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(jì)替代現(xiàn)有電動機(jī)帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行的產(chǎn)品的變頻電源。根據(jù)產(chǎn)品所要求達(dá)到的性能指標(biāo)，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(jì)，并對樣機(jī)的性能進(jìn)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(shí)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(jī)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(jī)帶發(fā)電機(jī)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(biāo)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(fù)載運(yùn)行的變頻電源；可以帶雙負(fù)載運(yùn)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(biāo)，詳述設(shè)計(jì)過程及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 主電路的設(shè)計(jì)

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(fù)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(dú)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(dú)立的電源。根據(jù)這個特點(diǎn)，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(jì)

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(hù)信號進(jìn)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(jī)——8XC196MC。選用它的原因在于這種芯片所獨(dú)具的特點(diǎn)——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(dú)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(jī)，也被應(yīng)用在控制直流無刷電機(jī)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(jì)的變頻電源具有良好的抗干擾能力，實(shí)驗(yàn)證明了8XC196MC完全滿足設(shè)計(jì)要求。下面將對本方案中的程序設(shè)計(jì)做一個簡單的介紹。

2.3 V/f曲線的設(shè)定

在電機(jī)控制中，為了充分利用電機(jī)并防止電機(jī)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?yàn)檎駝影粽９ぷ鲿r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(jìn)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(shí)現(xiàn)平滑啟動。振動棒電機(jī)始終工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在輸出達(dá)到額定頻率（200Hz）前，電機(jī)輸入電壓幅值與頻率（電機(jī)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(jì)算量，減輕CPU的負(fù)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