新型工业振动棒变频电源的研制

摘要：介绍了一种新型的应用于工业振动棒的变频电源，它大大改进了现有振动棒电源体积和重量大的缺陷，详细介绍了几个重要部分电路的设计，并通过各部分的分析和实验说明本设计具有体积小，重量轻，高性能等多方面优点。

关键词：有源功率因数校正；正激变换器；振动棒；变频调速

0    引言

    随着电力电子技术，微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，使得由变频器组成的交流电机变频调速系统迅速发展成熟起来，并得到了越来越广泛的应用。

    现有的振动棒产品基本上都是一种电动机带发电机，再由发电机提供200Hz交流电，带动高速振动棒电机运行的工作状态。其突出的缺点是体积和重量都比较大，对现场施工造成使用和移动上的很大不便。本文研究的重点是将交流变频调速技术，应用在振动棒这一种小型建筑用机械上，开发一种新型变频电源。在实现振动棒功能的同时使整机的体积和重量都大幅减小，并提高输入端的功率因数，稳定输出端的电压和频率，还能降低产品的成本。该变频电源基本性能指标如下：供振动器的内置式异步偏心式振动电机的电源频率为200Hz，单相输入，三相输出，电机的线电压为42V，单机功率为350W，要求能带双机运行。

1    电压型逆变器的主电路

    变频电源不但要实现变压和变频功能，还要使输入与输出实现电气隔离，并且还要满足电网的谐波要求，其基本结构一般均包括 AC/DC， DC/DC和DC/AC等几个重要部分。

    本电源主电路由APFC前级，DC/DC和三相逆变3个部分构成。输入经全桥不控整流后，用Boost电路作为APFC的电路拓扑进行电压预调节。DC/DC部分采用单端正激变换器实现降压和隔离的功能。三相逆变部分则采用SPWM控制方式，其基本结构如图1所示。由于采用了功率因数校正技术，因此输入功率因数高，电网侧电流谐波小，对电网的谐波污染很小；而且当电网电压波动或负载变化时，由于DC/DC环节的控制可以保持三相逆变部分的直流侧电压稳定，从而使系统的输出电压稳定，而不需要通过调节三相逆变部分的调制深度来改变输出电压的大小，因此，对逆变部分的控制芯片的要求就可以降低，可以采用比较廉价的CPU。另外，由于是低压逆变，则可采用低压MOS管作为逆变电路的功率开关管。

图1    逆变电源的基本原理框图

2    有源功率因数校正（APFC）电路

    采用平均电流控制的Boost电路来实现APFC，是目前在高频开关电源中使用最广泛的一种APFC控制方法。应用平均电流控制法的功率因数校正器的控制电路在市场上已有很多种集成电路芯片可供选择，其中美国Unitrode公司的UC3854是很有代表性的一种，并在实际中得到了较广泛的应用。在本方案中，就是采用Unitrode公司的UC3854芯片来实现的，其电路原理图如图2所示，输入端电压电流实验结果如图3所示。实际电压和图中电压对应关系为为1V∶1V，实际电流和图中电流对应关系为4A∶1V。

图2    UC3854功率因数校正电路原理图

图3    校正电路实验波形

3    正激（Forward）变换器的设计

    振动棒是一种手持式电动产品，为了操作人员的人身安全，输入与输出之间要实现电气隔离。APFC前级的输入与输出是没有隔离的，实现隔离的功能是由DC/DC部分完成的。由于采用的是高频DC/DC变换电路，因此变压器的体积可以做得很小。另外，由于APFC的输出电压大约为350～400V，考虑到后面逆变电路开关管的电压应力问题，DC/DC部分应该还具有降压的功能。基于这种考虑，在本方案中，DC/DC部分采用的是正激变换电路（Forward Converter）。正激变换器的最大优点是结构简单，可靠性高，减少了成本和重量。考虑变压器的磁复位问题，本方案采用如图4所示的电路。在开关管导通时，变压器传输能量，在开关管关断时，输出二极管D₁反偏没有能量泄放回路，磁化能量将引起较大的反压加在MOS管的漏极和源极之间。采用N₂线圈的作用就在于经二极管D可以把储存的能量返回到电源中。只要N₂和N₁的匝数相同，开关管承受的漏－源电压就为2V_s。采用N₁与N₂两个绕组双线并绕的方法，可以减小漏感。在图4电路中，功率开关的控制芯片采用的是Unitrode公司的UC3844。

图4    带去磁复位的Forward电路原理图

4    三相逆变器控制、驱动与保护电路的设计

4.1    逆变控制电路的设计

    由于本方案逆变部分不需要通过调节调制深度来改变输出电压的大小，仅须实现变频功能就可以，故控制电路采用的芯片是INTEL的87C51FX系列的8位单片机，价格比通用的Intel196单片机大大降低，而性能足够。一般而言，应用CPU产生PWM的典型用法是采用定时的方法，在定时中断中通过查询的方式来确定三相的输出。但是，这种方法只适用于输出PWM脉冲频率很低的情况，当输出频率大于1kHz时，中断查询时间就可能会长于最小输出脉冲宽度，这样就会造成输出脉冲宽度变大或减小，使输出谐波加大，三相之间的对称关系也会受到影响。与普通的51系列单片机相比，87C51FX增加了一个可编程的计数器阵列（PCA），它由一个16位的定时器/计数器和5个16位比较/捕捉模块组成，如图5所示，其功能与Intel196单片机的EPA相似。PCA的16位定时器/计数器作为比较/捕捉模块的定时标准，因此，主要作为定时器使用，每个比较/捕捉模块都有4种用途，即捕捉外部引脚CEXn上输出电平发生跳变的时间，软件定时器，高速输出和脉冲宽度调制输出。

图5    可编程计数器阵列

    本方案采用不对称规则采样法产生三相6路控制脉冲。相比于对称规则采样法，不对称规则采样法所形成的阶梯波更接近于正弦波。将计算出的三相脉冲宽度的值存成一个数据表，作为定时基准，在程序中查询这些定时时间就可以得到6路控制脉冲。工作原理简述如下：应用87C51FX的软件定时器和高速输出方式，在16位比较方式中，16位PCA定时器的计数值和模块中的16位比较寄存器中的预置值在每个机器周期进行3次比较，若相等则产生一个匹配信号，使模块工作于高速输出方式，即在PCA定时器计数值和模块的比较寄存器比较相等时产生一个匹配信号，该信号使外部引脚CEXn上的输出电平发生跳变，如果允许也产生一个PCA中断。由软件来设置CEXn上输出电平的初态，就可以使该引脚在预定时刻达到时发生正（负）跳变，利用这种方式就可以产生16位PWM波。

    由于引脚的跳变不须经过CPU的运算来完成，因此，避免了由于最小脉冲宽度过窄而造成的脉冲宽度变化。程序主要由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序主要是进行初始化工作，将定时器和各个寄存器赋予初值。中断程序主要包括用于产生PWM脉冲的PCA中断服务程序和保护中断程序：在PCA中断服务程序中，主要是将下一个定时时间赋值给各个模块的比较寄存器；保护中断程序主要是处理当有保护信号到来时，封锁PWM输出。

4.2    驱动电路的设计

    本方案中驱动芯片采用IR2130。IR2130的最大优点是可共地运行，因此只需要一路控制电源。而且它的6路输出信号中的3路还具有电平转换功能，既能驱动低压侧的功率器件，也能驱动高压侧的功率器件。IR2130还具有电流放大和过电流保护功能；欠压锁定并能指示欠压和过电流状态功能；输入端噪声抑制功能；同时还能自动产生上、下侧驱动所必需的死区时间（2μs）等功能。实际应用中的驱动电路如图6所示。

图6采用IR2130的驱动电路

4.3    保护电路与主电路的设计

    由于驱动电路部分具有电流保护功能，因此，保护电路部分只设计了电压保护，包括输入过压、欠压保护和输出过压、欠压保护。保护电路如图7所示。其中，这几种保护功能的实现电路是类似的，即输出（或输入）电压经过分压后送到比较器的反相端，比较器的同相端接给定电压。他们的区别在于比较器的输出不同，即输入过压和输出过压时，比较器输出低电平；输入欠压和输出欠压时，比较器输出高电平。前面3种保护电路的输出经过4011的运算后，成为“或”的关系，即只要有一种故障发生，得到的故障信号就是高电平，送到CPU的外中断端口进行相应的处理。输出欠压时，比较器输出高电平，发光二极管点亮，同时蜂鸣器发出声音报警。

图7    保护电路图

图8    变频器的主电路

    由于DC/DC部分的输出电压比较低，因此，主电路部分采用的功率开关管是低压MOSFET。同时，为了减轻开关过程中功率管的负担，在主电路部分采用了缓冲电路，如图8所示。其中三相逆变桥由6个MOSFET组成，D₁～D₆是MOSFET自带集成的快速恢复二极管，R，D，C组成了缓冲电路（也可以看出是U，V，W三相缓冲电路的等效电路）。

5    实验分析与结语

    在本设计中，对各个部分进行了电路的仿真和实验，并完成样机一台。正常运行时电机线电压和电流实验波形如图9和图10所示。该设计具有体积小、重量轻、输出电压稳定和电流谐波小、功率因数高等优点，预计在克服随着输出功率的增加而导致的正激变换器功率开关的电压电流应力问题之后，按照此设计生产的产品将具有更高的性价比，更具市场竞争力。

图9    200Hz时振动棒线电压波形

图10    200Hz时振动棒相电流波形