1.概述
在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中,隨著自關(guān)斷器件技術(shù)水平的不斷提高,脈寬調(diào)制技術(shù)(簡(jiǎn)稱PWM技術(shù))也日趨成熟。PMW交流變頻調(diào)速以其高效率、高功率因數(shù)、輸出波形好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在井下風(fēng)機(jī)、水泵、造紙機(jī)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。將單片機(jī)應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng),可有效地避免傳統(tǒng)調(diào)速方案中的一些缺點(diǎn),達(dá)到了提高控制精度的目的[1],其特點(diǎn):
?。?)采用單片機(jī)可以使絕大多數(shù)控制邏輯通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)化了電路。
?。?)單片機(jī)具有更強(qiáng)的邏輯功能,運(yùn)算速度快,精度高,有大容量的存儲(chǔ)單元,可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制。
?。?)無(wú)零點(diǎn)漂移,控制精度高。
(4)可以提供人機(jī)界面,多機(jī)連網(wǎng)工作。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)變頻調(diào)速的最新研究成果及研究動(dòng)向,參閱大量的文獻(xiàn)、資料,本著先進(jìn)性與成熟性兼顧、標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性、連續(xù)性、及時(shí)性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
整個(gè)電路分為三大部分:主回路、驅(qū)動(dòng)電路以及用單片機(jī)控制PWM產(chǎn)生器的控制電路,另外還有過(guò)流檢測(cè)和保護(hù)電路,這樣使得系統(tǒng)工作更穩(wěn)定、可靠。
2.系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)
2.1整流濾波電路的設(shè)計(jì)
為了給逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓,需要將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流。通常整流電路可分為可控整流和不可控整流??煽卣骺梢允瓜到y(tǒng)的功率因數(shù)接近l,并且具有較小的紋波,頻率高,可降低較小幅值的濾波電容。但是采用可控整流電路會(huì)使得系統(tǒng)成本上升,并且控制電路復(fù)雜。
目前比較經(jīng)濟(jì)可靠的方案,一般都是采用二極管整流,使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變輸出電壓無(wú)關(guān)而接近于1。在本系統(tǒng)中,我們采用了三相二極管不可控整流,如圖2所示,采用它無(wú)需控制電路驅(qū)動(dòng),電路簡(jiǎn)單、可靠,成本低,缺點(diǎn)就是紋波較大,需采用較大幅值的濾波電容。
2.2 三相逆變電路的設(shè)計(jì)
三相交流負(fù)載需要三相逆變器,在三相逆變電路中,應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路[2]。采用IGBT作為可控元件的電壓型三相逆變電路如圖3所示,可以看出電路由三個(gè)半橋組成。
電壓型三相逆變橋的基本工作方式與單相逆變橋相同,是 導(dǎo)電方式,即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 ,同一相(同一半橋)上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電,各相開(kāi)始導(dǎo)電的時(shí)間依次相差 。這樣,在任一瞬間,將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通??赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂,下面兩個(gè)臂,也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的,因此,也被稱為縱向換流。用T記為周期,只要注意三相之間互隔T/3(T是周期)就可以了,即B相比A相滯后T/3,C相又比B相滯后T/3。
具體的導(dǎo)通順序如下:
第1個(gè)T/6:V1,V6,V5導(dǎo)通,V4,V3,V2截至;第2個(gè)T/6:Vl,V6,V2導(dǎo)通,V4,V3,V5截至;
第3個(gè)T/6:V1,V3,V2導(dǎo)通,V4,V6,V5截至;第4個(gè)T/6:V4,V3,V2導(dǎo)通,V1,V6,V5截至;
第5個(gè)T/6:V4,V3,V5導(dǎo)通,V1,V6,V2截至;第6個(gè)T/6:V4,V6,V5導(dǎo)通,V1,V3,V2截至。
3 驅(qū)動(dòng)電路及系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
3.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
作為功率開(kāi)關(guān)器件,IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整機(jī)的性能,所以選擇或設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路顯得尤為重要。采用一個(gè)性能良好的驅(qū)動(dòng)電路,可使IGBT工作在比較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài),縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間,減小開(kāi)關(guān)損耗,對(duì)提高整個(gè)裝置的運(yùn)行效率,可靠性和安全性都有重要的意義。
驅(qū)動(dòng)電路必須具備兩個(gè)功能:一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖[ 3]。
對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求,可歸納如下:
1)IGBT和MOSFET都是電壓驅(qū)動(dòng),都具有一個(gè)2.5~5V值電壓,有一個(gè)容性輸入阻抗,因此IGBT對(duì)柵極電荷非常敏感,故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠,要保證有一條低阻抗值的放電回路,即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。
2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電,以保證柵極控制電壓Uge,有足夠陡的前后沿,使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外,IGBT開(kāi)通后,柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率,使IGBT不退出飽和而損壞。
3)驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號(hào)。
4)在大電感負(fù)載下,IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能太短,以限制出di/dt形成的尖峰電壓,確保IGBT的安全。
5)IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用,最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能,有較強(qiáng)的抗干擾能力。
本文采用美國(guó)IR公司推出的IR21lO集成驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT,它兼有體積小,速度快,電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。
驅(qū)動(dòng)芯片IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋電路如圖4所示。
3.2 電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路
當(dāng)流過(guò)IGBT的電流過(guò)流,一旦超出安全區(qū),IGBT將永久損壞,因此系統(tǒng)要設(shè)置電流過(guò)流保護(hù)電路,系統(tǒng)在變頻器的直流部分串電流互感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再通過(guò)比較器比較,將過(guò)流信號(hào)檢測(cè)出來(lái)后,送到SA828l的脈沖封鎖端(電平信號(hào)),那么SA828l就會(huì)停止輸出PWM脈沖,以保護(hù)IGBT。IGBT的過(guò)電流保護(hù)電路如圖5所示。
其中運(yùn)放C814組成電壓跟隨器,其輸入來(lái)自電流互感器的輸出。兩個(gè)電壓比較器C271組成窗口電壓比較器,比較器的輸出經(jīng)施密特反相器連接到與門的輸入端。當(dāng)IGBT沒(méi)有過(guò)電流時(shí),C814的輸入電壓比較低,窗口電壓比較器輸出高電平,因此EN信號(hào)為高電平,使IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)有效;反之,當(dāng)IGBT過(guò)電流時(shí),EN信號(hào)變?yōu)榈碗娖?,封鎖了IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)而使IGBT關(guān)斷,調(diào)節(jié)電位器RP,可以改變過(guò)流閥值的大小。
過(guò)壓保護(hù)電路的原理與電流保護(hù)電路類似,另外在主電路上應(yīng)配裝一個(gè)10A的快速熔斷保險(xiǎn),當(dāng)電路發(fā)生嚴(yán)重過(guò)流時(shí),快速熔斷保險(xiǎn)燒斷切斷電網(wǎng)電源,盡可能的保證主電路的安全。
4.控制電路軟硬件設(shè)計(jì)
三相SPWM發(fā)生器是控制電路的核心部分。在本設(shè)計(jì)中,我們選用了AT89C51單片機(jī)控制英國(guó)MITEL公司的專用集成芯片SA8281作為SPWM波形發(fā)生器,該芯片與微處理器接口方便,幾乎不用加任何的邏輯電路即可構(gòu)成完整的SPWM控制電路,結(jié)構(gòu)緊湊,提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性,利于降低成本。
4.1 SA8281的功能介紹
SA8281芯片是MITEL公司設(shè)計(jì)的專門為交流電機(jī)的調(diào)速控制,UPS電源以及其他需要脈寬調(diào)制作為一種有效電源控制的電力電子器件[4]。引腳如圖6所示:
它可用于三相PWM波形產(chǎn)生的可編程微機(jī)外圍接口芯片,使用一組標(biāo)準(zhǔn)的MOTEL總線,適用于英特爾和摩托羅拉二種總線接口,接口通用性好,編程和操作簡(jiǎn)單,方便,快捷。
SA8281采用常用的對(duì)稱的雙邊緣采樣法產(chǎn)生全數(shù)字化PWM波形,無(wú)時(shí)漂,無(wú)溫漂,具有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。
有6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出,用來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。
工作頻率范圍寬,精度高,三角載波頻率可調(diào)。