500W以下的三相VF變頻器設計

介紹以Philips公司的LPC2148為核心控制器，基于正弦脈寬調制理論，實現變頻器的VF控制并給出系統結構圖。該變頻器結合了功率因素補償技術，有效減小用電負荷對電網的危害并增強其適應性，達到諧波治理的目的；同時具有顯著的節能效果，突出綠色電源的安全節能性。

關鍵詞? 變頻器? LPC2148? 功率因素補償? VF控制

引言

　　隨著現代控制和計算機技術的飛速發展，交流變頻調速系統的性能指標已達到了完全可以與直流調速相媲美的程度，其卓越性能使其應用范圍越來越廣[1]。對于變頻調速系統的核心部件——變頻器，小功率變頻器是大公司所不重視的，但小功率電機的應用日益廣泛，在工業自動化的運動機構，甚至于日常健康用品中都越來越多地用到小功率變頻器。本系統采用了功率因素補償技術，有效減小了用電負荷對電網的危害并增強其適應性，達到諧波治理的目的，同時具有顯著的節能效果，突出了綠色電源的安全節能性。另外，采用Philips公司的LPC2148作為控制器，充分利用其A/D轉換、PWM輸出、串行通信等功能。設計利用3個雙邊沿控制的SPWM波形，構成三相橋主回路的控制，利用LPC2148的捕獲功能實現一路軟件PWM控制PFC(Power Factor Correction)。

1? 功率因素補償(PFC)

　　工業控制應用中電力網經常需要與整流器相連。經典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個非線性電路，在電網中會產生大量的電流諧波。PFC的目的就是消除這些窄而陡的電網脈沖，這些陡的電流會引起頻射干擾；更嚴重的是，它的有效值比所需的負載輸出功率要大。這不僅會造成輸入電機溫升過高，還會使濾波電容的溫升提高并降低其可靠性[2]。

　　將PFC技術應用在boost變換器中。功率因素補償電路的首要任務是，利用boost變換器將沿正弦半波曲線上升和下降的不同輸入電壓轉換為穩定的、比輸入正弦電壓幅值稍高的直流輸出電壓。在整個正弦電壓的半個周期里，導通時間由軟件PWM控制，它檢測到輸出電壓并利用誤差放大器與內部基準電壓進行比較，通過負反饋來設置導通時間，從而使輸出電壓保持定值不變。其第2個任務是，檢測輸入電網的電流并使它變為與輸入電網電壓同相位的正弦波。這也需要通過調整boost變換器的導通時間來實現。導通時間由負反饋環決定，將實際電網電流采樣并與基準正弦波電流比較。這兩個正弦波的差值是誤差電壓，由誤差電壓來調節導通時間使兩個正弦波具有相同的幅值。最終控制boost變換器導通時間的電壓是直流輸出電壓的誤差電壓和輸入電網電流的誤差電壓的合成電壓。這種合成由LPC2148內部的乘法器實現，其輸出與輸出電壓的誤差電壓和輸入電流的誤差電壓的乘積成正比。

2? VF控制系統的實現

2.1? VF控制的硬件實現

　　變頻器是運用近代電力電子與控制技術的一種新興產品，主要用在各種工業和民用的機電設備上。其特點是，通過改變供電頻率來控制電機轉速，進而達到提高機電設備自動化程度與節約能源的目的。VF控制電路結構簡單、成本較低、機械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。

　　涉及的變頻器電路由主回路、驅動控制電路、人機界面、PFC功率因素校正電路、保護電路、RS485通信接口電路和輔助電源電路等幾部分組成。通過對各個模塊的軟硬件設計，實現一個結構簡單、功耗低、成本低、動態性能良好的小功率變頻器。用戶可以通過人機界面來設置電機的啟停、正反轉以及轉速，也可以通過外部端子的輸入信號來控制。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1? 系統硬件框圖

圖2? 系統主程序流程

　　該系統含兩個功率部分：帶有PFC功能的BOOST電路和三相SPWM逆變橋電路。

　　第一部分是一個BOOST升壓模塊，電路中有電壓和電流兩個閉環回路，采用PID算法實現控制。一方面實現消耗電流對輸入電壓波形的跟蹤，以及消耗電流與輸入電壓相位的同步；另一方面使逆變橋母線電壓輸出恒為DC 375 V。這個設計使市電供應在AC 85~265 V的范圍時都可以得到功率因素補償PF=1的效果。

　　第二部分由帶自舉驅動和保護功能的高低邊半橋驅動器驅動MOS管組成的3個獨立半橋。LPC2148處理器作為主控制器，輸出3路雙邊沿調制的SPWM波形。該3路輸出采用自舉、電平移位方式，經功放后驅動半橋輸出，減少對輔助電源的需求，結構簡單；具備完善的瞬時過流保護電路和持續過流保護功能。在系統瞬時過載時，關閉部分驅動脈沖，長期過載可以使系統停止對外輸出，待過載消失可以重新啟動。逆變橋設計的最大調制比為85%，使母線電壓375 V調制三相為220 V交流（375×0.85約大于220 V的峰值電壓310 V）。

2.2? VF控制的軟件實現

　　軟件設計主要利用LPC2148自帶SPWM發生模塊、PFC控制模塊和A/D轉換電路的特點進行的。軟件由主程序和中斷程序組成。主程序包括LPC2148的初始化、A/D轉換、參數設定、過壓過流保護以及轉速顯示。其主程序流程如圖2所示。

　　中斷程序包括串口中斷和定時器中斷，當串口接收到外部中斷后，CPU從串口讀取參數，進入系統狀態，如圖3所示，其狀態命令和標志說明如表1所列。

圖3? 外部中斷狀態圖

表1? 外部中斷命令標志說明

　　執行完畢后，更新原有參數，然后回到主程序再次等待外部中斷。定時器內部中斷服務程序主要涉及的是LPC2148內部SPWM產生模塊，定時器中斷程序流程如圖4所示。

圖4? 內部定時器中斷程序流程

3? 實驗仿真與結果

　　仿真軟件采用MATLAB中的Simulink，具有直接搭建模塊、縮短開發周期等優點，在控制系統和電機仿真中應用廣泛。交流輸入端為220 V、50 Hz電壓，PFC中電感為1 μH，電容為450 μF，為方便觀看輸出電流波形，取時間長度為0.03 s，仿真結果如圖5所示。同時通過檢測消耗電阻兩端電壓與輸入電壓，并對電壓波形進行比較，得到圖6所示的波形。可以看出，經過功率因數校正，消耗電阻的電流接近正弦波跟隨輸入電壓。

圖5? 三相輸出電流波形

4? 結論

　　利用PFC技術和VF控制理論構成一個小功率變頻器，并由具有高性價比的LPC2148芯片作為控制核心實現整個控制。由于PFC技術的引入，有效地減小了用電負荷對電網的危害，達到諧波治理的目的， 同時具有顯著的節能效果，從而使電機運行更加穩定。另外, LPC2148芯片的高性能使整個控制系統的算法在幾微秒內完成,控制系統的實時性能得到極大提高\[3\]。該變頻器已經在生產應用中投入使用。

圖6? 消耗電阻電壓與輸入電壓波形