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小功率通用变频器的研发



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。


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



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。

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

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(variablevoltagevariablefrequency)电源,以驱动电机。整个系统分为主电路和控制电路两部分。

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中在直流环节。驱动逆变桥所须的PWM信号则由ASIC芯片SA866提供,经反向后送给IPM模块。

EEPROM选用93LC46,它只须+5V的电压即可工作。可重复地擦写106次。该芯片的封装形式为DIP-8,其中VCC和VSS分别为5V电源输入的正负端,CLK为时钟信号输入端,DI为数据输入端,DO为数据输出端,ORG为内部数据的存储结构,进行8位或16位的选择。将需要设定的参数写入EEPROM,系统在上电时就自动从EEPROM里面将参数字读入SA866,依据所设定的参数字,系统产生相应的脉冲波形用来控制主电路中模块的开或关。

2.2 参数计算与设定

1)载波频率(CFS)载波频率是外接时钟频率和一个倍率系数N的函数,N的十进制值由初始化寄存器中的一个3位的CFS字决定。载波频率fCARR由式(1)决定。

fCARR=fCLK/(512×2 n+1) (1)

式中:fCLK为时钟输入频率,本系统所选用的晶振为20MHz。取n=1,CFS=001,实际fCARR==9.766kHz。

2)输出电源频率范围(FRS)频率范围给出了输出频率的上限值。频率范围fRANCE=fCARR×2m/384,取m=1,即FRS=(001)B。

3)死区时间(tpdy)tpdy=(63-PDY)/(fCARR×512);PDY在0~63之间,取PDY=37=(100101)B;则实际的tpdy=(26/26.2144)5μs=4.959μs。

4)脉冲取消时间(PDT)经调制后SPWM的脉宽可以很小,但实际上,过小的脉宽没有用,因为时间过短,功率管还没来得及完全打开就关闭了,只增加了功率管的损耗,降低了系统的效率。脉冲取消时间tpd=(127-PDT)/(fCARR×512);依此公式,若定义最小宽度为3μs,实际最小脉宽为tpd-tpdy,则tpd=7.959μs,可得PDT=85.272,取PDT=85=(1010101)B,因此,实际tpd=8.01μs,脉冲最小宽度为tpd-tpdy=8.01μs-4.959μs=3.051μs。

5)波形选择SA866AE有三种标准波形供选择,即纯正弦波,正弦波带三次谐波(增强型)和带死区的三次谐波(高效型)。波形采用对称技术保证每个功率管的开通角度相同。本系统选用带三次谐波的正弦波作为调制波,即有:WS=(01)B。

6)V/f曲线控制FC用来确定是线性定律还是风扇定律,本系统设定工作在线性曲线状态,即FC=0。SA866AE/AM所提供的线性特性。PED是一个8位参数,用来确定在频率为0时电机上的电压。如果设置PED=255,则VVVF线性特性没用。Pedestal(%)=PED×100/255,本系统的初始值设定为10%,可得PED=25.5,取25,实际的Pedestal(%)=9.8。GRAD为一个8位二进制数,决定恒转矩区曲线的斜率,根据基频和PED值计算:GRAD=(255-PED)×fRANGE/(16×fbase);GRAD255,取fbase=50Hz;则有GRAD=15=(1111)B。

7)其他参数由于线性曲线中不用KAY,在此KAY=(0000000)B;A/D转换的零阈值的控制参数ZTH=(00)B;将上述所有参数字经统计得CHKSUM=(001)B。AWS=(0000)B。

由上述计算可得到参数分布表如表1所列。

表1 参数分布表

ADDRESS

 MSB(15~8)

 LSB(7~0)

001100

 00001111

 00011001

001101

 10010100

 10101010

001110

 00101001

 00000000

001111

 11111110

 ********


表中“*”表示任意项,在写入时写成01010101



3 试验应用结果及结论


根据设计做成的通用变频器,进行了调速、起动、停止、反向、过载调节和加减速时间调节等试验,试验表明,该变频器各项性能良好,符合设计要求,并已先后在广东和江苏等地的空调制冷机、压缩机、纺织生产线和塑料制品生产线上得到应用。该变频器结构简洁、成本低、可靠性高、具有较高的性价比和灵活的适应性,是驱动小功率电机及此类生产线最理想的选择。