工業(yè)用振動棒變頻電源的研制??

摘要：以工業(yè)用振動棒的變頻電源為研究對象，主要介紹了如何采用新的方法來設(shè)計替代現(xiàn)有電動機帶發(fā)電機運行的產(chǎn)品的變頻電源。根據(jù)產(chǎn)品所要求達到的性能指標，給出包括輔助開關(guān)電源電路、主電路以及控制電路的設(shè)計，并對樣機的性能進行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：工業(yè)用振動棒；變頻調(diào)速電源；研制

1??? 引言

??? 作為一種變壓變頻的實用功率變換裝置，變頻器基本上涵蓋了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的幾個重要方面，包括AC/DC、DC/DC和DC/AC。振動棒是一種小型建筑機械，主要用于制造混凝土制品和建造混凝土結(jié)構(gòu)時，將混凝土填滿型模，減少混凝土制件中的空洞和各種缺陷，有利于提高混凝土建筑質(zhì)量^[1][2][3]。振動棒主要有兩種：液壓式和電動式。現(xiàn)有的工業(yè)用振動棒常用電動機帶發(fā)電機組產(chǎn)生固定頻率交流電的形式，而本文要研究的是利用變頻電源代替這種供電方式。

2? 變頻電源主電路及控制電路的研制

??? 該變頻電源要求的基本性能指標為，單相交流220V輸入、三相交流200Hz輸出，輸出線電壓為42V。由于振動棒是一個系列產(chǎn)品，因此為了驅(qū)動不同規(guī)格的振動棒，也就要求變頻電源有不同的型號：帶單負載運行的變頻電源；可以帶雙負載運行的變頻電源等。而且由于振動棒是一種手持式的電動工具，因此變頻電源必須具有良好的電氣性能，輸入與輸出之間要有良好的電氣隔離，輸出電壓為安全電壓42V。而且由于輸出電壓比輸入要低，因此逆變電源還必須有一個降壓的環(huán)節(jié)，下面針對這些指標，詳述設(shè)計過程及分析實驗結(jié)果。

2.1? 主電路的設(shè)計

??? 圖1為基本原理圖。從圖1可以看出，主電路主要包括輸入整流、濾波和三相變頻電路三部分。三相逆變部分采用的是富士公司的IPM，型號為6MBP15RY060。容量為15A、600V，最高開關(guān)頻率為5kHz。選擇這種IPM的原因在于它具有良好的性價比，已成為市場上的常用器件，雖然器件的最高開關(guān)頻率只有5kHz，不可避免地會產(chǎn)生開關(guān)噪聲，但是由于負載本身的噪聲就很大，因此由于低開關(guān)頻率而產(chǎn)生的開關(guān)噪聲是可以接受的。

圖1? 基本原理圖

??? IPM需要4路相互獨立的工作電源，同時，控制電路也需要1組工作電源，因此，輔助電源應(yīng)該能提供至少5組相互獨立的電源。根據(jù)這個特點，主回路采用單端反激式開關(guān)電源。

2.2? 控制電路的設(shè)計

??? 從圖1可以看出，控制電路的作用是產(chǎn)生控制脈沖并對保護信號進行相應(yīng)地處理。在本方案中，采用的控制芯片是INTEL公司的16位單片機——8XC196MC。選用它的原因在于這種芯片所獨具的特點——片內(nèi)波形發(fā)生器WFG(Wave Form Generator)。WFG有3個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器、一個死區(qū)時間（dead-time）發(fā)生器和一對可編程的輸出。WFG可以產(chǎn)生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、死區(qū)時間和操作方式。一旦啟動之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預(yù)。也正是由于有了這個外設(shè)，使得用于產(chǎn)生同步脈沖調(diào)制波形的控制軟件和硬件大大簡化，因此這種芯片特別適用于控制3相交流感應(yīng)電機，也被應(yīng)用在控制直流無刷電機和其他需要多個PWM輸出的裝置。而且，這種芯片具有良好的抗干擾能力。前文已經(jīng)提到，由于應(yīng)用場合的限制，要求本文所設(shè)計的變頻電源具有良好的抗干擾能力，實驗證明了8XC196MC完全滿足設(shè)計要求。下面將對本方案中的程序設(shè)計做一個簡單的介紹。

2.3? V/f曲線的設(shè)定

??? 在電機控制中，為了充分利用電機并防止電機產(chǎn)生磁密飽和，在改變變頻器的頻率時，需要同時改變它的輸出電壓幅值。在本方案中，啟動過程采用的是恒定V/f控制，如圖2所示。因為振動棒正常工作時是工作在恒壓（線電壓42V）恒頻（200Hz）的條件下，在穩(wěn)定工作時，不容易進行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但是為了減小啟動電流，采用了變頻調(diào)速來實現(xiàn)平滑啟動。振動棒電機始終工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在輸出達到額定頻率（200Hz）前，電機輸入電壓幅值與頻率（電機轉(zhuǎn)速）成線性關(guān)系。V/f曲線和正弦波的數(shù)據(jù)都是以表格的形式存放在EPROM中的，這樣可以減少CPU的計算量，減輕CPU的負擔(dān)，在程序中直接通過查表就可以得到所需要的數(shù)值。

圖2? 恒定V/f比值控制

3? 性能分析

??? 1）效率方案的最大特點就是簡單可靠，而且由于中間環(huán)節(jié)少，因此整機的效率較高。單機在額定運行時效率可達94％，帶雙負載運行時實測效率要低一些，能夠達到92％左右。

??? 2）軟啟動與雙負載運行由于產(chǎn)品的啟動時間沒有特殊要求，啟動過程可以在幾秒的范圍內(nèi)完成，為了減小啟動電流，采用了用軟件來設(shè)定啟動時間的方法，即在程序設(shè)計中，啟動頻率設(shè)定在10Hz，在升速過程中頻率是逐步上升到200Hz的，這就相當(dāng)于一個軟啟動的過程。實現(xiàn)起來簡單而且廉價。同時變頻電源可以帶雙負載運行，因此就要考慮到雙電機運行時的工作模式。上面所講的軟啟動的方法適用于單電機啟動和雙電機同時啟動。在現(xiàn)場調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一臺電機已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)時啟動另一臺電機，這時的啟動電流就比較大（可以參考實驗波形），這對主電路的開關(guān)器件而言是一個沖擊，為了保證負載能繼續(xù)正常運行，就要加大開關(guān)器件的容量。因此，根據(jù)不同的使用要求，可以考慮選擇不同容量的IPM模塊。

??? 3）成本核算作為一個產(chǎn)品，除了可靠性以外，成本也是一個很重要的因素。在這個方案中，有四個部分對成本的影響最大：控制芯片（8XC196MC的單價為100元）、平波電解電容（470μF/450V的單價為35元）、逆變模塊IPM（600V、15A、最高開關(guān)頻率為5kHz的IPM的價格是200元）和低頻隔離變壓器（300W的變壓器價格為220元）。開關(guān)電源的成本很小，實驗樣機的總體成本在600元左右。當(dāng)然，實驗樣機的花費不能代表產(chǎn)品的最終成本，因為隨著產(chǎn)品批量的擴大，元器件的平均價格必然會下降，其中下降幅度最大的將是控制芯片和變壓器，因為1000片的單價就可以降到40元左右，批量的變壓器單價也可以下降到130元左右。這樣整個逆變電源的成本就可以降低到400元左右。

??? 圖3是一組單負載運行時的負載電壓和電流波形。波形中可以體現(xiàn)出電源的軟啟動功能。

(a)10Hz時電壓及電流波形

(b)20Hz時電壓及電流波形

(c)200Hz時電壓及電流波形

圖3? 電壓及電流波形

4? 結(jié)語

??? 完成了振動棒變頻電源工業(yè)樣機一臺，經(jīng)過現(xiàn)場實際測試，達到了設(shè)計要求，現(xiàn)已移交生產(chǎn)企業(yè)。