一種通用變頻器技術(shù)研究和設計

摘 要： 基于TI公司TMS320F2812的用于交流電機調速采用通用變頻器，在變頻器中控制電路采用DSP代替傳統的模擬控制芯片，由DSP產(chǎn)生PWM信號經(jīng)隔離驅動(dòng)控制逆變電路中的六個(gè)開(kāi)關(guān)管通斷，產(chǎn)生所需的三相交流電壓，最后對應用于工業(yè)控制的交流電機進(jìn)行調速。數字控制變頻器提高了系統效率，降低并減小了變頻器重量和體積，便于實(shí)現不同的控制策略。

　　從20世紀初，可調速傳動(dòng)的電動(dòng)機在鋼鐵工業(yè)和汽車(chē)工業(yè)中就已獲得了廣泛的應用。用于交流電動(dòng)機調速的調速系統主要是專(zhuān)用的模擬控制芯片，雖然采用模擬芯片的調速系統[1]具有設計簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但是由于調試復雜、升級不便等問(wèn)題一直困擾交流電機調速系統的發(fā)展。隨著(zhù)電力電子器件和數字控制技術(shù)的發(fā)展，各種通用的、高性能的交流傳動(dòng)控制系統相繼誕生，多種交流調速技術(shù)[2]己經(jīng)趨于成熟，運行可靠性很高，其性能指標可以做到與模擬控制調速系統一樣，甚至完全可以取代模擬控制調速系統。

　　目前數字處理（DSP）技術(shù)逐漸成熟[3]，新一代DSP采用哈佛結構、流水線(xiàn)操作（即程序、數據存儲器彼此獨立），在每一時(shí)鐘周期內完成取指、譯碼、讀數據以及執行指令等多個(gè)操作，從而大大減少了指令執行周期。另外，由于其特有的寄存器結構、功能強大的尋址方式、靈活的指令系統及其強大的浮點(diǎn)運算能力，使得DSP不僅運算能力較單片機有了較大的提高，而且在該處理器上更容易實(shí)現高級語(yǔ)言。

　　1 數字控制變頻器系統介紹

　　數字控制變頻器系統主要由主電路和控制電路組成，主電路采用典型的電壓型交－直－交通用變頻器結構；控制電路主要包括DSP數字控制器，由DSP、驅動(dòng)電路、檢測電路、保護電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統結構框圖如圖1所示。

　　變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現對交流異步電機的軟起動(dòng)、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護等功能。國內技術(shù)較領(lǐng)先的品牌有英威騰、匯川、三 晶、紫日、雷諾爾、歐瑞（原煙臺惠豐）、藍海華騰。

　　1.1 主電路設計

　　數字控制變頻器主電路[4]的原理結構圖如圖2所示，由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經(jīng)過(guò)中間環(huán)節大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過(guò)功率管的導通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。

　　整流電路將交流動(dòng)力電變?yōu)橹绷麟?，本系統采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。為防止電網(wǎng)或逆變器等產(chǎn)生的尖峰電壓對整流電路的沖擊，在直流輸出側并聯(lián)了一個(gè)可吸收高頻電壓的聚脂乙烯電容C4，取值為0.22 μF。整流電路輸出的直流電壓含有脈動(dòng)成分，逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流及負載變化也為直流電壓脈動(dòng)，由C1、C2濾波，取值為450 V、470 μF；R2、R3為均壓電阻，取值為5 W、100 kΩ；R1為充電限流電阻。逆變部分電路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊，其內部集成了2個(gè)IGBT單元，比較適合變頻逆變驅動(dòng)，其具體極限參數：集射極電壓VCES=1 200 V ，結溫80 ℃時(shí)集射極電流ICE=300 A，結溫25 ℃時(shí)集射極電流ICE=480 A，允許過(guò)流600 A，時(shí)間為1 ms，功率損耗為1 450 W，門(mén)極驅動(dòng)電壓為±20 V。

　　如圖2所示，TL、RL構成泵升電壓吸收電路[5]，當電機負載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導致直流電壓上升。當直流電壓上升到一定值時(shí)，控制TL導通，使這部分能量消耗在電阻RL上，確保變頻器可靠安全地工作。此外，由J1常閉觸點(diǎn)與R4組成斷電能量釋放電路。當系統發(fā)生故障或關(guān)機時(shí)，繼電器J1斷電，通過(guò)其常開(kāi)觸點(diǎn)，將變頻器與電網(wǎng)斷開(kāi)；而常閉觸點(diǎn)閉合，利用R4為中間回路大電容所儲存的能量提高釋放通道。