1通用變頻器的硬件電路設(shè)計(jì)

1、 1 通用變頻器的硬件電路設(shè)計(jì)1.1通用變頻器的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以TI 公司的TMS320LF2407A為控制核心，由主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路組成，其總體設(shè)計(jì)圖如圖3.1 所示。R1C1R2RbM220VR3C2IPM故障保護(hù)限流啟動(dòng)電壓檢測(cè)過壓欠壓保護(hù)泵升控制驅(qū)動(dòng)電路故障保護(hù)IO接口IO接口頻率輸入中央處理器PWM光耦隔離DSP圖 1.1 基于 DSP 的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖其中主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路(IPM)和 IPM 驅(qū)動(dòng)電路與吸收電路組成。其工作原理是把單相交流電壓通過不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷海骱蟮拿}動(dòng)電壓再經(jīng)過大電容C ，C 平滑后成為穩(wěn)定的直

2、流電壓。IPM 逆變電路對(duì)12該直流電壓進(jìn)行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電，提供給電機(jī)。 系統(tǒng)保護(hù)電路包括過壓、欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、IPM 故障保護(hù)與泵升控制等。過壓、欠壓保護(hù)是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較；限流啟動(dòng)是由于開啟主回路時(shí)，大電容充電瞬間引起的電流過大，這樣可能會(huì)損壞整流橋，因此在主回路上串聯(lián)限流電阻R1，當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)繼電器把R1 短路，主回路進(jìn)入正常工作狀態(tài)；IPM 故障保護(hù)是IPM 內(nèi)部集成的各種保護(hù)功能，包括過電流保護(hù)功能、短路保護(hù)功能、控制電源欠電壓保護(hù)和管殼及管芯溫度過熱保護(hù)。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入DSP(

3、TMS320LF2407A的)PDPINTA故障中斷入口，進(jìn)而封鎖DSP 的 PWM 波輸出?？刂齐娐钒―SP 最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由 DSP 本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù)SRAM、程序 SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口JTAG 電路組成，仿真接口JTAG 電路是為了實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時(shí)在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼；頻率輸入電路可以設(shè)置系統(tǒng)要輸出的SPWM 波的頻率；光耦隔離電路是為了把DSP 輸出的弱電信號(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行可靠隔離。1.2主電路的設(shè)計(jì)主電路原理圖如下圖所示，由整流電路、濾波電路、逆變電(路IPM)和 IPM 的234吸收

4、電路組成。主電路采用典型的交直交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級(jí)采用單相橋式不可控整流電路RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容(由 C1 到 C4 電容組成)濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的DCBR4R5Q1D1 R6 Q3D3 R7 Q5D5 R8R2C1C3C21RB1C3C7C842C5K1AC 220VUVW3R11R10R9Q4C10C9 脈沖電壓序列。由于功率器件開關(guān)頻率過高，會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。圖中C5 為 C 型吸收電路，R6 到 R11 和 C6 到 C11 組成 RC 型吸收電路。發(fā)光二極管DS1 用來

5、顯示濾波電容兩端的電量。下面詳細(xì)介紹各個(gè)部分電路及元件參數(shù)。(被控電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：聯(lián)接，額定功率為 P =60W，額定電壓U =220V，額定電流I =0.28A，額定頻率f =50Hz，額定NNNN轉(zhuǎn)速 n =1400r/min。)N1.2.1整流電路整流電路由4 個(gè)整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用 220V，整流電路為單相全波整流橋；大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。整流二極管的計(jì)算，通過二極管的峰值電流：I =2 2 I =2 2 0.2

6、8 = 0.79 A(1.1)MN流過二極管電流的有效值：11180I Dd( t) I 0.56Am(1.2)(1.3) I2360m20二極管電流定額：I =(23)I =1.121.68And考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用I =10A。整流二極n管的電壓定額：U =(2 3)U =(2 3) 2 220 = 622 933(V )(1.4)nm選用 U =1000V。根據(jù)上面計(jì)算的電壓和電流以及市場價(jià)格和供貨情況，實(shí)際n選用的單相整流橋?yàn)?0A，1000V。1.2.2濾波電路在整流電路中輸出電壓是脈動(dòng)的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)

7、，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個(gè)低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去禍作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲(chǔ)能電容器。 在沒有加入濾波電容時(shí)，單相整流橋輸出平均直流電壓為：3 23 2U U 220 297 (V )(1.5)D

8、N加上濾波電容后，Un 的最高電壓可達(dá)交流線電壓的峰值：U 2U 2 220 311(V)(1.6)DmN假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍為200V240V，當(dāng)輸入電壓對(duì)應(yīng)240V 的輸入，整流后的電壓為324V。又設(shè)電源功率因數(shù)為0.9，那么每一個(gè)周期，電容吸收的能量為：1POUTnfE C (U U )22(1.7)2minpkm式中為電機(jī)輸出功率，Upk 為峰值電壓，Umin 為最小交流輸入電壓?？紤]到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應(yīng)該在200V以上，所以有：2P2 60C 47F(1.8)OUTnf (U U ) 0.950(311 200 )m2pk2min22濾波電容理論上講越大越好，實(shí)際中

9、考慮價(jià)格我們選擇4 個(gè) 450 伏 330F 的電解電容，分別兩個(gè)并聯(lián)后再2 個(gè)串聯(lián)，最后等效為一個(gè)耐壓900 伏 330F 的電容。并聯(lián)在電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個(gè)參數(shù)不是完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時(shí)在電源關(guān)斷時(shí)，給電容提供一個(gè)放電回路，此電阻阻值選用 47k。1.2.3逆變電路逆變電路的功率開關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為核心的智能功率模塊(IPM)。IPM 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為IGBT單元組成的三相橋臂；（見附錄1）內(nèi)含續(xù)流二極管；內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和報(bào)警輸出電路I。PM 管腳的功能如表1.1 所示（見附錄2）IPM 的選取：IGBT正反向峰值

10、電壓為：U = 2 U = 2 220 = 311V(1.9)MIGBT電壓定額為：U 1.51.2U 1.51.2 311 560V(1.10)dM式中： 1.5安全裕量1.2考慮大電容濾波后的電感升高系數(shù) IGBT通態(tài)峰值電流為：I =2 2 I =2 2 0.28 = 0.79(1.11)(1.12)AMNIGBT電流定額為：I =1.5 1.2 I =1.42ANM式中：1.5安全裕量1.2考慮電機(jī)的過載倍數(shù)故可選用l0A/600V的 IPM 模塊，型號(hào)為PM10CSJ060。(4)續(xù)流電路續(xù)流二極管的主要功能有：1)電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。續(xù)流二極管為無功電流返回

11、直流電源提供“通道”。2)當(dāng)頻率下降、電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流將通過續(xù)流二極管返回直流回路。3)IGBT(Q1Q6)進(jìn)行逆變的基本工作過程：同一橋臂的兩個(gè)逆變管，處于不停的交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，也不時(shí)地需要續(xù)流二極管提供通路。(5)IPM逆變器開關(guān)頻率的確定在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用 SPWM 逆變電路可以大大降低逆變電路輸出電壓的諧波，使逆變電路的輸出電流接近正弦波。諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時(shí)間的限制。盡管智能功率模塊IPM 的開關(guān)頻率可達(dá)1020kHz，但在確定逆變電路開關(guān)頻率時(shí)，除了應(yīng)使逆變電路輸出接近正弦波，還

12、要考慮器件的開關(guān)損耗，以保證變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高的效率。因此，必須全面衡量后再確定采用IPM 的逆變電路的開關(guān)頻率。本系統(tǒng)開關(guān)頻率選用1.8kHz。1.2.4以 IPM 為功率器件的驅(qū)動(dòng)電路IPM 逆變驅(qū)動(dòng)接口電路如圖1.4 所示(上橋臂只以U 相為例)。（見附錄3）(1)驅(qū)動(dòng)電源1)當(dāng)控制信號(hào)(柵極驅(qū)動(dòng))與主電流共用一個(gè)電流路徑時(shí)，由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而導(dǎo)致可能感應(yīng)到柵極把本來截止的IGBT導(dǎo)通。因此IPM 驅(qū)動(dòng)電源需要采用四組隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。 2)驅(qū)動(dòng)電源電壓在 13.5V16.5V 之間，IPM 能

13、夠正常工作。若電源電壓高于16.5V，則 IGBT 因驅(qū)動(dòng)電源電壓過高，保護(hù)性能得不到充分的保證，高于20V 時(shí)IGBT管的柵極會(huì)損壞，因此絕對(duì)不能加如此高的電壓若。電源電壓低于13.5V，IGBT驅(qū)動(dòng)電源電壓不足，這時(shí)控制信號(hào)為無效操作。典型的工作電壓一般1取5V。3)制作驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，應(yīng)盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小?？稍诳刂齐娫摧敵龆私?0F 及 0.1F 的濾波電容，保持電源平穩(wěn)，修正線路阻抗。(2)控制信號(hào)輸入控制電路電流I 與開關(guān)頻率f 有關(guān)(見附錄 4)，因此控制端加一個(gè)上拉電阻。Dk上拉電阻應(yīng)盡可能小以避免高阻抗IPM 拾取噪聲，但又要足夠可靠地控制IPM。在 P

14、WM 信號(hào)輸入端必須用高速光耦進(jìn)行隔離，一般取光耦的開關(guān)速度tPLH、t l0kV/us，通常的型號(hào)有：HCPL4504，TLP559，6N136，PHL并且在光耦輸出端接一個(gè)0.1uF的退耦電容。故障信號(hào)Fo 使用時(shí)必須注意，當(dāng)T =1.8ms(典型值)有效時(shí)，IPM 會(huì)關(guān)斷開關(guān)FO并使輸入無效。在Fo 結(jié)束后自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)輸入有效。因而在Fo 輸出時(shí)系統(tǒng)必須在 1.8ms 內(nèi)使 PWM 信號(hào)無效，等故障排除后方可重新有效。低速光耦可用于故障輸出端。1.3控制電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用高性能的DSP(TMS320LF2407A為) 控制核心，與頻率輸入電路、光耦隔離電路構(gòu)成了結(jié)構(gòu)比較簡單的控制系統(tǒng)

15、。DSP(TMS320LF2407A的) 最小系統(tǒng)電路DSP 目標(biāo)板能為使用者提供一個(gè)方便的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)者可以根據(jù)自己實(shí)際的使用情況設(shè)計(jì)不同的目標(biāo)，本次研究使用的TMS320LF2407A目標(biāo)板是能夠開發(fā)使用 DSP 的最小系統(tǒng)板，它主要由TMS320LF2407A芯片、電源電路、時(shí)鐘、片外數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器、譯碼電路、JTAG 仿真接口、外部總線擴(kuò)展接口等組成。DSP 最小系統(tǒng)框圖如圖所示： 電平轉(zhuǎn)換JTAG 仿真接口DSP時(shí)鐘TMS320LF2407ALED234IO口擴(kuò)展圖 3.11 DSP最小系統(tǒng)框圖(1)電源電路TPS767D301R14SW260KR1690. 8KR1730. 1KR15260K0.1uJ6NCNCC3 133uD1R1 81.6KLEDC3 40.1u (2)時(shí)鐘C4C122PC5PLF2C2PLLF22P時(shí)鐘電路TRST1324579111368101214R26+3.3V20k 234P0P1P2P3P4P5P6P79P7RESPACK4+15VVcc+10K+15V0.1uF10uFVinGND