經過D6D9全波整流，又恢復成原控制信號，加至 模塊的G、E之間，該驅動電路即實現了隔離，而且體積重量非常小。圖2-2 SA868應用連接圖2.3 SA868芯片內部結構及工作原理圖2-3 SA868芯片內部結構及工作原理第3章 三相異步電動機變頻調速系統的設計3.1主電路設計變

27、頻器分為交-交和交-直-交兩種形式15，交-交變頻器可將工頻交流點直接轉換成頻率、電壓均可控制的交流電，又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電，所以它又稱間接式變頻器。變頻器的基本結構如圖3-1所示：控制電路M整流側環節整流器負載側環節逆變器中間直流環節ACDCAC運行指令控制指令控制指令圖3-1 變頻器原理框圖變頻器的主電路由整流器、中間直流環節、逆變器和控制電路組成，分述如下。整流器：電網側的變流器是整流器，它是作用是把三相（也可以是單相）交流電整流成直流電。中間直流環節：由于逆變器的負載為異步電動機，屬于

28、感性負載，無論電動機處于電動或發電制動狀態，其功率因素總不會為1。因此，在中間直流環節和電動機之間總會有無工功率的交換。這種無功能量要靠直流中間環節的儲能元件（電感或電容）來緩沖，所以又常稱中間直流環節為儲能環節。逆變器：負載側的變流器為逆變器，最常見的結構形式是利用6個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。有規律地控制逆變器中主開關器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出?？刂齐娐罚河蛇\算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出和驅動電路等構成，其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。該變頻器采用微型AT89C51單片機進行控制，主要靠軟件完成各種功

29、能，采用的硬件電路盡可能簡單。由于軟件的靈活性，數字控制方式?？赏瓿赡M控制方式難以完成的功能。主電路采用交-直-交電壓型變頻調速，用VD1VD4四個二極管將單相交流電變成直流電，C2為濾波電容，由R2、R3和C3組成電壓檢測，取得電壓檢測信號，R、R1和C1組成過電流檢測，取得過電流檢測信號。控制電路的六路控制信號選擇六個功率場效應管，產生電壓幅值和頻率可調的三相交流電壓驅動三相交流異步電動機工作。 圖3-2 變頻調速主電路3.2控制電路設計圖3-3 SA868應用原理框圖注意事項：（1）SA868需要有外部時鐘輸入，時鐘可以由CPU提供也可以用獨立的時鐘。外接獨立時鐘時可用12MHz或24MHz的臥式晶振，同時應盡量靠近SA868芯片。（2）當功率管距離驅動電路大于15cm時，建議用雙絞線傳送PWM信號。（3）SA868輸出PWM波形參數是通過軟件設定的，所以要求程序有穩定的運行環境，去耦電容選擇適當。啟動時的加速電路需要自己進行計算。3.3電源電路設計圖3-4 電源電路在控制電路中需要+5V的直流電壓，在次設計一個+5V的電源，首先用變壓器把交流電壓從220V降到6.3V，再用整流橋把交流變成