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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(guò)各部分的分析和實(shí)驗(yàn)說(shuō)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
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(lái)，并得到了越來(lái)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)[1]。其突出的缺點(diǎn)是體積和重量都比較大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(xiàn)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(mǎn)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)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(guò)調(diào)節(jié)三相逆變部分的調(diào)制深度來(lái)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(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)APFC，是目前在高頻開(kāi)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(chǎng)上已有很多種集成電路芯片可供選擇，其中美國(guó)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路原理圖如圖2所示[2]，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。
3正激（Forward）變換器的設(shè)計(jì)[2]
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(méi)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(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力問(wèn)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（ForwardConverter）。正激變換器的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，減少了成本和重量�？紤]變壓器的磁復(fù)位問(wèn)題，本方案采用如圖4所示的電路。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器傳輸能量，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸出二極管D1反偏沒(méi)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(xiàn)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(kāi)關(guān)管承受的漏－源電壓就為2Vs。采用N1與N2兩個(gè)繞組雙線(xiàn)并繞的方法，可以減小漏感。在圖4電路中，功率開(kāi)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(dòng)與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
4.1逆變控制電路的設(shè)計(jì)[3]
由于本方案逆變部分不需要通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制深度來(lái)改變輸出電壓的大小，僅須實(shí)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(jī)，價(jià)格比通用的Intel196單片機(jī)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(shí)的方法，在定時(shí)中斷中通過(guò)查詢(xún)的方式來(lái)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(shí)，中斷查詢(xún)時(shí)間就可能會(huì)長(zhǎng)于最小輸出脈沖寬度，這樣就會(huì)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(duì)稱(chēng)關(guān)系也會(huì)受到影響。與普通的51系列單片機(jī)相比，87C51FX增加了一個(gè)可編程的計(jì)數(shù)器陣列（PCA），它由一個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和5個(gè)16位比較/捕捉模塊組成，如圖5所示，其功能與Intel196單片機(jī)的EPA相似。PCA的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器作為比較/捕捉模塊的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，因此，主要作為定時(shí)器使用，每個(gè)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(shí)間，軟件定時(shí)器，高速輸出和脈沖寬度調(diào)制輸出。
本方案采用不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法產(chǎn)生三相6路控制脈沖。相比于對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法，不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法所形成的階梯波更接近于正弦波。將計(jì)算出的三相脈沖寬度的值存成一個(gè)數(shù)據(jù)表，作為定時(shí)基準(zhǔn)，在程序中查詢(xún)這些定時(shí)時(shí)間就可以得到6路控制脈沖。工作原理簡(jiǎn)述如下：應(yīng)用87C51FX的軟件定時(shí)器和高速輸出方式，在16位比較方式中，16位PCA定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和模塊中的16位比較寄存器中的預(yù)置值在每個(gè)機(jī)器周期進(jìn)行3次比較，若相等則產(chǎn)生一個(gè)匹配信號(hào)，使模塊工作于高速輸出方式，即在PCA定時(shí)器計(jì)數(shù)值和模塊的比較寄存器比較相等時(shí)產(chǎn)生一個(gè)匹配信號(hào)，該信號(hào)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(gè)PCA中斷。由軟件來(lái)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(shí)刻達(dá)到時(shí)發(fā)生正（負(fù)）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(guò)CPU的運(yùn)算來(lái)完成，因此，避免了由于最小脈沖寬度過(guò)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(jìn)行初始化工作，將定時(shí)器和各個(gè)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(hù)中斷程序：在PCA中斷服務(wù)程序中，主要是將下一個(gè)定時(shí)時(shí)間賦值給各個(gè)模塊的比較寄存器；保護(hù)中斷程序主要是處理當(dāng)有保護(hù)信號(hào)到來(lái)時(shí)，封鎖PWM輸出。
4.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[4][5]
本方案中驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2130。IR2130的最大優(yōu)點(diǎn)是可共地運(yùn)行，因此只需要一路控制電源。而且它的6路輸出信號(hào)中的3路還具有電平轉(zhuǎn)換功能，既能驅(qū)動(dòng)低壓側(cè)的功率器件，也能驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率器件。IR2130還具有電流放大和過(guò)電流保護(hù)功能；欠壓鎖定并能指示欠壓和過(guò)電流狀態(tài)功能；輸入端噪聲抑制功能；同時(shí)還能自動(dòng)產(chǎn)生上、下側(cè)驅(qū)動(dòng)所必需的死區(qū)時(shí)間（2μs）等功能。實(shí)際應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。
4.3保護(hù)電路與主電路的設(shè)計(jì)
由于驅(qū)動(dòng)電路部分具有電流保護(hù)功能，因此，保護(hù)電路部分只設(shè)計(jì)了電壓保護(hù)，包括輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)和輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)。保護(hù)電路如圖7所示。其中，這幾種保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)電路是類(lèi)似的，即輸出（或輸入）電壓經(jīng)過(guò)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(guò)壓和輸出過(guò)壓時(shí)，比較器輸出低電平；輸入欠壓和輸出欠壓時(shí)，比較器輸出高電平。前面3種保護(hù)電路的輸出經(jīng)過(guò)4011的運(yùn)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(hào)就是高電平，送到CPU的外中斷端口進(jìn)行相應(yīng)的處理。輸出欠壓時(shí)，比較器輸出高電平，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)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(kāi)關(guān)管是低壓MOSFET。同時(shí)，為了減輕開(kāi)關(guān)過(guò)程中功率管的負(fù)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(gè)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(shí)驗(yàn)分析與結(jié)語(yǔ)
在本設(shè)計(jì)中，對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行了電路的仿真和實(shí)驗(yàn)，并完成樣機(jī)一臺(tái)。正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)線(xiàn)電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形如圖9和圖10所示。該設(shè)計(jì)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(diǎn)，預(yù)計(jì)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(kāi)關(guān)的電壓電流應(yīng)力問(wèn)題之后，按照此設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)品將具有更高的性?xún)r(jià)比，更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
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