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一种小功率通用变频器的设计

--一种小功率通用变频器的设计

供稿:工控网 2010/1/15 16:38:00

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  • 关键词: 变频器 正弦波脉宽调制 专用集成电路
  • 摘要:采用高集成度的专用芯片SA866和智能功率模块PS21255开发了一种小功率通用变频器。试验和实际应用表明,该变频器性能好、价格低、可靠性较高。

摘要:采用高集成度的专用芯片SA866和智能功率模块PS21255开发了一种小功率通用变频器。试验和实际应用表明,该变频器性能好、价格低、可靠性较高。

关键词:变频器;正弦波脉宽调制;专用集成电路;智能功率模块

   

0    引言

    由于电力电子技术的飞速发展,交流变频调速已上升为电气传动的主流,正在逐步取代传统的直流传动。而从性价比的角度来看,交流变频调速装置已经优于直流调速装置。

    异步电机的变频调速不仅可以实现平滑调节,还有着许多其他交流调速系统不可比拟的优点:交流变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通信功能、智能控制、功率因数、工作效率、使用方便等方面的优势是其他的交流调速方式难以达到的,并以体积小、重量轻、通用性强、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点,深受钢铁、冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、造纸、印刷、卷烟、自来水等行业的欢迎,社会效益非常显著。

    变频调速虽然在各个方面有其优势,但其早期昂贵的造价和可靠性问题使许多用户望而却步。降低造价和提高可靠性一直是交流变频调速的重要课题。

    本文针对一般小功率交流异步电动机变频调速的要求,采用上世纪90年代末才推出的多功能高集成度专用SPWM控制芯片SA866和智能功率模块PS21255开发了一种新型通用变频器。其整?结构简洁,具有比较完善的功能,满足了空调、洗衣机等家电及小型纺织、塑料加工等工业的自动化生产线对变频器低成本、高可靠性、高性能的要求,并已经在广东、江苏等多家工厂生产中得到应用。

1    SA866和PS21255功能介绍

1.1    SA866功能简介

1.1.1    功能特点

    SA866是专用于交流异步电机SPWM控制的集成电路。它除了根据设定参数产生合乎要求的SPWM脉冲外,还集成了多种保护功能,并可在紧急情况下,如短路和过载时快速关断SPWM脉冲,保护逆变器和电机。它的最大特点是可以独立运行,无须微处理器控制。它的输出频率以及加速减速频率都可由外接电位器在线连续调节。所有须定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、V/f曲线等均存储在外接的廉价EEPROM中,上电时自动读入SA866中。SA866有6种工作模式,与微处理器配合使用,基本做到了低价格多功能。

1.1.2    管脚说明

    该芯片采用PLCC封装,共有32个管脚,各管脚排列如图1所示。

图1    SA866管脚图

    各管脚功能如下。

    1)电源    VDDD和VDDA分别为数字电源和模拟电源;VSSADC为A/D转换电源,它们接一个+5V的电源;VSSD和VSSA分别为数字电源和模拟电源的地;VREFIN为A/D转换参考电压(+2.5V)。

    2)串行接口    SDA,SCL和CS用于从EEPROM获取数据,分别为数据,时钟和片选信号。

    3)控制及输出    SETPOINT为频率给定端,该脚的输入电压将决定系统的工作频率;RACC和RDEC分别确定加速和减速的时间;RPHT,YPHT,BPHT,RPHB,YPHB和BPHB为桥臂脉冲信号输出,其中RPHT,YPHT和BPHT分别对应三相输出的上桥臂;RPHB,YPHB和BPHB分别对应三相输出的下桥臂;DIR控制三相顺序,该脚对应高低电平有两个方向的PWM波供用户选择。

    4)工作状态选择    SERIAL决定与SA866连接的是EEPROM还是微处理器,高电平表示与EEPROM连接;PAGE0和PAGE1决定采用的是EEPROM的哪一页参数。

    5)保护    VMON为过电压信号输入端,减速过程中此端电平若大于2.5V,就启动过电压保护动作,将输出频率固定在当前值;IMON为过电流信号输入端,升速过程中,电平若大于2.5V,内部过流保护就动作,不再继续升速,直到过流信号消失;SETTRIP为紧急停机信号,可快速禁止PWM脉冲输出;TRIP端表示禁止输出状态,低电平有效,该信号只有在复位信号RESET下才能被解除。

1.2    PS21255功能简介

1.2.1    功能特点

    与常规的IGBT模块相比,PS21255具有如下特点:

    1)内含驱动电路    IPM设定了内部IGBT的最佳驱动条件,驱动电路离IGBT较近,可以大大减少信号传输阻抗,且受外界干扰小,因此不需加反向偏压,同时,本模块采用自举电路,从而摆脱了控制电源不共地的限制,使用一个电源,即可实现方便的控制;

    2)内含各种保护    使内部IGBT因故障损坏的几率大大降低,这些保护包括短路保护(SC),控制电路欠压保护(UV)等;

    3)内部报警输出(FO)    该信号送到控制PWM产生器,封锁脉冲输出,进而停止系统工作;

    4)散热效果好    采用陶瓷绝缘结构,扁平封装,可以直接安装在散热器上;

    5)端子布局合理,便于安装    强弱电的输出输入端分别安排在模块的两侧,做到尽量减少干扰。

1.2.2    管脚说明

    该模块的外形及端子分布如图2所示。

图2    IPM(PS21255)模块外形及端子分布情况

    IPM(PS21255)模块外部端子在布局上强弱电分开,P及N为直流输入端,P为正端,N为负端;U,V,W为逆变器三相输出端;UP,VP,WP为上桥臂U,V,W各相脉冲信号输入端;UN,VN,WN为下桥臂U,V,W各相脉冲信号输入端;VP1及VPC为上桥臂工作电源输入端,VP1为正端,VPC为负端;VN1及VNC为下桥臂工作电源输入端,VN1为正端,VNC为负端;CIN为电流检测信号输入端;FO为故障输出端(低电平有效);CFO为故障输出脉宽控制端;VUFB及VUFS为U相自举电路两端,VUFB为高端,VUFS为低端;VVFB及VVFS为V相自举电路两端,VVFB为高端,VVFS为低端;VWFB及VWFS为W相自举电路两端,VWFB为高端,VWFS为低端。

2    系统设计

2.1    硬件电路

    我们开发的小功率通用变频器,采用单相交流供电,经整流滤波后送入逆变桥,再由逆变桥将该直流电逆变成三相VVVF(variable voltage variable frequency)电源,以驱动电机。整个系统分为主电路和控制电路两部分。系统构成框图如图3所示。

图3    变频器系统结构框图

    主电路采用二极管整流,大容量的电解电容滤波,IPM模块为主电路的核心部分,它包含6个IGBT构成三相逆变桥,且各有自己的驱动电路和保护电路,整个模块还有短路及控制电路欠压保护功能。它的输入可以兼容TTL电平输入。

    控制电路主要有控制电源和以SA866为核心的SPWM波发生及驱动电路。控制电源采用7805和7815提供直流稳压电源。SA866AE通过10位数模转换器和外接正反向方向脚,可实现转速的连续调节和正反向切换。所有的运行参数,包括载波频率、波形、最小脉冲宽度、死区脉宽和V/f曲线等都是通过外接的EEPROM编程。由于输入电压和反馈能量都将直接反映在直流环节上,所以,整个系统的电压电流检测及保护取样均集

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