低成本小功率通用變頻器的實現

A Small－ size and Low－ cost Frequency Converter

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

波形產生的過程、驅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.

關鍵詞：PWM變頻器

Keywords:PWM， Frequency converter

1引言

隨著變頻調速技術的不斷發展,某些原不采用電機調速的領域亦引起人們的重新考慮。如空調、冰箱等新使用的電機采用單相輸入、三相輸出的變頻調速工作方式以后，較之傳統的斷續工作方式，可使整機在制冷速度、保溫程度、耗電量、噪聲指標及壽命等方面均有明顯改善。在設備體積不大，負載電機功率較小的場合，如采用體積大、價格高的通用變頻器是不合適的。而需要一種小型化、成本低的變頻調速器。本文在變頻器的設計中采用新的控制方式利用新器件和低價格的通用器件相結合設計方式，很好地實現了這一目標。

2三相PWM波形的產生

對電動機電壓空間矢量實施控制，可以得到逼近圓形的磁鏈軌跡，以減小電機低頻的轉矩脈動和諧波電流損耗。習慣上也稱磁鏈（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現電壓空間矢量控制法，可得到開關頻率較高的三相PWM波形，由此驅動的逆變器輸出電壓有較高的相位對稱度。同時采用變頻定寬信號與基本PWM信號綜合，實現恒壓頻比控制，電壓、頻率同步平滑調節，電路簡單，調試方便，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。圖中數字電位器根據應用的情況可分別采用按鍵式的X9511或微機控制式的X9312；軟起動部分采用RC積分電路，使給定電壓緩慢上升，以實現變頻起動，起動時間可調；u/f壓頻轉換器選用了性能適中、價格便宜的通用器件CD4046，其輸出電壓（Uo）從0V～5V，輸出頻率相應從0kHz～8.5kHz;定寬調頻部分要輸出2種信號,1種是定寬調頻脈沖,寬度為2μs，作為GAL的時鐘信號和逆變橋要求的前死區,另一種脈沖在低輸入頻率時略有變化，以實現逆變器低頻時的電壓補償和恒定的壓頻比。

GAL16V8作為分頻編碼器和開機、停機、保護等信號的結合。GAL20V8作為綜合分配輸出電路、按照預先寫入的周期開關狀態進行分配后，再綜合脈沖寬度調制、開、停機、正反轉、保護等信號，最后輸出帶有死區的六路PWM波。

輸入頻率最大值fimax與輸出頻率最大值fomax有如下關系：

fimax=2mNfomax(1)

m為輸出電壓相數，N為磁鏈軌跡扇區的磁鏈增量小段數。

本電路選用m=3，N=16。

3驅動電路與主電路

由于電機額定電壓為200V,額定功率為0.2kW，其功率較小，結合價格的因素，選用廉價的MOSFET加IR公司的驅動器IR2130，其電路圖如圖2。

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

圖2變頻器驅動電路與主電路原理圖

封鎖三路上臂，達到保護目的。IR2130還具有主電路電流檢測和過流保護功能。

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)

根據上述計算和價格因素,選用了三菱公司

的FK10KM－10

主電路濾波電容的計算:

Pi=PO/η=200/(0.5×0.9)=444(7)

I=Pi/Ui=444/(220×1.4)=1.4(A)

(8)

設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。

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

（1）必須避免布線產生的同相電流，使負載電流流入信號電路。

（2）負載電流環尺寸必須小，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）變壓器設計應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dv/dt值應盡可能地低，這樣才能使感應母線電壓尖峰為最小。

4控制電源DC/DC的設計

通用變頻器對其控制電源不僅要求其性能穩定可靠，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，都能正常工作，以保證逆變器功率開關管的安全。根據這一特點，結合低價格的要求，這里我們選用了TOP200組成的單端反激式DC/DC。其設計要求是：

輸入直流電壓50V～370V;

　　輸出＋5V,114mA；＋15V,53mA

其電路如圖3所示。

變壓器的設計計算如下：

（1）計算變壓器一次側電流：

占空比δmax=0.45fk=100kHz

（2）求最小占空比（3）計算變壓器的一次側電感量（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）計算空氣隙長度Lg

(6)計算機變壓器一次側的匝數

5結語

采用上述方案構成的三相輸出變頻器，選用疊層結構，其尺寸不大于120×110×70mm3，調試方便。樣機由西安微電機廠測試，其性能優良，各項指標均達到了設計要求，價格便宜。經壓縮機廠半年多使用，性能穩定、可靠。因此本方案是可行的，具有推廣應用價值。

參考文獻

1胡存生，胡鵬．集成開關電源的設計制作調試與維修

2三菱半導體器件應用資料（二）《功率MOSFET和IGBT單管器件》