高速電機(jī)中頻變頻器的電路設(shè)計(jì)

俞建軍

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310053)

0 引 言

交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：n=60f(1-s)/p,n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)[1]。由轉(zhuǎn)速表達(dá)式可知,轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比,電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可通過(guò)改變變頻器的頻率f實(shí)現(xiàn),通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)是一種理想高效、高性能的調(diào)速手段[2]。眾多著作和學(xué)術(shù)論文討論靜止變頻器時(shí)，都是基于50 Hz工頻交流電源，然而按電機(jī)調(diào)速基本理論，電機(jī)調(diào)速最高只能在3 000 r/min以下，基于50 Hz工頻的變頻器在設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用實(shí)踐上存在著某種局限[3-6]。

內(nèi)圓磨床在磨削軸承圈內(nèi)孔時(shí),因受所磨軸承圈內(nèi)孔徑限制,砂輪較小，必須匹配較高的轉(zhuǎn)速，通常為10 000 r/min～20 000 r/min。只有高速砂輪，才能保證軸承的磨削質(zhì)量，磨削更小孔時(shí),甚至要求砂輪的轉(zhuǎn)速高于100 000 r/min[7]。磨頭電機(jī)直接帶動(dòng)高速砂輪，其所驅(qū)動(dòng)的電源頻率必須很高，一般采用中頻靜止變頻器，其最高輸出頻率可達(dá)3 000 Hz。在中頻變頻器中，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率必然很高,選擇性能可靠的變頻器設(shè)計(jì)方案及實(shí)用電路,對(duì)中頻變頻器乃至內(nèi)圓磨床整個(gè)系統(tǒng)的性能提高意義重大。

1 中頻變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，系統(tǒng)是一個(gè)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)、電壓閉環(huán)的PAM(脈沖幅度調(diào)制)變頻調(diào)速系統(tǒng)，直流電壓調(diào)節(jié)采用三相全波整流后由IGBT斬波調(diào)壓。主令電壓Ug輸入斜坡函數(shù)發(fā)生器，經(jīng)變換后輸出一個(gè)按比例逐步增長(zhǎng)的電壓Ua，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。電壓Ua經(jīng)V/f變換器后可轉(zhuǎn)化成頻率輸出。為保證輸出頻率的穩(wěn)定，需在Ua與V/f變換器之間加入PI調(diào)節(jié)器，以控制偏差和消除靜差。同時(shí)，為使PI調(diào)節(jié)器得到有效的反饋信號(hào)，在V/f變換器的輸出端，再加一路f/V變換器和比例器，轉(zhuǎn)換出一個(gè)直流電壓，反饋給PI調(diào)節(jié)器，V/f變換器的輸出頻率經(jīng)分頻器送入環(huán)計(jì)、功放電路，作為逆變器IGBT的觸發(fā)脈沖。由f/V變換器和比例器支路所轉(zhuǎn)換出的直流電壓亦與電壓Ua一起送入電壓調(diào)節(jié)器,電壓調(diào)節(jié)器的輸出與三角波經(jīng)比較后調(diào)制出斬波脈沖，高頻斬波脈沖經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)斬波IGBT模塊，逆變器輸入電壓由斬波脈沖控制，整個(gè)變頻器的輸出電壓U亦與輸出頻率f一起變化，得到U/f的統(tǒng)一調(diào)節(jié)。

整個(gè)變頻器電路設(shè)計(jì)可細(xì)分成六大電路模塊，模塊1為斬波調(diào)壓的變頻器主電路，模塊2為斬波脈沖形成電路，模塊3為斜坡函數(shù)發(fā)生器電路，模塊4為PWM脈沖列初始產(chǎn)生電路，模塊5為六分頻環(huán)計(jì)及PWM波形成電路，模塊6為高頻脈沖放大電路，各電路圖的詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)后。

圖1 變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 變頻器斬波調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

2.1 變頻器主電路

絕緣柵晶體管(以下簡(jiǎn)稱IGBT)斬波調(diào)壓具有工作頻率高、濾波容易、體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和減少對(duì)電網(wǎng)的畸變影響等優(yōu)點(diǎn)，圖2是具有斬波調(diào)壓的IGBT逆變器主電路。逆變器的輸出電壓是由斬波器來(lái)調(diào)節(jié)的，因此直流側(cè)采用不可控整流器，從而簡(jiǎn)化了電路,提高了功率因數(shù)。

圖2 斬波調(diào)壓的變頻器主電路

不可控整流輸出的固定電壓Ui加在斬波IGBT的集電極,當(dāng)IGBT BG0導(dǎo)通時(shí),續(xù)流二極管D上的電壓UD=Ui，電源向負(fù)載供電。當(dāng)IGBT截止時(shí)，由于電感儲(chǔ)能的釋放，電流維持原來(lái)方向，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，從而繼續(xù)向負(fù)載供電。

(1)

式中：T為開(kāi)關(guān)周期；ton為導(dǎo)通周期；α為占空比。

只要改變IGBT柵極信號(hào)的占空比α，即可改變輸出電壓Ud，這可由斬波管BG0柵極控制電路實(shí)現(xiàn)。

2.2 斬波調(diào)壓柵極驅(qū)動(dòng)脈沖電路

圖3 斬波脈沖形成電路

斬波管BG0的柵極G0控制信號(hào)為斬波脈沖，由三角波發(fā)生器和比較器IC29B產(chǎn)生。調(diào)節(jié)器電壓Uk由IC29A組成的積分電路產(chǎn)生，三角波發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的三角波,在比較器IC29B中經(jīng)比較輸出斬波控制脈沖，其占空比正比于電壓Uk，從而使逆變器的輸出電壓Ud正比于控制電壓Uk。Uo3就是斬波管BG0柵極控制電壓波形,斬波器輸出電壓Ud的波形與它相同。

2.3 斜坡函數(shù)發(fā)生器電路

斜坡函數(shù)發(fā)生器的作用是將突加的給定階躍信號(hào)轉(zhuǎn)變成從初值緩慢上升到給定值的斜坡信號(hào),使電動(dòng)機(jī)能緩慢起動(dòng)和調(diào)速,可以防止生產(chǎn)機(jī)械在快速起動(dòng)或調(diào)速過(guò)程中受到劇烈的沖擊。在變頻調(diào)速中,緩慢升速可防止逆變器的過(guò)載,緩慢降速可防止逆變器過(guò)電壓。在中頻變頻器中斜坡函數(shù)發(fā)生器由集成運(yùn)放IC17A和IC17B組成，其電路如圖4所示，這是一種由比較器、積分器組成的斜坡函數(shù)發(fā)生器。

圖4 斜坡函數(shù)發(fā)生器電路

IC17A是同相放大器,其放大倍數(shù)較高,給定信號(hào)和反饋信號(hào)同時(shí)送入它的同相輸入端進(jìn)行比較。IC17B是一個(gè)反相積分器。通過(guò)繼電器觸點(diǎn)J5的打開(kāi)和閉合，可使主令電壓Ug產(chǎn)生躍變。斜坡函數(shù)發(fā)生器的輸入電壓Ug通過(guò)可變電阻W201送給集成比較器IC17A，開(kāi)始時(shí)由于輸出電壓Ua仍然保持在初始狀態(tài),IC17A輸出正向飽和電壓(約為運(yùn)放電源電壓)。IC17B開(kāi)始緩慢積分，IC17B的輸出電壓Ua為負(fù)，并逐漸加大,直到Ua=Ug，積分器停止積分，改變主令電壓Ug時(shí)輸入和輸出的關(guān)系如圖4中所示。一方面斜坡函數(shù)發(fā)生器的輸出電壓Ua通過(guò)W202傳給電壓調(diào)節(jié)器，控制斬波脈沖的頻率，對(duì)主電路直流電壓斬波調(diào)壓；另一方面輸出電壓Ua通過(guò)W301傳給PWM脈沖列形成電路，控制逆變器的輸出頻率,實(shí)現(xiàn)U/f通調(diào)。

CD4528是集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[9]，表1是其真值表，圖4中IC28B(CD4528)工作在表1中的狀態(tài)4。當(dāng)變頻器發(fā)生過(guò)載、過(guò)流等故障時(shí)，繼電器觸點(diǎn)J1-1閉合，觸點(diǎn)J1-2打開(kāi)，集成塊IC28B的Q端暫態(tài)輸出一高電平，經(jīng)比較器IC27A供給BG201的柵極，使BG201導(dǎo)通，電容C502放電，斜坡函數(shù)發(fā)生器的輸出電壓歸零，封鎖主令給定信號(hào)Ug。IC28B的Q端輸出高電平時(shí)間由外接時(shí)間常數(shù)電容C205和電阻R218決定，C205充電后恢復(fù)Q端輸出低電平。IC28A(CD4528)在圖3中亦起類似的作用，當(dāng)變頻器故障時(shí)，可封鎖電壓調(diào)節(jié)器的輸出，以封鎖斬波脈沖，切斷主回路直流電壓。

表1 CD4528真值表

表1中，L為低電平；H為高電平；X為不定；V為轉(zhuǎn)變從高到低；↑為轉(zhuǎn)變從低到高。

3 變頻器逆變控制電路設(shè)計(jì)

3.1 PWM脈沖列初始產(chǎn)生電路

變頻器PWM波的脈沖列形成電路由V/f轉(zhuǎn)換、f/V轉(zhuǎn)換、頻率PI調(diào)節(jié)等電路構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 脈沖寬度調(diào)制(PWM)脈沖列初始產(chǎn)生電路

圖5中的集成塊IC19由鎖相環(huán)路多諧振蕩器CD4046[10]構(gòu)成V/f轉(zhuǎn)換電路。CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器,外接電容C303和電阻R306組成充放電路。由于CD4046內(nèi)部的VCO是一個(gè)電流控制振蕩器,對(duì)定時(shí)電容C303的充電電流受控于9腳VCOIN的輸入電壓，兩者成正比,使VCO的振蕩頻率亦正比于VCOIN的輸入電壓。當(dāng)VCOIN輸入電壓為0時(shí),VCO輸出頻率最低；VCOIN輸入電壓等于電源電壓VDD時(shí),輸出頻率則達(dá)到最高輸出頻率，其頻率增大呈線性。VCO振蕩頻率的范圍取決于R306和C303的值。由于電容C303既是充電電容又是放電電容,故集成塊IC19的4腳VCOUT的輸出波形是對(duì)稱方波。VCOUT端的頻率正比于VCOIN的頻率。CD4046是變頻器PWM波形的頻率源，最高頻率為1.2 MHz，較高的頻率源使得中頻變頻器輸出的逆變交流電最高頻率為3 000 Hz。

IC20A由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4528實(shí)現(xiàn)，在圖5中，其工作在表1中的狀態(tài)5，作用是把IC19(CD4046)的4腳輸出的方波轉(zhuǎn)換成固定寬度的脈沖。隨著CD4046的4腳輸出的方波頻率的變化，CD4528的Q端在單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)發(fā)生變化，Q端輸出的脈沖電壓送給比較器IC18B，由IC20A和IC18B組合成f/V轉(zhuǎn)換電路，將自IC19的4腳輸出的頻率轉(zhuǎn)換成電壓。轉(zhuǎn)換的電壓反饋輸入運(yùn)放IC18A的反向端，斜坡函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)電壓也輸入IC18A的反向端，IC18A是積分電路，可輸出一個(gè)緩慢而上升穩(wěn)定的控制電壓，由此構(gòu)成一個(gè)頻率PI調(diào)節(jié)器。頻率PI調(diào)節(jié)器解決了變頻器輸出頻率漂移的問(wèn)題。

3.2 六分頻環(huán)計(jì)及150°導(dǎo)通型逆變器

環(huán)形脈沖分配器是由CH4022，CH4019等CMOS集成電路組成的,一共用了6塊集成電路[11],圖6是它的電路圖，圖7是各集成塊輸出端的波形，圖8是逆變器輸出電壓波形。

集成塊IC21由計(jì)數(shù)器芯片CD4040實(shí)現(xiàn)，CD4040是由12個(gè)主從觸發(fā)器所構(gòu)成的串行計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)發(fā)生在時(shí)鐘下降沿，可用作分頻器。IC21的10腳為時(shí)鐘輸入端，其脈沖來(lái)自圖5中IC19的4腳，11腳為清除端，Q1～Q12為計(jì)數(shù)器脈沖輸出端。11腳接地，可連續(xù)計(jì)數(shù)，在Q1～Q12端分頻輸出，Q5為分頻輸出端。

利用CH4022可以構(gòu)成一個(gè)六分頻環(huán)形脈沖分配器。CH4022有兩個(gè)CP脈沖輸入端(CLK和ENA),一個(gè)置零端RST。根據(jù)CH4022的真值表，若用CLK作為CP脈沖輸入端,則ENA必須接零電位,而且是利用CP脈沖的前沿來(lái)觸發(fā)的。ENA端接地，每來(lái)一個(gè)CP脈沖，下一個(gè)Q輸出端便輸出一個(gè)脈沖，依次為Q0～Q5，Q6端與RST連接，當(dāng)Q6脈沖來(lái)臨時(shí)，使清零端RST為高電平,CH4022又立即回到“0”狀態(tài)，由此可知，CH4022的輸出脈寬為60°。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中,對(duì)逆變器的IGBT管導(dǎo)通角度有一定的要求，在中頻變頻器中選擇IGBT柵極導(dǎo)通角為150°。因此還需通過(guò)雙對(duì)偶與/或選擇門(mén)電路CH4019的組合,形成150°的逆變管導(dǎo)通脈沖，CH4019的輸出公式為D=AG1+BG2。電路采用4塊CH4019集成塊,集成塊IC23和IC25的D輸出端為90°的脈沖，其D端脈沖為前一脈沖的全部(A輸入)加后一脈沖的高電平(B輸入)。集成塊IC24和IC26的D端輸出為集成塊IC22的Q端輸出分別與集成塊IC23的D端、IC25的D端輸出的合成，如圖7所示，輸出為150°的脈沖。

圖6 六分頻環(huán)計(jì)及PWM信號(hào)形成電路

150°導(dǎo)通型逆變器的控制方法為每個(gè)開(kāi)關(guān)器件在每個(gè)周期導(dǎo)通150°，如圖7所示，由于150°導(dǎo)通型逆變器在部分時(shí)間為三相繞組通電，部分時(shí)間為兩相繞組通電，所以被稱為二三相通電型逆變器。對(duì)于Y型連接的三相繞組電動(dòng)機(jī)，采用150°導(dǎo)通型逆變器控制，得到的相電壓和線電壓的波形如圖8所示。150°導(dǎo)通型逆變器相對(duì)于120°和180°導(dǎo)通型逆變器來(lái)說(shuō)，電壓波形比較復(fù)雜，控制方法也比較復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在諧波上，當(dāng)逆變器是150°導(dǎo)通型時(shí)，可使5次、7次諧波分量降到最小。雖然150°導(dǎo)通型逆變器增加了電路的復(fù)雜性，但對(duì)正弦磁場(chǎng)的交流電機(jī)的工作是有利的[12]。

圖7 六分頻環(huán)計(jì)形成150°導(dǎo)通角波形

圖8 150°導(dǎo)通型逆變器輸出電壓波形

3.3 高頻脈沖放大電路

在磨床中使用的中頻變頻電源，其輸出頻率需在400～3 000 Hz之間，因此對(duì)脈沖放大電路提出了快速傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖9所示的高頻脈沖放大電路是一種在柵極路徑中的射極跟隨器，最右邊虛線框內(nèi)是IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)[13]，左半虛線框的分立元件可做成模塊化結(jié)構(gòu)。當(dāng)環(huán)形脈沖分配器的脈沖不斷送入光電耦合器輸入端A1點(diǎn)時(shí),就使逆變器大功率IGBT BG1不斷導(dǎo)通或截止。A1點(diǎn)為高電平時(shí),BG1導(dǎo)通,其電流方向：V→R812→Q806→R813→C807正向→0，BG1柵極正偏電壓+8 V；當(dāng)A1點(diǎn)低電平時(shí),BG1截止,Q805導(dǎo)通,電流方向：DW陰極→0→C807反向→R813→R811→Q805→DW陽(yáng)極，在大功率IGBT的柵極發(fā)射極間加上反向偏壓-5 V，加速了BG1的截止。

圖9 高頻脈沖放大電路

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所述的中頻變頻器是一種實(shí)現(xiàn)三級(jí)變換(AC/DC-DC/DC-DC/AC)的直流電壓斬波控制型變頻裝置，斬波頻率比較高，控制電壓時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好；調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)環(huán)節(jié)同時(shí)受控于主令電壓，實(shí)現(xiàn)U/f通調(diào)，兩者在控制上配合較好；PWM電路中采用頻率PI調(diào)節(jié)器，使變頻器在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定可靠；本文的中頻變頻器是一種方波逆變器，控制邏輯簡(jiǎn)單，對(duì)功率器件的開(kāi)關(guān)頻率要求較低。基于經(jīng)典交流調(diào)速理論的中頻變頻器，雖然隨著電力電子器件、數(shù)字信號(hào)處理器的快速發(fā)展和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的進(jìn)步，交流調(diào)速技術(shù)將呈現(xiàn)多樣化，但它在工程實(shí)踐中實(shí)用可靠，仍然有一定的技術(shù)和市場(chǎng)生命力，本文的中頻變頻器已在各類內(nèi)圓磨床上得到廣泛的應(yīng)用，功率有8 kVA，15 kVA和25 kVA的，在軸承和機(jī)床行業(yè)取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。