一種通用變頻器技術(shù)研究和設(shè)計(jì)

摘 要： 基于TI公司TMS320F2812的用于交流電機(jī)調(diào)速采用通用變頻器，在變頻器中控制電路采用DSP代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制芯片，由DSP產(chǎn)生PWM信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)控制逆變電路中的六個(gè)開關(guān)管通斷，產(chǎn)生所需的三相交流電壓，最后對(duì)應(yīng)用于工業(yè)控制的交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。數(shù)字控制變頻器提高了系統(tǒng)效率，降低并減小了變頻器重量和體積，便于實(shí)現(xiàn)不同的控制策略。

　　從20世紀(jì)初，可調(diào)速傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)在鋼鐵工業(yè)和汽車工業(yè)中就已獲得了廣泛的應(yīng)用。用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的調(diào)速系統(tǒng)主要是專用的模擬控制芯片，雖然采用模擬芯片的調(diào)速系統(tǒng)[1]具有設(shè)計(jì)簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但是由于調(diào)試復(fù)雜、升級(jí)不便等問題一直困擾交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。隨著電力電子器件和數(shù)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(tǒng)相繼誕生，多種交流調(diào)速技術(shù)[2]己經(jīng)趨于成熟，運(yùn)行可靠性很高，其性能指標(biāo)可以做到與模擬控制調(diào)速系統(tǒng)一樣，甚至完全可以取代模擬控制調(diào)速系統(tǒng)。

　　目前數(shù)字處理（DSP）技術(shù)逐漸成熟[3]，新一代DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作（即程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器彼此獨(dú)立），在每一時(shí)鐘周期內(nèi)完成取指、譯碼、讀數(shù)據(jù)以及執(zhí)行指令等多個(gè)操作，從而大大減少了指令執(zhí)行周期。另外，由于其特有的寄存器結(jié)構(gòu)、功能強(qiáng)大的尋址方式、靈活的指令系統(tǒng)及其強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，使得DSP不僅運(yùn)算能力較單片機(jī)有了較大的提高，而且在該處理器上更容易實(shí)現(xiàn)高級(jí)語言。

　　1 數(shù)字控制變頻器系統(tǒng)介紹

　　數(shù)字控制變頻器系統(tǒng)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(jié)構(gòu)；控制電路主要包括DSP數(shù)字控制器，由DSP、驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路、保護(hù)電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　變頻器是利用電力半導(dǎo)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(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。國內(nèi)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(tái)惠豐）、藍(lán)海華騰。

　　1.1 主電路設(shè)計(jì)

　　數(shù)字控制變頻器主電路[4]的原理結(jié)構(gòu)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(jí)采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經(jīng)過中間環(huán)節(jié)大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率管的導(dǎo)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(tǒng)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(duì)整流電路的沖擊，在直流輸出側(cè)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(fù)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(nèi)部集成了2個(gè)IGBT單元，比較適合變頻逆變驅(qū)動(dòng)，其具體極限參數(shù)：集射極電壓VCES=1 200 V ，結(jié)溫80 ℃時(shí)集射極電流ICE=300 A，結(jié)溫25 ℃時(shí)集射極電流ICE=480 A，允許過流600 A，時(shí)間為1 ms，功率損耗為1 450 W，門極驅(qū)動(dòng)電壓為±20 V。

　　如圖2所示，TL、RL構(gòu)成泵升電壓吸收電路[5]，當(dāng)電機(jī)負(fù)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(dǎo)致直流電壓上升。當(dāng)直流電壓上升到一定值時(shí)，控制TL導(dǎo)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或關(guān)機(jī)時(shí)，繼電器J1斷電，通過其常開觸點(diǎn)，將變頻器與電網(wǎng)斷開；而常閉觸點(diǎn)閉合，利用R4為中間回路大電容所儲(chǔ)存的能量提高釋放通道。