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一種小功率通用變頻器的設(shè)計

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作者:賀明智 楊貴恒等 時間:2006-12-06 來源:電源技術(shù)應(yīng)用 收藏
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(dá)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(jì)90年代末才推出的多功能高集成度專用SPWM控制芯片和智能功率模塊PS21255開發(fā)了一種新型通用。其整機結(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 和PS21255功能介紹

1.1 功能簡介

1.1.1 功能特點  

SA866是專用于交流異步電機控制的集成電路。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。

管腳排列圖

各管腳功能如下。

1)電源 VDDD和VDDA分別為數(shù)字電源和模擬電源;VSSADC為A/D轉(zhuǎn)換電源,它們接一個+5 V的電源;VSSD和VSSA分別為數(shù)字電源和模擬電源的地;VREFIN為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓(+2.5 V)。

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;RACC和RDEC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 VMON為過電壓信號輸入端,減速過程中此端電平若大于2.5 V,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2.5 V,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;SET TRIP為緊急停機信號,可快速禁止PWM脈沖輸出;端表示禁止輸出狀態(tài),低電平有效,該信號只有在復(fù)位信號下才能被解除。

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。

模塊的外形及端子分布

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(fù)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(fù)端;VN1及VNC為下橋臂工作電源輸入端,VN1為正端,VNC為負(fù)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,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。

系統(tǒng)構(gòu)成框圖

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+5 V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VCC和VSS分別為5 V電源輸入的正負(fù)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fCARR由式(1)決定。

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

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fRANCE=fCARR

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