電能監(jiān)測技術變頻器設計探索

精品文檔-下載后可編輯電能監(jiān)測技術變頻器設計探索1功率計量模塊

功率計量部分采用ATT7022B單片機，根據數據采集模塊采樣到的數據計算有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率等。由于萬能板空間占比大，不能很好地集成以及與主控制電路連接，故采用印制PCB板，包括傳感器電路板、最小系統(tǒng)和控制電路板、功率計量電路板等。

2核心控制模塊

本模塊包括七個部分：單片機及其電路、鍵盤數碼管顯示電路、串行通信電路、非易失性存儲器電路、液晶顯示電路、計時電路、D/A轉換電路。單片機采用MSP430F194執(zhí)行程序，實現鍵盤輸入控制、LED顯示等功能，使用微耗的液晶顯示屏，顯示用電器的功率和耗電量、輸入電壓、累計時間等參數。

3變頻控制部分

變頻調速技術通過改變電動機工作電源頻率從而改變電機轉速，基本原理是：在變頻器內，EMI線濾波器對市電中的單相220V交流電源進行濾波，將外界電網的高頻脈沖干擾濾除，從而避免變頻器外部受到開關電源的電磁干擾，電流經過大容濾波和硅橋整流，在直流母線上得到穩(wěn)定的直流電壓。在單片機的控制下，該直流電壓經過三相橋式逆變電路逆變后，可輸出交流電。該交流電含一小部分諧波，經過一級小容量的無源濾波網絡后，在輸出端獲得正弦輸出電壓。本設計采用主、從兩片單片機進行控制，主單片機實現頻率電壓編碼輸出控制、LED顯示及鍵盤輸入控制等，從單片機主要使用SPWM調制方式，具有高效率、低噪聲等優(yōu)點。

3.1逆變功率模塊

逆變功率模塊分為整流電路和逆變電路:（1）800V/8A硅整流橋的整流器，將220V交流電整流成直流電，直流電壓通過大容濾波電路濾波，此時直流電壓值為輸入交流電壓的峰值，即。（2）由IGBT組成的逆變橋，具有驅動功率小而飽和壓降低的優(yōu)點，將單片機傳輸的三相六路SPWM波信號放大并合成三相交流電，將整流濾波得到的直流電逆變成頻率可調的交流電。由于功率可達2000W及以上，為保護電路，首先將兩個瞬間吸收過壓高于1500W的瞬態(tài)抑制二極管串聯從而實現瞬間過壓保護；然后采用快恢復二極管進行續(xù)流保護，避免因電動機產生反電勢而導致IGBT損壞。

3.2信號驅動模塊

變頻器中采用IGBT的功率輸出級具有簡單的驅動電路，較高的開關頻率，并且用于通用變頻器時，可以降低負載電動機的噪聲。IGBT還可使電動機轉矩的脈動和電動機的損耗減小。由于IGBT是電壓驅動型器件，因而可以降低成本，提高可靠性，使裝置更加緊湊。IGBT的常用驅動方法：分立元件驅動、脈沖變壓器驅動和專用芯片驅動等。逆變模塊中組成三相逆變橋采用的是IGBT，為了滿足上橋臂的三個IGBT需要可靠驅動要求，我們采用自舉電壓驅動專用芯片IR2110，并對其典型器件改進，使輸入輸出的高低電平和正負電壓保持對應關系，且電源電位恒為20V，便可控制IGBT。由LM311及TL413構成的過流保護電路能即時判斷電路過流情況，進而關斷IR2110脈沖輸出，起到保護電路的作用。

3.3核心控制模塊

變頻器的核心控制模塊主單片機用HT46R232單片機，該單片機編程靈活，具備4K的程序存儲器及192Byte的數據存儲器，可作為信號輸出元件。8通道10位分辨率A/D轉換輸入，40個I/O管腳可應用于多輸入及輸出控制的裝置，使器件更加簡潔，具有極高的抗干擾能力，是一種高集成度低成本的MCU芯片。主單片機輸出信號后，對由單片機通過SPWM波生成算法編程，從而使六路SPWM信號輸出，接著驅動三相逆變橋，同時主單片機也實現了輸出頻率的顯示功能和步進控制。SPWM波形生成算法：等效面積法、有規(guī)則采樣法和自然采樣法。自然采樣法難以實時控制，規(guī)則采樣法可用計算機快速計算脈沖寬度和脈沖間隔時間，等面積法的諧波較規(guī)則采樣法的諧波較少。并且實驗表明采用等效面積法產生的SPWM波形具有輸出波形諧波小、精度高、對稱性好等優(yōu)點[3]。所謂等效面積算法，即N等分一個正弦半波，用面積相同的等高矩形脈沖代替每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的部分面積，將N個寬度不等幅值相等的矩形脈沖所構成的波形近似等效為正弦半波，矩形脈沖的中點和正弦波每一等分的中點重合?？梢杂捎嬎愕玫矫}沖波形的開關時刻和寬度。由此得到與頻率對應關系的IGBT的開關時刻。在等效面積算法中，正弦波在一個周期內劃分的等份越多，合成后三相波形越接近正弦波形、各個波頭的間隙越小。

3.4電源部分

信號單片機工作電源和驅動電源組成了電源模塊。220V/9V變壓器將220V交流電被隔離降壓，變?yōu)橛行е禐?V的交流電，整流濾波后，三端穩(wěn)壓器將由交流電提供，單片機由輸出5V直流電壓供給工作；另外信號驅動電源被工頻變壓器降壓后，通過三端穩(wěn)壓器產生的20V/1A直流電源。

4結論

本設計中變頻控制部分的控制核心采用HT46R232單片機，逆變電路元件采用了IGBT大功率器件，SPWM波形生成算法采用等效面積算法，從而驅動三相逆變橋電路，運行時效率高、噪聲低、精度高；電能監(jiān)測部分采用互感器進行電流采樣，ATT7022B單片機進行功率計算，MSP430F194單片機進行核心控制，能夠對電量消耗進行實時高精度監(jiān)測。本設計的創(chuàng)新點為：作為變頻器逆變器件的IGBT，好處在于其保護和驅動電路；本文在傳統(tǒng)變頻器的基礎上增加了電能消耗實時監(jiān)測，幫助用戶