一種小功率通用變頻器的設(shè)計

摘要：采用高集成度的專用芯片SA866和智能功率模塊PS21255開發(fā)了一種小功率通用變頻器。試驗和實際應(yīng)用表明，該變頻器性能好、價格低、可靠性較高。

關(guān)鍵詞：變頻器；正弦波脈寬調(diào)制；專用集成電路；智能功率模塊

0    引言

    由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速已上升為電氣傳動的主流，正在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動。而從性價比的角度來看，交流變頻調(diào)速裝置已經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速裝置。

    異步電機的變頻調(diào)速不僅可以實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，還有著許多其他交流調(diào)速系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點：交流變頻調(diào)速在頻率范圍、動態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度、低頻轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補償、通信功能、智能控制、功率因數(shù)、工作效率、使用方便等方面的優(yōu)勢是其他的交流調(diào)速方式難以達到的，并以體積小、重量輕、通用性強、保護功能完善、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點，深受鋼鐵、冶金、礦山、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機械、電力、輕工、造紙、印刷、卷煙、自來水等行業(yè)的歡迎，社會效益非常顯著。

    變頻調(diào)速雖然在各個方面有其優(yōu)勢，但其早期昂貴的造價和可靠性問題使許多用戶望而卻步。降低造價和提高可靠性一直是交流變頻調(diào)速的重要課題。

    本文針對一般小功率交流異步電動機變頻調(diào)速的要求，采用上世紀90年代末才推出的多功能高集成度專用SPWM控制芯片SA866和智能功率模塊PS21255開發(fā)了一種新型通用變頻器。其整?結(jié)構(gòu)簡潔，具有比較完善的功能，滿足了空調(diào)、洗衣機等家電及小型紡織、塑料加工等工業(yè)的自動化生產(chǎn)線對變頻器低成本、高可靠性、高性能的要求，并已經(jīng)在廣東、江蘇等多家工廠生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

1    SA866和PS21255功能介紹

1.1    SA866功能簡介

1.1.1    功能特點

    SA866是專用于交流異步電機SPWM控制的集成電路。它除了根據(jù)設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生合乎要求的SPWM脈沖外，還集成了多種保護功能，并可在緊急情況下，如短路和過載時快速關(guān)斷SPWM脈沖，保護逆變器和電機。它的最大特點是可以獨立運行，無須微處理器控制。它的輸出頻率以及加速減速頻率都可由外接電位器在線連續(xù)調(diào)節(jié)。所有須定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時間、最小脈寬、調(diào)制波形、V/f曲線等均存儲在外接的廉價EEPROM中，上電時自動讀入SA866中。SA866有6種工作模式，與微處理器配合使用，基本做到了低價格多功能。

1.1.2    管腳說明

    該芯片采用PLCC封裝,共有32個管腳,各管腳排列如圖1所示。

圖1    SA866管腳圖

    各管腳功能如下。

    1）電源    V_DDD和V_DDA分別為數(shù)字電源和模擬電源；V_SSADC為A/D轉(zhuǎn)換電源，它們接一個＋5V的電源；V_SSD和V_SSA分別為數(shù)字電源和模擬電源的地；V_REFIN為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓（＋2.5V）。

    2）串行接口    SDA，SCL和CS用于從EEPROM獲取數(shù)據(jù)，分別為數(shù)據(jù)，時鐘和片選信號。

    3）控制及輸出    SETPOINT為頻率給定端，該腳的輸入電壓將決定系統(tǒng)的工作頻率；R_ACC和R_DEC分別確定加速和減速的時間；RPHT，YPHT，BPHT，RPHB，YPHB和BPHB為橋臂脈沖信號輸出，其中RPHT，YPHT和BPHT分別對應(yīng)三相輸出的上橋臂；RPHB，YPHB和BPHB分別對應(yīng)三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序，該腳對應(yīng)高低電平有兩個方向的PWM波供用戶選擇。

    4）工作狀態(tài)選擇    SERIAL決定與SA866連接的是EEPROM還是微處理器，高電平表示與EEPROM連接；PAGE0和PAGE1決定采用的是EEPROM的哪一頁參數(shù)。

    5）保護    V_MON為過電壓信號輸入端，減速過程中此端電平若大于2.5V，就啟動過電壓保護動作，將輸出頻率固定在當(dāng)前值；IMON為過電流信號輸入端，升速過程中，電平若大于2.5V，內(nèi)部過流保護就動作，不再繼續(xù)升速，直到過流信號消失；SETTRIP為緊急停機信號，可快速禁止PWM脈沖輸出；TRIP端表示禁止輸出狀態(tài)，低電平有效，該信號只有在復(fù)位信號RESET下才能被解除。 [!--empirenews.page--]

1.2    PS21255功能簡介

1.2.1    功能特點

    與常規(guī)的IGBT模塊相比，PS21255具有如下特點：

    1）內(nèi)含驅(qū)動電路    IPM設(shè)定了內(nèi)部IGBT的最佳驅(qū)動條件，驅(qū)動電路離IGBT較近，可以大大減少信號傳輸阻抗，且受外界干擾小，因此不需加反向偏壓，同時，本模塊采用自舉電路，從而擺脫了控制電源不共地的限制，使用一個電源，即可實現(xiàn)方便的控制；

    2）內(nèi)含各種保護    使內(nèi)部IGBT因故障損壞的幾率大大降低，這些保護包括短路保護(SC)，控制電路欠壓保護(UV)等；

    3）內(nèi)部報警輸出(FO)    該信號送到控制PWM產(chǎn)生器，封鎖脈沖輸出，進而停止系統(tǒng)工作；

    4）散熱效果好    采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，扁平封裝，可以直接安裝在散熱器上；

    5）端子布局合理，便于安裝    強弱電的輸出輸入端分別安排在模塊的兩側(cè),做到盡量減少干擾。

1.2.2    管腳說明

    該模塊的外形及端子分布如圖2所示。

圖2    IPM(PS21255)模塊外形及端子分布情況

    IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強弱電分開，P及N為直流輸入端，P為正端，N為負端；U，V，W為逆變器三相輸出端；UP，VP，WP為上橋臂U，V，W各相脈沖信號輸入端；UN，VN，WN為下橋臂U，V，W各相脈沖信號輸入端；VP1及VPC為上橋臂工作電源輸入端，VP1為正端，VPC為負端；VN1及VNC為下橋臂工作電源輸入端，VN1為正端，VNC為負端；CIN為電流檢測信號輸入端；FO為故障輸出端（低電平有效）；CFO為故障輸出脈寬控制端；VUFB及VUFS為U相自舉電路兩端，VUFB為高端，VUFS為低端；VVFB及VVFS為V相自舉電路兩端，VVFB為高端，VVFS為低端；VWFB及VWFS為W相自舉電路兩端，VWFB為高端，VWFS為低端。

2    系統(tǒng)設(shè)計

2.1    硬件電路

    我們開發(fā)的小功率通用變頻器，采用單相交流供電，經(jīng)整流濾波后送入逆變橋，再由逆變橋?qū)⒃撝绷麟娔孀兂扇郪VVF（variable voltage variable frequency）電源，以驅(qū)動電機。整個系統(tǒng)分為主電路和控制電路兩部分。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3所示。

圖3    變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    主電路采用二極管整流，大容量的電解電容濾波，IPM模塊為主電路的核心部分，它包含6個IGBT構(gòu)成三相逆變橋，且各有自己的驅(qū)動電路和保護電路，整個模塊還有短路及控制電路欠壓保護功能。它的輸入可以兼容TTL電平輸入。

    控制電路主要有控制電源和以SA866為核心的SPWM波發(fā)生及驅(qū)動電路?？刂齐娫床捎?805和7815提供直流穩(wěn)壓電源。SA866AE通過10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和外接正反向方向腳,可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)和正反向切換。所有的運行參數(shù)，包括載波頻率、波形、最小脈沖寬度、死區(qū)脈寬和V/f曲線等都是通過外接的EEPROM編程。由于輸入電壓和反饋能量都將直接反映在直流環(huán)節(jié)上，所以，整個系統(tǒng)的電壓電流檢測及保護取樣均集中在直流環(huán)節(jié)。驅(qū)動逆變橋所須的PWM信號則由ASIC芯片SA866提供，經(jīng)反向后送給IPM模塊。

    EEPROM選用93LC46，它只須＋5V的電壓即可工作?？芍貜?fù)地擦寫10⁶次。該芯片的封裝形式為DIP－8，其中V_CC和V_SS分別為5V電源輸入的正負端，CLK為時鐘信號輸入端，DI為數(shù)據(jù)輸入端，DO為數(shù)據(jù)輸出端，ORG為內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，進行8位或16位的選擇。將需要設(shè)定的參數(shù)寫入EEPROM，系統(tǒng)在上電時就自動從EEPROM里面將參數(shù)字讀入SA866，依據(jù)所設(shè)定的參數(shù)字，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖波形用來控制主電路中模塊的開或關(guān)。

2.2    參數(shù)計算與設(shè)定

    1）載波頻率(CFS)    載波頻率是外接時鐘頻率和一個倍率系數(shù)N的函數(shù)，N的十進制值由初始化寄存器中的一個3位的CFS字決定。載波頻率f_CARR由式（1）決定。

    f_CARR=f_CLK/(512×2^n＋1)    （1）

式中：fC_LK為時鐘輸入頻率，本系統(tǒng)所選用的晶振為20MHz。n=1，CFS=001，實際f_CARR==9.766kHz。

    2）輸出電源頻率范圍(FRS)頻率范圍給出了輸出頻率的上限值。頻率范圍f_RANCE=f_CARR×2^m/384，取m=1，即FRS=(001)B。 [!--empirenews.page--]

    3）死區(qū)時間（t_pdy）    t_pdy=（63－PDY）/（f_CARR×512）；PDY在0～63之間，取PDY=37=（100101）B；則實際的t_pdy=(26/26.2144)5μs=4.959μs。

    4）脈沖取消時間(PDT)    經(jīng)調(diào)制后SPWM的脈寬可以很小，但實際上，過小的脈寬沒有用，因為時間過短，功率管還沒來得及完全打開就關(guān)閉了，只增加了功率管的損耗，降低了系統(tǒng)的效率。脈沖取消時間t_pd=(127－PDT)/(f_CARR×512)；依此公式，若定義最小寬度為3μs，實際最小脈寬為t_pd－t_pdy，則t_pd=7.959μs，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，實際t_pd=8.01μs，脈沖最小寬度為t_pd－t_pdy=8.01μs－4.959μs=3.051μs。

    5）波形選擇    SA866AE有三種標(biāo)準(zhǔn)波形供選擇，即純正弦波，正弦波帶三次諧波（增強型）和帶死區(qū)的三次諧波（高效型）。波形采用對稱技術(shù)保證每個功率管的開通角度相同。本系統(tǒng)選用帶三次諧波的正弦波作為調(diào)制波，即有：WS=（01）B。

    6）V/f曲線控制    FC用來確定是線性定律還是風(fēng)扇定律，本系統(tǒng)設(shè)定工作在線性曲線狀態(tài)，即FC=0。圖4為SA866AE/AM所提供的線性特性。PED是一個8位參數(shù)，用來確定在頻率為0時電機上的電壓。如果設(shè)置PED=255，則VVVF線性特性沒用。Pedestal(％)=PED×100/255，本系統(tǒng)的初始值設(shè)定為10％，可得PED=25.5，取25，實際的Pedestal(％)=9.8。GRAD為一個8位二進制數(shù)，決定恒轉(zhuǎn)矩區(qū)曲線的斜率，根據(jù)基頻和PED值計算：GRAD=(255－PED)×f_RANGE/（16×f_base）；GRAD255，取f_base=50Hz；則有GRAD=15=（1111）B。

圖4    線性VVVF曲線

    7）其他參數(shù)    由于線性曲線中不用KAY，在此KAY=（0000000）B；A/D轉(zhuǎn)換的零閾值的控制參數(shù)ZTH=（00）B；將上述所有參數(shù)字經(jīng)統(tǒng)計得CHKSUM=（001）B。AWS=（0000）B。

    由上述計算可得到參數(shù)分布表如表1所列。

表1    參數(shù)分布表

4    試驗應(yīng)用結(jié)果及結(jié)論

    根據(jù)設(shè)計做成的通用變頻器,進行了調(diào)速、起動、停止、反向、過載調(diào)節(jié)和加減速時間調(diào)節(jié)等試驗，試驗表明，該變頻器各項性能良好，符合設(shè)計要求，并已先后在廣東和江蘇等地的空調(diào)制冷機、壓縮機、紡織生產(chǎn)線和塑料制品生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。該變頻器結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、可靠性高、具有較高的性價比和靈活的適應(yīng)性，是驅(qū)動小功率電機及此類生產(chǎn)線最理想的選擇。