新型工業(yè)振動棒變頻電源的研制

　　摘要：介紹了一種新型的應(yīng)用于工業(yè)振動棒的變頻電源，它大大改進了現(xiàn)有振動棒電源體積和重量大的缺陷，詳細介紹了幾個重要部分電路的設(shè)計，并通過各部分的分析和實驗說明本設(shè)計具有體積小，重量輕，高性能等多方面優(yōu)點。
　　關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正；正激變換器；振動棒；變頻調(diào)速
　　
　　引言
　　
　　隨著電力電子技術(shù)，微型計算機和大規(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)有的振動棒產(chǎn)品基本上都是一種電動機帶發(fā)電機，再由發(fā)電機提供200Hz交流電，帶動高速振動棒電機運行的工作狀態(tài)[1]。其突出的缺點是體積和重量都比較大，對現(xiàn)場施工造成使用和移動上的很大不便。本文研究的重點是將交流變頻調(diào)速技術(shù)，應(yīng)用在振動棒這一種小型建筑用機械上，開發(fā)一種新型變頻電源。在實現(xiàn)振動棒功能的同時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(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：供振動器的內(nèi)置式異步偏心式振動電機的電源頻率為200Hz，單相輸入，三相輸出，電機的線電壓為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
　　
　　變頻電源不但要實現(xiàn)變壓和變頻功能，還要使輸入與輸出實現(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等幾個重要部分。
　　
　　本電源主電路由APFC前級，DC/DC和三相逆變3個部分構(gòu)成。輸入經(jīng)全橋不控整流后，用Boost電路作為APFC的電路拓撲進行電壓預(yù)調(diào)節(jié)。DC/DC部分采用單端正激變換器實現(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)流諧波小，對電網(wǎng)的諧波污染很�。欢�且當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負載變化時，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。
　　
　　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芯片來實現(xiàn)的，其電路原理圖如圖2所示[2]，輸入端電壓電流實驗結(jié)果如圖3所示。實際電壓和圖中電壓對應(yīng)關(guān)系為為1V∶1V，實際電流和圖中電流對應(yīng)關(guān)系為4A∶1V。
　　
　　3正激（Forward）變換器的設(shè)計[2]
　　
　　振動棒是一種手持式電動產(chǎn)品，為了操作人員的人身安全，輸入與輸出之間要實現(xiàn)電氣隔離。APFC前級的輸入與輸出是沒有隔離的，實現(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�；�于這種考慮，在本方案中，DC/DC部分采用的是正激變換電路（ForwardConverter）。正激變換器的最大優(yōu)點是結(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，變壓器傳輸能量，在開關(guān)管關(guān)斷時，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2Vs。采用N1與N2兩個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。
　　
　　4三相逆變器控制、驅(qū)動與保護電路的設(shè)計
　　
　　4.1逆變控制電路的設(shè)計[3]
　　
　　
　　
　　
　　由于本方案逆變部分不需要通過調(diào)節(jié)調(diào)制深度來改變輸出電壓的大小，僅須實現(xiàn)變頻功能就可以，故控制電路采用的芯片是INTEL的87C51FX系列的8位單片機，價格比通用的Intel196單片機大大降低，而性能足夠。一般而言，應(yīng)用CPU產(chǎn)生PWM的典型用法是采用定時的方法，在定時中斷中通過查詢的方式來確定三相的輸出。但是，這種方法只適用于輸出PWM脈沖頻率很低的情況，當(dāng)輸出頻率大于1kHz時，中斷查詢時間就可能會長于最小輸出脈沖寬度，這樣就會造成輸出脈沖寬度變大或減小，使輸出諧波加大，三相之間的對稱關(guān)系也會受到影響。與普通的51系列單片機相比，87C51FX增加了一個可編程的計數(shù)器陣列（PCA），它由一個16位的定時器/計數(shù)器和5個16位比較/捕捉模塊組成，如圖5所示，其功能與Intel196單片機的EPA相似。PCA的16位定時器/計數(shù)器作為比較/捕捉模塊的定時標(biāo)準(zhǔn)，因此，主要作為定時器使用，每個比較/捕捉模塊都有4種用途，即捕捉外部引腳CEXn上輸出電平發(fā)生跳變的時間，軟件定時器，高速輸出和脈沖寬度調(diào)制輸出。
　　
　　本方案采用不對稱規(guī)則采樣法產(chǎn)生三相6路控制脈沖。相比于對稱規(guī)則采樣法，不對稱規(guī)則采樣法所形成的階梯波更接近于正弦波。將計算出的三相脈沖寬度的值存成一個數(shù)據(jù)表，作為定時基準(zhǔn)，在程序中查詢這些定時時間就可以得到6路控制脈沖。工作原理簡述如下：應(yīng)用87C51FX的軟件定時器和高速輸出方式，在16位比較方式中，16位PCA定時器的計數(shù)值和模塊中的16位比較寄存器中的預(yù)置值在每個機器周期進行3次比較，若相等則產(chǎn)生一個匹配信號，使模塊工作于高速輸出方式，即在PCA定時器計數(shù)值和模塊的比較寄存器比較相等時產(chǎn)生一個匹配信號，該信號使外部引腳CEXn上的輸出電平發(fā)生跳變，如果允許也產(chǎn)生一個PCA中斷。由軟件來設(shè)置CEXn上輸出電平的初態(tài)，就可以使該引腳在預(yù)定時刻達到時發(fā)生正（負）跳變，利用這種方式就可以產(chǎn)生16位PWM波。
　　
　　由于引腳的跳變不須經(jīng)過CPU的運算來完成，因此，避免了由于最小脈沖寬度過窄而造成的脈沖寬度變化。程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成。主程序主要是進行初始化工作，將定時器和各個寄存器賦予初值。中斷程序主要包括用于產(chǎn)生PWM脈沖的PCA中斷服務(wù)程序和保護中斷程序：在PCA中斷服務(wù)程序中，主要是將下一個定時時間賦值給各個模塊的比較寄存器；保護中斷程序主要是處理當(dāng)有保護信號到來時，封鎖PWM輸出。
　　
　　4.2驅(qū)動電路的設(shè)計[4][5]
　　
　　本方案中驅(qū)動芯片采用IR2130。IR2130的最大優(yōu)點是可共地運行，因此只需要一路控制電源。而且它的6路輸出信號中的3路還具有電平轉(zhuǎn)換功能，既能驅(qū)動低壓側(cè)的功率器件，也能驅(qū)動高壓側(cè)的功率器件。IR2130還具有電流放大和過電流保護功能；欠壓鎖定并能指示欠壓和過電流狀態(tài)功能；輸入端噪聲抑制功能；同時還能自動產(chǎn)生上、下側(cè)驅(qū)動所必需的死區(qū)時間（2μs）等功能。實際應(yīng)用中的驅(qū)動電路如圖6所示。
　　
　　4.3保護電路與主電路的設(shè)計
　　
　　由于驅(qū)動電路部分具有電流保護功能，因此，保護電路部分只設(shè)計了電壓保護，包括輸入過壓、欠壓保護和輸出過壓、欠壓保護。保護電路如圖7所示。其中，這幾種保護功能的實現(xiàn)電路是類似的，即輸出（或輸入）電壓經(jīng)過分壓后送到比較器的反相端，比較器的同相端接給定電壓。他們的區(qū)別在于比較器的輸出不同，即輸入過壓和輸出過壓時，比較器輸出低電平；輸入欠壓和輸出欠壓時，比較器輸出高電平。前面3種保護電路的輸出經(jīng)過4011的運算后，成為“或”的關(guān)系，即只要有一種故障發(fā)生，得到的故障信號就是高電平，送到CPU的外中斷端口進行相應(yīng)的處理。輸出欠壓時，比較器輸出高電平，發(fā)光二極管點亮，同時蜂鳴器發(fā)出聲音報警。
　　
　　由于DC/DC部分的輸出電壓比較低，因此，主電路部分采用的功率開關(guān)管是低壓MOSFET。同時，為了減輕開關(guān)過程中功率管的負擔(dān)，在主電路部分采用了緩沖電路，如圖8所示。其中三相逆變橋由6個MOSFET組成，D1～D6是MOSFET自帶集成的快速恢復(fù)二極管，R，D，C組成了緩
　　
　　
　　
　　沖電路（也可以看出是U，V，W三相緩沖電路的等效電路）。
　　
　　5實驗分析與結(jié)語
　　
　　在本設(shè)計中，對各個部分進行了電路的仿真和實驗，并完成樣機一臺。正常運行時電機線電壓和電流實驗波形如圖9和圖10所示。該設(shè)計具有體積小、重量輕、輸出電壓穩(wěn)定和電流諧波小、功率因數(shù)高等優(yōu)點，預(yù)計在克服隨著輸出功率的增加而導(dǎo)致的正激變換器功率開關(guān)的電壓電流應(yīng)力問題之后，按照此設(shè)計生產(chǎn)的產(chǎn)品將具有更高的性價比，更具市場競爭力。
　　
　　
　　
　　

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