變頻器設(shè)計方案

變頻器設(shè)計方案硬件部分：本實驗所設(shè)計的變頻器輸入電壓為單相220v,50Hz交流電，輸出也為單相。變頻器的設(shè)計要以變頻器的帶動對象電動機為最終出發(fā)點和落腳點（對本實驗而言，則選用三相異步電動機），為此首先確定本實驗所設(shè)計的變頻器最大帶動額定功率為400W的電動機。由計算公式得：電動機額定電流的大小為：400/（0.85X0.9X220）=2.4A。而變頻器的選用應(yīng)以電動機的額定電流為依據(jù)，只要在功率容量相當(dāng)?shù)那闆r下，變頻器的電流能夠能夠承受電動機的額定電流即可。變頻器的具體設(shè)計：1：主電路部分（電能變換部分）：由單相整流橋，平波電容和逆變橋（本實驗采用智能功率模塊IPM）組成。（1） ：單相整流橋。完成220v，50HZ交流電向直流電的轉(zhuǎn)換，由于其后連接的平波電容的影響使得整流橋只在一段時間內(nèi)導(dǎo)通，而流過整流橋的電流瞬時則可達(dá)到負(fù)載電流的2倍左右（對本實驗而言，可達(dá)到5.8A），兼顧考慮整流橋的耐壓值（對本實驗而言，可達(dá)到220vX1.414=310v），故需選用6A，400V的單相整流橋。（2） ：平波電容。用于濾去整流輸出電壓中的紋波，本實驗采用電容濾波電路?？紤]到要滿足RC》（3?5）T/2，故電容的容量需大于182uF，而兼顧電容的耐壓值（對本實驗而言，可達(dá)到220vX1.414=310v），故需選用200uF的電解電容。（3） ：逆變橋（IPM）。IPM在選用時，首先是根據(jù)變頻電源的容量（負(fù)載的額定功率），同時也要考慮到供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體的型號。選型時，有兩個主要方面需要考慮。根據(jù)IPM的過流動作數(shù)值以確定峰值電流及適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計，以保證結(jié)溫峰值永遠(yuǎn)小于最大結(jié)溫額定值，使基板溫度永遠(yuǎn)低于過熱動作數(shù)值。負(fù)載電流最大峰值：Ic=400X1.5X1.414X1.2/0.9X0.85X220=6.05A，故選用三菱10A的智能功率模塊。IPM內(nèi)有驅(qū)動和保護(hù)電路，保護(hù)功能有控制電源欠壓鎖定保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)，當(dāng)其中任一種保護(hù)功能動作時，ipm將輸出故障信號fGoIPM內(nèi)部電路不含防止干擾的信號隔離電路、自保護(hù)功能，為了保證IPM安全可靠，需要自己設(shè)計部分外圍電路。IPM的外部驅(qū)動電路設(shè)計IPM的外部驅(qū)動電路是IPM內(nèi)部電路和控制電路之間的接口，良好的外部驅(qū)動電路對以IPM構(gòu)成的系統(tǒng)的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。IPM器件本身含有驅(qū)動電路。所以只要提供滿足驅(qū)動功率要求的pwm信號、驅(qū)動電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但是，IPM對驅(qū)動電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格：驅(qū)動電壓范圍為13.5v-16.5v，電壓低于13.5v將發(fā)生欠壓保護(hù)，電壓高于16.5v可能損壞內(nèi)部部件；驅(qū)動信號頻率為5hz?20khz，且需采用電氣隔離裝置，防止干擾：驅(qū)動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的2倍（2vces）；驅(qū)動電流達(dá)19ma-26ma；驅(qū)動電路輸出端的濾波電容不能太大，這是因為當(dāng)寄生電容超過100pf時，噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動電路。圖3所示是一種典型的高可靠性IPM外部驅(qū)動電路方案。來自控制電路的pwm信號經(jīng)r1限流，再經(jīng)高速光耦隔離并放大后接IPM內(nèi)部驅(qū)動電路并控制開關(guān)管

工作，fo信號也經(jīng)過光耦隔離輸出。其中每個開關(guān)管的控制電源端采用獨立隔離的穩(wěn)壓15v電源。r1根據(jù)控制電路的輸出電流選取，可選為330。r2根據(jù)IPM驅(qū)動電流選值，一方面應(yīng)盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，另一方面又要足夠可靠地控制IPM，可在2k3?6.8k3內(nèi)選取°c1為2端與地間的0.1pf濾波電容器，pwm隔離光耦的要求是tplh<0.8pf，tphl<0.8fcmr>10kv/ps，可選用hcpl4504型高速光耦。fo輸出光耦可用低速光耦(如pc817)。IPM的內(nèi)部引腳功能如表1所示。圖3IPM的外部驅(qū)動電路和引腳連搓示蕙圖2：采樣保護(hù)電路。IPM自帶了過流，短路，柵極欠壓等保護(hù)功能。而采樣電路是為采樣變頻器輸入電壓，中間直流電壓，逆變橋輸出電壓與輸出電流等而設(shè)置的。:對于輸入電壓，本實驗采用采樣中間直流電壓作為欠電壓或過電壓保護(hù)信號，并采用霍爾電壓傳感器作為檢測元件。所電礎(chǔ)上圖為本實驗所采用的霍爾電壓傳感器VSM025A，由于需選擇Ri的大小使輸入電流為10mA左右，故其大小為：310v/10mA=31K，考慮標(biāo)準(zhǔn)電阻值，故選用。而對于RM，則選用大小為200的電阻。:對于輸出電壓，同理可得Ri的大小為20K，RM則選用大小為200的電阻。:對于逆變橋輸出電流，本實驗選擇在中間直流電路采樣，這是因為輸出線電流與中間直流電流之間有確定的數(shù)值關(guān)系，并采用霍爾電流傳感CS005LX。其有5個引腳，分別為：1：+15V,2:-15V,3:Vout,4:0V(電源地)，5:原邊電流輸入，6:原邊電流輸出。軟件部分：本實驗中采用不對稱規(guī)則采樣SPWM法，由Atmega128單片機實現(xiàn)實時控制。由于自然采樣法要求解超越方程，計算復(fù)雜，這樣得到的數(shù)學(xué)模型不適合于單片機實現(xiàn)實時控制。而規(guī)則采樣法，又經(jīng)過采樣的正弦波(實際上是階梯波)與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。而不對稱法既在三角波的頂點位置又在底點位置對正弦波進(jìn)行采樣，由采樣值形成階梯波。而其形成的脈沖寬度為：t=Tt/2[1+M/2(sinwt1+sinwt2)]，其中Tt為三角波周期，而t1=TtK/2(K=0,2,4,6……)，t2=TtK/2(K=1,3,5,7……)。當(dāng)由單片機實現(xiàn)不對稱規(guī)則采樣法時，可把幅值為1的基準(zhǔn)正弦波預(yù)先算出，存儲在ROM中，以備查用。而為了改善PWM波形，并且使開關(guān)器件的開關(guān)頻率限制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，在整個調(diào)頻范圍內(nèi)要有不同的載波比N。在具體實現(xiàn)時，根據(jù)給定頻率f，確定該頻率區(qū)段的N值，由此計算出三角波的周期Tt和采樣周期Ts。此外調(diào)幅比M也與指令頻率f有著密切的關(guān)系，由所要求的U/f曲線確定。而具體到本實驗，設(shè)計如下：要求f為：0—50HZ，U/f為常數(shù)。f=50HZ時，M=0.9。載波比N分為三段；f在10HZ以下時，N=300，f位于10到30HZ時，N=180，f大于30HZ時，N=120。0到50Hz的頻率是由電位器來設(shè)定的，通過Atmega自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，由單片機的定時器來定時采樣周期，脈沖高電平和低電平的寬度。當(dāng)定時時間到，就將開關(guān)模式由通用I/O口輸出，經(jīng)過光耦驅(qū)動IPM。對于U/f為常數(shù)，由于在頻率下降后即低速時的