500W以下的三相VF變頻器設計

介紹以Philips公司的LPC2148為核心控制器，基于正弦脈寬調制理論，實(shí)現變頻器的VF控制并給出系統結構圖。該變頻器結合了功率因素補償技術(shù)，有效減小用電負荷對電網(wǎng)的危害并增強其適應性，達到諧波治理的目的；同時(shí)具有顯著(zhù)的節能效果，突出綠色電源的安全節能性。

關(guān)鍵詞 變頻器 LPC2148 功率因素補償 VF控制

引言

　　隨著(zhù)現代控制和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調速系統的性能指標已達到了完全可以與直流調速相媲美的程度，其卓越性能使其應用范圍越來(lái)越廣[1]。對于變頻調速系統的核心部件——變頻器，小功率變頻器是大公司所不重視的，但小功率電機的應用日益廣泛，在工業(yè)自動(dòng)化的運動(dòng)機構，甚至于日常健康用品中都越來(lái)越多地用到小功率變頻器。本系統采用了功率因素補償技術(shù)，有效減小了用電負荷對電網(wǎng)的危害并增強其適應性，達到諧波治理的目的，同時(shí)具有顯著(zhù)的節能效果，突出了綠色電源的安全節能性。另外，采用Philips公司的LPC2148作為控制器，充分利用其A/D轉換、PWM輸出、串行通信等功能。設計利用3個(gè)雙邊沿控制的SPWM波形，構成三相橋主回路的控制，利用LPC2148的捕獲功能實(shí)現一路軟件PWM控制PFC(Power Factor Correction)。

1 功率因素補償(PFC)

　　工業(yè)控制應用中電力網(wǎng)經(jīng)常需要與整流器相連。經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個(gè)非線(xiàn)性電路，在電網(wǎng)中會(huì )產(chǎn)生大量的電流諧波。PFC的目的就是消除這些窄而陡的電網(wǎng)脈沖，這些陡的電流會(huì )引起頻射干擾；更嚴重的是，它的有效值比所需的負載輸出功率要大。這不僅會(huì )造成輸入電機溫升過(guò)高，還會(huì )使濾波電容的溫升提高并降低其可靠性[2]。

　　將PFC技術(shù)應用在boost變換器中。功率因素補償電路的首要任務(wù)是，利用boost變換器將沿正弦半波曲線(xiàn)上升和下降的不同輸入電壓轉換為穩定的、比輸入正弦電壓幅值稍高的直流輸出電壓。在整個(gè)正弦電壓的半個(gè)周期里，導通時(shí)間由軟件PWM控制，它檢測到輸出電壓并利用誤差放大器與內部基準電壓進(jìn)行比較，通過(guò)負反饋來(lái)設置導通時(shí)間，從而使輸出電壓保持定值不變。其第2個(gè)任務(wù)是，檢測輸入電網(wǎng)的電流并使它變?yōu)榕c輸入電網(wǎng)電壓同相位的正弦波。這也需要通過(guò)調整boost變換器的導通時(shí)間來(lái)實(shí)現。導通時(shí)間由負反饋環(huán)決定，將實(shí)際電網(wǎng)電流采樣并與基準正弦波電流比較。這兩個(gè)正弦波的差值是誤差電壓，由誤差電壓來(lái)調節導通時(shí)間使兩個(gè)正弦波具有相同的幅值。最終控制boost變換器導通時(shí)間的電壓是直流輸出電壓的誤差電壓和輸入電網(wǎng)電流的誤差電壓的合成電壓。這種合成由LPC2148內部的乘法器實(shí)現，其輸出與輸出電壓的誤差電壓和輸入電流的誤差電壓的乘積成正比。

2 VF控制系統的實(shí)現

2.1 VF控制的硬件實(shí)現

　　變頻器是運用近代電力電子與控制技術(shù)的一種新興產(chǎn)品，主要用在各種工業(yè)和民用的機電設備上。其特點(diǎn)是，通過(guò)改變供電頻率來(lái)控制電機轉速，進(jìn)而達到提高機電設備自動(dòng)化程度與節約能源的目的。VF控制電路結構簡(jiǎn)單、成本較低、機械特性硬度較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。

　　涉及的變頻器電路由主回路、驅動(dòng)控制電路、人機界面、PFC功率因素校正電路、保護電路、RS485通信接口電路和輔助電源電路等幾部分組成。通過(guò)對各個(gè)模塊的軟硬件設計，實(shí)現一個(gè)結構簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、動(dòng)態(tài)性能良好的小功率變頻器。用戶(hù)可以通過(guò)人機界面來(lái)設置電機的啟停、正反轉以及轉速，也可以通過(guò)外部端子的輸入信號來(lái)控制。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

圖2 系統主程序流程

　　該系統含兩個(gè)功率部分：帶有PFC功能的BOOST電路和三相SPWM逆變橋電路。

　　第一部分是一個(gè)BOOST升壓模塊，電路中有電壓和電流兩個(gè)閉環(huán)回路，采用PID算法實(shí)現控制。一方面實(shí)現消耗電流對輸入電壓波形的跟蹤，以及消耗電流與輸入電壓相位的同步；另一方面使逆變橋母線(xiàn)電壓輸出恒為DC 375 V。這個(gè)設計使市電供應在A(yíng)C 85~265 V的范圍時(shí)都可以得到功率因素補償PF=1的效果。

　　第二部分由帶自舉驅動(dòng)和保護功能的高低邊半橋驅動(dòng)器驅動(dòng)MOS管組成的3個(gè)獨立半橋。LPC2148處理器作為主控制器，輸出3路雙邊沿調制的SPWM波形。該3路輸出采用自舉、電平移位方式，經(jīng)功放后驅動(dòng)半橋輸出，減少對輔助電源的需求，結構簡(jiǎn)單；具備完善的瞬時(shí)過(guò)流保護電路和持續過(guò)流保護功能。在系統瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，關(guān)閉部分驅動(dòng)脈沖，長(cháng)期過(guò)載可以使系統停止對外輸出，待過(guò)載消失可以重新啟動(dòng)。逆變橋設計的最大調制比為85%，使母線(xiàn)電壓375 V調制三相為220 V交流（375×0.85約大于220 V的峰值電壓310 V）。

2.2 VF控制的軟件實(shí)現

　　軟件設計主要利用LPC2148自帶SPWM發(fā)生模塊、PFC控制模塊和A/D轉換電路的特點(diǎn)進(jìn)行的。軟件由主程序和中斷程序組成。主程序包括LPC2148的初始化、A/D轉換、參數設定、過(guò)壓過(guò)流保護以及轉速顯示。其主程序流程如圖2所示。

　　中斷程序包括串口中斷和定時(shí)器中斷，當串口接收到外部中斷后，CPU從串口讀取參數，進(jìn)入系統狀態(tài)，如圖3所示，其狀態(tài)命令和標志說(shuō)明如表1所列。

圖3 外部中斷狀態(tài)圖

表1 外部中斷命令標志說(shuō)明

　　執行完畢后，更新原有參數，然后回到主程序再次等待外部中斷。定時(shí)器內部中斷服務(wù)程序主要涉及的是LPC2148內部SPWM產(chǎn)生模塊，定時(shí)器中斷程序流程如圖4所示。

圖4 內部定時(shí)器中斷程序流程

3 實(shí)驗仿真與結果

　　仿真軟件采用MATLAB中的Simulink，具有直接搭建模塊、縮短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，在控制系統和電機仿真中應用廣泛。交流輸入端為220 V、50 Hz電壓，PFC中電感為1 μH，電容為450 μF，為方便觀(guān)看輸出電流波形，取時(shí)間長(cháng)度為0.03 s，仿真結果如圖5所示。同時(shí)通過(guò)檢測消耗電阻兩端電壓與輸入電壓，并對電壓波形進(jìn)行比較，得到圖6所示的波形?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)功率因數校正，消耗電阻的電流接近正弦波跟隨輸入電壓。

圖5 三相輸出電流波形

4 結論

　　利用PFC技術(shù)和VF控制理論構成一個(gè)小功率變頻器，并由具有高性?xún)r(jià)比的LPC2148芯片作為控制核心實(shí)現整個(gè)控制。由于PFC技術(shù)的引入，有效地減小了用電負荷對電網(wǎng)的危害，達到諧波治理的目的， 同時(shí)具有顯著(zhù)的節能效果，從而使電機運行更加穩定。另外, LPC2148芯片的高性能使整個(gè)控制系統的算法在幾微秒內完成,控制系統的實(shí)時(shí)性能得到極大提高[3]。該變頻器已經(jīng)在生產(chǎn)應用中投入使用。

圖6 消耗電阻電壓與輸入電壓波形