新型工業(yè)振動(dòng)棒變頻電源的研制

摘要：介紹了一種新型的應用于工業(yè)振動(dòng)棒的變頻電源，它大大改進(jìn)了現有振動(dòng)棒電源體積和重量大的缺陷，詳細介紹了幾個(gè)重要部分電路的設計，并通過(guò)各部分的分析和實(shí)驗說(shuō)明本設計具有體積小，重量輕，高性能等多方面優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：有源功率因數校正；正激變換器；振動(dòng)棒；變頻調速

0 引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)，微型計算機和大規模集成電路的飛速發(fā)展，使得由變頻器組成的交流電機變頻調速系統迅速發(fā)展成熟起來(lái)，并得到了越來(lái)越廣泛的應用。

現有的振動(dòng)棒產(chǎn)品基本上都是一種電動(dòng)機帶發(fā)電機，再由發(fā)電機提供200Hz交流電，帶動(dòng)高速振動(dòng)棒電機運行的工作狀態(tài)。其突出的缺點(diǎn)是體積和重量都比較大，對現場(chǎng)施工造成使用和移動(dòng)上的很大不便。本文研究的重點(diǎn)是將交流變頻調速技術(shù)，應用在振動(dòng)棒這一種小型建筑用機械上，開(kāi)發(fā)一種新型變頻電源。在實(shí)現振動(dòng)棒功能的同時(shí)使整機的體積和重量都大幅減小，并提高輸入端的功率因數，穩定輸出端的電壓和頻率，還能降低產(chǎn)品的成本。該變頻電源基本性能指標如下：供振動(dòng)器的內置式異步偏心式振動(dòng)電機的電源頻率為200Hz，單相輸入，三相輸出，電機的線(xiàn)電壓為42V，單機功率為350W，要求能帶雙機運行。

1 電壓型逆變器的主電路

變頻電源不但要實(shí)現變壓和變頻功能，還要使輸入與輸出實(shí)現電氣隔離，并且還要滿(mǎn)足電網(wǎng)的諧波要求，其基本結構一般均包括 AC/DC， DC/DC和DC/AC等幾個(gè)重要部分。

本電源主電路由APFC前級，DC/DC和三相逆變3個(gè)部分構成。輸入經(jīng)全橋不控整流后，用Boost電路作為APFC的電路拓撲進(jìn)行電壓預調節。DC/DC部分采用單端正激變換器實(shí)現降壓和隔離的功能。三相逆變部分則采用SPWM控制方式，其基本結構如圖1所示。由于采用了功率因數校正技術(shù)，因此輸入功率因數高，電網(wǎng)側電流諧波小，對電網(wǎng)的諧波污染很??；而且當電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負載變化時(shí)，由于DC/DC環(huán)節的控制可以保持三相逆變部分的直流側電壓穩定，從而使系統的輸出電壓穩定，而不需要通過(guò)調節三相逆變部分的調制深度來(lái)改變輸出電壓的大小，因此，對逆變部分的控制芯片的要求就可以降低，可以采用比較廉價(jià)的CPU。另外，由于是低壓逆變，則可采用低壓MOS管作為逆變電路的功率開(kāi)關(guān)管。

圖1 逆變電源的基本原理框圖

2 有源功率因數校正（APFC）電路

采用平均電流控制的Boost電路來(lái)實(shí)現APFC，是目前在高頻開(kāi)關(guān)電源中使用最廣泛的一種APFC控制方法。應用平均電流控制法的功率因數校正器的控制電路在市場(chǎng)上已有很多種集成電路芯片可供選擇，其中美國Unitrode公司的UC3854是很有代表性的一種，并在實(shí)際中得到了較廣泛的應用。在本方案中，就是采用Unitrode公司的UC3854芯片來(lái)實(shí)現的，其電路原理圖如圖2所示，輸入端電壓電流實(shí)驗結果如圖3所示。實(shí)際電壓和圖中電壓對應關(guān)系為為1V∶1V，實(shí)際電流和圖中電流對應關(guān)系為4A∶1V。

圖2 UC3854功率因數校正電路原理圖

圖3 校正電路實(shí)驗波形

3 正激（Forward）變換器的設計

振動(dòng)棒是一種手持式電動(dòng)產(chǎn)品，為了操作人員的人身安全，輸入與輸出之間要實(shí)現電氣隔離。APFC前級的輸入與輸出是沒(méi)有隔離的，實(shí)現隔離的功能是由DC/DC部分完成的。由于采用的是高頻DC/DC變換電路，因此變壓器的體積可以做得很小。另外，由于A(yíng)PFC的輸出電壓大約為350～400V，考慮到后面逆變電路開(kāi)關(guān)管的電壓應力問(wèn)題，DC/DC部分應該還具有降壓的功能?；谶@種考慮，在本方案中，DC/DC部分采用的是正激變換電路（Forward Converter）。正激變換器的最大優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，可靠性高，減少了成本和重量?？紤]變壓器的磁復位問(wèn)題，本方案采用如圖4所示的電路。在開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，變壓器傳輸能量，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸出二極管D₁反偏沒(méi)有能量泄放回路，磁化能量將引起較大的反壓加在MOS管的漏極和源極之間。采用N₂線(xiàn)圈的作用就在于經(jīng)二極管D可以把儲存的能量返回到電源中。只要N₂和N₁的匝數相同，開(kāi)關(guān)管承受的漏－源電壓就為2V_s。采用N₁與N₂兩個(gè)繞組雙線(xiàn)并繞的方法，可以減小漏感。在圖4電路中，功率開(kāi)關(guān)的控制芯片采用的是Unitrode公司的UC3844。

圖4 帶去磁復位的Forward電路原理圖