基于IGBT与实时电能监测技术的通用变频器设计

宋冰倩,李宗翰,杨卜铭,张文逸,王雅婧（华北电力大学 电气与电子工程学院,北京 102206）

基于IGBT与实时电能监测技术的通用变频器设计

宋冰倩,李宗翰,杨卜铭,张文逸,王雅婧
（华北电力大学 电气与电子工程学院,北京 102206）

本文研究了一种具备实时电能监测功能的低成本通用变频器。变频控制部分的控制核心采用HT46R232单片机，逆变电路元件采用了IGBT大功率器件，SPWM波形生成算法采用等效面积算法；电能监测部分采用互感器进行电流采样，ATT7022B单片机进行功率计算，MSP430F194单片机作为核心控制部分。实验结果表明，该变频器在原有的传统变频器基础上可以实时监测电量消耗，并且操作简易、工作可靠、运行安全稳定、数据读取准确，可广泛应用于家用电器和工业设备中。

电能监测；变频；HT46R232；ATT7022B；MSP430F194；IGBT；等效面积算法

0 引言

国家近期出台了促进节能服务产业发展的相关政策，对企业实施节能改造给予支持，切实加强用能管理，加强对各地区高耗能行业用电量高耗能产品产量等情况的跟踪监测，对能源消费和高耗能产业增长过快的地区合理控制能源供应，切实改变无节制供应能源、使用能源的现象。

为了响应国家绿色中国、节能减排政策号召，创造低碳生活，帮助用户实时监测用电量，本文在分析了变频器基本原理的基础上，设计了一种以HT46R232单片机为控制核心并且能对电能消耗量实时显示的通用变频器。

1 变频器整体构造

变频器是指将频率、电压不可控的工频电源在电力半导体器件的通断作用下变换为频率可控的交流电源。采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，再把直流电源转换成可控频率、电压的交流电源来供给电动机。电能监测部分采集用电器的电压、电流、幅值及相位角，进行功率计算，并通过单片机控制和LED进行数据存储和显示。

基于以上原理，本文设计的变频器可分为两部分，第一部分为变频控制部分，第二部分为电能监测部分，其系统的总体设计如图1所示。下面，将分两部分对本设计进行阐述。

图1 变频器整体构造

2 电能监测部分

电能测量部分主要由数据采集模块、功率计量模块、核心控制模块组成。从用电器采集数据，由功率计量模块对数据进行处理计算，最终由核心控制模块进行存储、读取及LED显示。电能监测系统框图如图2。

2.1 数据采集模块

电路中用电器件的功率取决于电流和电压，包括它们各自的幅值和相位角。电压已知为市电单相220V，只需求出电流。制作时用万用电路板焊接了信号采集和转换模块，采集电路中的电流信号，用电流互感器进行比例缩小，加载到电阻上，采样电阻上的电压信号，然后进行放大、整流、滤波，将其变成稳定的直流信号。由于电流互感器有额定输出功率，加在负载上的电压难以和电路中的电流保持线性关系，所以要调节好负载在电流互感器两端的电阻值大小，使电压和电流成线性关系。最后稳定的直流信号就是与电路中电流有关的信号。

2.2 功率计量模块

功率计量部分采用ATT7022B单片机，根据数据采集模块采样到的数据计算有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率等。由于万能板空间占比大，不能很好地集成以及与主控制电路连接，故采用印制PCB板，包括传感器电路板、最小系统和控制电路板、功率计量电路板等。

2.3 核心控制模块

本模块包括七个部分：单片机及其外围电路、键盘数码管显示电路、串行通信电路、非易失性存储器电路、液晶显示电路、计时电路、D/A转换电路。单片机采用MSP430F194执行程序，实现键盘输入控制、LED显示等功能，使用微耗的液晶显示屏，显示用电器的功率和耗电量、输入电压、累计时间等参数。

图2 电能监测系统框图

3 变频控制部分

变频调速技术通过改变电动机工作电源频率从而改变电机转速，基本原理是：

（式中s、p、n、f分别表示电机转差率、电机磁极对数、转速、输入频率）。

在变频器内， EMI 线滤波器对市电中的单相220V交流电源进行滤波，将外界电网的高频脉冲干扰滤除，从而避免变频器外部受到开关电源的电磁干扰，电流经过大容滤波和硅桥整流，在直流母线上得到稳定的直流电压。在单片机的控制下，该直流电压经过三相桥式逆变电路逆变后，可输出交流电。该交流电含一小部分谐波，经过一级小容量的无源滤波网络后，在输出端获得正弦输出电压。

本设计采用主、从两片单片机进行控制，主单片机实现频率电压编码输出控制、LED 显示及键盘输入控制等，从单片机主要使用SPWM调制方式，具有高效率、低噪声等优点。

3.1 逆变功率模块

逆变功率模块分为整流电路和逆变电路:

（1） 800V/8A 硅整流桥的整流器，将 220 V交流电整流成直流电，直流电压通过大容滤波电路滤波，此时直流电压值为输入交流电压的峰值，即

（2） 由IGBT 组成的逆变桥，具有驱动功率小而饱和压降低的优点，将单片机传输的三相六路SPWM 波信号放大并合成三相交流电，将整流滤波得到的直流电逆变成频率可调的交流电。

由于功率可达2000W及以上，为保护电路，首先将两个瞬间吸收过压高于1500W的瞬态抑制二极管串联从而实现瞬间过压保护；然后采用快恢复二极管进行续流保护，避免因电动机产生反电势而导致IGBT损坏。

3.2 信号驱动模块

变频器中采用 IGBT的功率输出级具有简单的驱动电路，较高的开关频率，并且用于通用变频器时，可以降低负载电动机的噪声。IGBT还可使电动机转矩的脉动和电动机的损耗减小。由于IGBT是电压驱动型器件，因而可以降低成本，提高可靠性，使装置更加紧凑。IGBT的常用驱动方法：分立元件驱动、脉冲变压器驱动和专用芯片驱动等。

逆变模块中组成三相逆变桥采用的是IGBT，为了满足上桥臂的三个 IGBT 需要可靠驱动要求，我们采用自举电压驱动专用芯片 IR2110，并对其典型外围器件改进，使输入输出的高低电平和正负电压保持对应关系，且电源电位恒为20V，便可控制IGBT 。由LM311及TL413构成的过流保护电路能即时判断电路过流情况，进而关断IR2110脉冲输出，起到保护电路的作用。

图3 信号驱动电路原理图

3.3 核心控制模块

变频器的核心控制模块主单片机用HT46R232单片机，该单片机编程灵活，具备 4K 的程序存储器及 192 Byte 的数据存储器，可作为信号输出元件。8 通道 10位分辨率 A/D 转换输入，40 个 I/O 管脚可应用于多输入及输出控制的装置，使外围器件更加简洁，具有极高的抗干扰能力，是一种高集成度低成本的MCU芯片。主单片机输出信号后，对由单片机通过 SPWM 波生成算法编程，从而使六路SPWM 信号输出，接着驱动三相逆变桥，同时主单片机也实现了输出频率的显示功能和步进控制。

SPWM波形生成算法：等效面积法、有规则采样法和自然采样法。自然采样法难以实时控制，规则采样法可用计算机快速计算脉冲宽度和脉冲间隔时间，等面积法的谐波较规则采样法的谐波较少。并且实验表明采用等效面积法产生的 SPWM 波形具有输出波形谐波小、精度高、对称性好等优点[3]。

所谓等效面积算法，即N 等分一个正弦半波，用面积相同的等高矩形脉冲代替每一等分的正弦曲线与横轴所包围的部分面积，将N个宽度不等幅值相等的矩形脉冲所构成的波形近似等效为正弦半波，矩形脉冲的中点和正弦波每一等分的中点重合。可以由计算得到脉冲波形的开关时刻和宽度。

如图 4所示，脉冲宽度为δ，在区间[ t，t+Δt]：

关断IGBT:

开启IGBT:

N等分正弦信号的正半周为π/N rad，图中脉冲高度Us/2，设直流电源电压为Us，调制深度为M，脉冲宽度为δk。则第K个 SPWM脉冲与第K份正弦波面积相等，δk的值解得:

图 4 等效面积控制算法波形图

由此得到与频率对应关系的 IGBT 的开关时刻。在等效面积算法中，正弦波在一个周期内划分的等份越多，合成后三相波形越接近正弦波形、各个波头的间隙越小。

3.4 电源部分

信号单片机工作电源和驱动电源组成了电源模块。220V/9V 变压器将220V交流电被隔离降压，变为有效值为9V的交流电，整流滤波后，三端稳压器将由交流电提供，单片机由输出 5V 直流电压供给工作；另外信号驱动电源被工频变压器降压后，通过三端稳压器产生的20V/1A 直流电源。

4 结论

本设计中变频控制部分的控制核心采用HT46R232单片机，逆变电路元件采用了IGBT大功率器件，SPWM波形生成算法采用等效面积算法，从而驱动三相逆变桥电路，运行时效率高、噪声低、精度高；电能监测部分采用互感器进行电流采样，ATT7022B单片机进行功率计算，MSP430F194单片机进行核心控制，能够对电量消耗进行实时高精度监测。

本设计的创新点为： 作为变频器逆变器件的IGBT，好处在于其保护和驱动电路；本文在传统变频器的基础上增加了电能消耗实时监测，帮助用户更直观地了解用电情况，获取节能信息。经实验验证，该变频器操作简便、工作可靠、运行安全稳定、数据读取准确，在家用电器和工业设备中有良好的应用前景。

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