低成本小功率通用變頻器的實(shí)現(xiàn)

A Small－ size and Low－ cost Frequency Converter

摘要：對一種小型化、低成本的變頻調(diào)速器及其控制電源作了較詳盡的論述。介紹三相PWM

波形產(chǎn)生的過程、驅(qū)動電路與主電路的選型。

Abstract: This paper relatively detailed narrated a small－ size,low－ cost frequency converter and it′ s controlling power supply, introduced the forming of three－ phase PWM wave, the choosing models drive circuit of main circuit.

關(guān)鍵詞：PWM變頻器

Keywords:PWM， Frequency converter

1引言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展,某些原不采用電機(jī)調(diào)速的領(lǐng)域亦引起人們的重新考慮。如空調(diào)、冰箱等新使用的電機(jī)采用單相輸入、三相輸出的變頻調(diào)速工作方式以后，較之傳統(tǒng)的斷續(xù)工作方式，可使整機(jī)在制冷速度、保溫程度、耗電量、噪聲指標(biāo)及壽命等方面均有明顯改善。在設(shè)備體積不大，負(fù)載電機(jī)功率較小的場合，如采用體積大、價(jià)格高的通用變頻器是不合適的。而需要一種小型化、成本低的變頻調(diào)速器。本文在變頻器的設(shè)計(jì)中采用新的控制方式利用新器件和低價(jià)格的通用器件相結(jié)合設(shè)計(jì)方式，很好地實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

2三相PWM波形的產(chǎn)生

對電動機(jī)電壓空間矢量實(shí)施控制，可以得到逼近圓形的磁鏈軌跡，以減小電機(jī)低頻的轉(zhuǎn)矩脈動和諧波電流損耗。習(xí)慣上也稱磁鏈（通）軌跡控制法。這里采用可編程邏輯器件GAL（GenericArrayLogic）與少量的通用集成器件實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量控制法，可得到開關(guān)頻率較高的三相PWM波形，由此驅(qū)動的逆變器輸出電壓有較高的相位對稱度。同時(shí)采用變頻定寬信號與基本PWM信號綜合，實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制，電壓、頻率同步平滑調(diào)節(jié)，電路簡單，調(diào)試方便，成本低廉。

圖1 三相PWM波形的形成原理框圖

圖1給出三相PWM波形的形成電原理框圖。圖中數(shù)字電位器根據(jù)應(yīng)用的情況可分別采用按鍵式的X9511或微機(jī)控制式的X9312；軟起動部分采用RC積分電路，使給定電壓緩慢上升，以實(shí)現(xiàn)變頻起動，起動時(shí)間可調(diào)；u/f壓頻轉(zhuǎn)換器選用了性能適中、價(jià)格便宜的通用器件CD4046，其輸出電壓（Uo）從0V～5V，輸出頻率相應(yīng)從0kHz～8.5kHz;定寬調(diào)頻部分要輸出2種信號,1種是定寬調(diào)頻脈沖,寬度為2μs，作為GAL的時(shí)鐘信號和逆變橋要求的前死區(qū),另一種脈沖在低輸入頻率時(shí)略有變化，以實(shí)現(xiàn)逆變器低頻時(shí)的電壓補(bǔ)償和恒定的壓頻比。

GAL16V8作為分頻編碼器和開機(jī)、停機(jī)、保護(hù)等信號的結(jié)合。GAL20V8作為綜合分配輸出電路、按照預(yù)先寫入的周期開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分配后，再綜合脈沖寬度調(diào)制、開、停機(jī)、正反轉(zhuǎn)、保護(hù)等信號，最后輸出帶有死區(qū)的六路PWM波。

輸入頻率最大值fimax與輸出頻率最大值fomax有如下關(guān)系：

fimax=2mNfomax(1)

m為輸出電壓相數(shù)，N為磁鏈軌跡扇區(qū)的磁鏈增量小段數(shù)。

本電路選用m=3，N=16。

3驅(qū)動電路與主電路

由于電機(jī)額定電壓為200V,額定功率為0.2kW，其功率較小，結(jié)合價(jià)格的因素，選用廉價(jià)的MOSFET加IR公司的驅(qū)動器IR2130，其電路圖如圖2。

來自PWM波形發(fā)生電路的三相六路控制信號經(jīng)光耦隔離后分別按相位送入IR2130的3個(gè)“輸入信號發(fā)生器”的輸入端，由此產(chǎn)生同一相上、下臂柵極控制信號，其中下臂信號直接送至輸出驅(qū)動，上臂信號則經(jīng)IR2130內(nèi)部的脈沖發(fā)生器和鎖存器再送至輸出驅(qū)動。鎖存器同時(shí)兼有欠壓檢測功能，欠壓情況下

圖2變頻器驅(qū)動電路與主電路原理圖

封鎖三路上臂，達(dá)到保護(hù)目的。IR2130還具有主電路電流檢測和過流保護(hù)功能。

主電路用MOSFET選擇

P=200WUi=200VPO=×UO×Io×cosφ(2)

cosφ=(motarOutput)/(InverterCopacity)=0.5(3)

Uo=0.9×Ui(4)Ic=(×1.5×1.4)Io(5)(6)

根據(jù)上述計(jì)算和價(jià)格因素,選用了三菱公司

的FK10KM－10

主電路濾波電容的計(jì)算:

Pi=PO/η=200/(0.5×0.9)=444(7)

I=Pi/Ui=444/(220×1.4)=1.4(A)

(8)

設(shè)允許半周期紋波電壓的峰－峰值為30V

C=It/△U=(1.4×10×10－3)/30

=466μF(9)

整流采用單相不可控全橋整流模塊，其價(jià)格便宜，耐沖擊電流較大，因此這里就不必要采用防止電流浪流的措施。

由于FK10KM－10管子的耐壓不高，良好的吸收回路及合理的布線是必須的。

驅(qū)動模塊IR213P是低電壓的邏輯電路和高功率開關(guān)器件之間的接口。因此，信號接地和大功率接線不應(yīng)該混合在一起，避免互相干擾。這些基本準(zhǔn)則如下：

（1）必須避免布線產(chǎn)生的同相電流，使負(fù)載電流流入信號電路。

（2）負(fù)載電流環(huán)尺寸必須小，使電路電感為最小。

（3）大電流線必須充分去耦，必須使電感尖峰最小。

圖3變頻器控制電源

（4）高壓、高dv/dt點(diǎn)之間必須有良好的屏蔽，且提供低電平信號電路。

（5）變壓器設(shè)計(jì)應(yīng)使鄰近線圈與鐵心之間的電壓梯度為最小，以防止靈敏信號電路中的容性耦合電流。

（6）功率開關(guān)dv/dt值應(yīng)盡可能地低，這樣才能使感應(yīng)母線電壓尖峰為最小。

4控制電源DC/DC的設(shè)計(jì)

通用變頻器對其控制電源不僅要求其性能穩(wěn)定可靠，而且還要有隔離和耐高壓。它的特殊要求是輸入電壓在很寬的范圍內(nèi)，都能正常工作，以保證逆變器功率開關(guān)管的安全。根據(jù)這一特點(diǎn)，結(jié)合低價(jià)格的要求，這里我們選用了TOP200組成的單端反激式DC/DC。其設(shè)計(jì)要求是：

輸入直流電壓50V～370V;

　　輸出＋5V,114mA；＋15V,53mA

其電路如圖3所示。

變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

（1）計(jì)算變壓器一次側(cè)電流：

占空比δmax=0.45fk=100kHz

（2）求最小占空比（3）計(jì)算變壓器的一次側(cè)電感量（4）選擇磁心和骨架尺寸

取BS=3300×10－4T

選Bmax=1500×10－4T選EI22

δe=0.21cm2δc=0.56cm2

δeδc=0.118>0.026

（5）計(jì)算空氣隙長度Lg

(6)計(jì)算機(jī)變壓器一次側(cè)的匝數(shù)

5結(jié)語

采用上述方案構(gòu)成的三相輸出變頻器，選用疊層結(jié)構(gòu)，其尺寸不大于120×110×70mm3，調(diào)試方便。樣機(jī)由西安微電機(jī)廠測試，其性能優(yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，價(jià)格便宜。經(jīng)壓縮機(jī)廠半年多使用，性能穩(wěn)定、可靠。因此本方案是可行的，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

1胡存生，胡鵬．集成開關(guān)電源的設(shè)計(jì)制作調(diào)試與維修

2三菱半導(dǎo)體器件應(yīng)用資料（二）《功率MOSFET和IGBT單管器件》