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(yīng)用于工業(yè)振動(dòng)棒的變頻電源，它大大改進(jìn)了現(xiàn)有振動(dòng)棒電源體積和重量大的缺陷，詳細(xì)介紹了幾個(gè)重要部分電路的設(shè)計(jì)，并通過各部分的分析和實(shí)驗(yàn)說明本設(shè)計(jì)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(shù)校正；正激變換器；振動(dòng)棒；變頻調(diào)速

0 引言

隨著電力電子技術(shù)，微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，使得由變頻器組成的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)迅速發(fā)展成熟起來，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)有的振動(dòng)棒產(chǎn)品基本上都是一種電動(dòng)機(jī)帶發(fā)電機(jī)，再由發(fā)電機(jī)提供200Hz交流電，帶動(dòng)高速振動(dòng)棒電機(jī)運(yùn)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(duì)現(xiàn)場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(diào)速技術(shù)，應(yīng)用在振動(dòng)棒這一種小型建筑用機(jī)械上，開發(fā)一種新型變頻電源。在實(shí)現(xiàn)振動(dòng)棒功能的同時(shí)使整機(jī)的體積和重量都大幅減小，并提高輸入端的功率因數(shù)，穩(wěn)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(biāo)如下：供振動(dòng)器的內(nèi)置式異步偏心式振動(dòng)電機(jī)的電源頻率為200Hz，單相輸入，三相輸出，電機(jī)的線電壓為42V，單機(jī)功率為350W，要求能帶雙機(jī)運(yùn)行。

1 電壓型逆變器的主電路

變頻電源不但要實(shí)現(xiàn)變壓和變頻功能，還要使輸入與輸出實(shí)現(xiàn)電氣隔離，并且還要滿足電網(wǎng)的諧波要求，其基本結(jié)構(gòu)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(jí)，DC/DC和三相逆變3個(gè)部分構(gòu)成。輸入經(jīng)全橋不控整流后，用Boost電路作為APFC的電路拓?fù)溥M(jìn)行電壓預(yù)調(diào)節(jié)。DC/DC部分采用單端正激變換器實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。由于采用了功率因數(shù)校正技術(shù)，因此輸入功率因數(shù)高，電網(wǎng)側(cè)電流諧波小，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染很??；而且當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，由于DC/DC環(huán)節(jié)的控制可以保持三相逆變部分的直流側(cè)電壓穩(wěn)定，從而使系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定，而不需要通過調(diào)節(jié)三相逆變部分的調(diào)制深度來改變輸出電壓的大小，因此，對(duì)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關(guān)管。

圖1 逆變電源的基本原理框圖

2 有源功率因數(shù)校正（APFC）電路

采用平均電流控制的Boost電路來實(shí)現(xiàn)APFC，是目前在高頻開關(guān)電源中使用最廣泛的一種APFC控制方法。應(yīng)用平均電流控制法的功率因數(shù)校正器的控制電路在市場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(yīng)用。在本方案中，就是采用Unitrode公司的UC3854芯片來實(shí)現(xiàn)的，其電路原理圖如圖2所示，輸入端電壓電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。實(shí)際電壓和圖中電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系為為1V∶1V，實(shí)際電流和圖中電流對(duì)應(yīng)關(guān)系為4A∶1V。

圖2 UC3854功率因數(shù)校正電路原理圖

圖3 校正電路實(shí)驗(yàn)波形

3 正激（Forward）變換器的設(shè)計(jì)

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(xiàn)電氣隔離。APFC前級(jí)的輸入與輸出是沒有隔離的，實(shí)現(xiàn)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APFC的輸出電壓大約為350～400V，考慮到后面逆變電路開關(guān)管的電壓應(yīng)力問題，DC/DC部分應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，減少了成本和重量?？紤]變壓器的磁復(fù)位問題，本方案采用如圖4所示的電路。在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器傳輸能量，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸出二極管D₁反偏沒有能量泄放回路，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線圈的作用就在于經(jīng)二極管D可以把儲(chǔ)存的能量返回到電源中。只要N₂和N₁的匝數(shù)相同，開關(guān)管承受的漏－源電壓就為2V_s。采用N₁與N₂兩個(gè)繞組雙線并繞的方法，可以減小漏感。在圖4電路中，功率開關(guān)的控制芯片采用的是Unitrode公司的UC3844。

圖4 帶去磁復(fù)位的Forward電路原理圖