通用低压变频器的设计与实现

和 虎

华电渠东发电有限公司

通用低压变频器的设计与实现

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变频器是一种针对电机的可以调节频率的驱动系统，应用变频技术通过改变压频来平滑控制交流电动机所输出的速度及转矩，在变频器出现之前，电机调速一般是通过使用直流电机来实现的，或者要利用内建耦合机的电动机，在运转中的时候通过耦合机实现最终输出转速的改变，而变频器的出现能够节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量以及改善运行环境，因此进一步加强对其的研究非常有必要。基于此本文分析了通用低压变频器的设计与实现。

通用低压变频器；设计；控制

1 变频器的基本结构和原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的控制装置，应用变频驱动技术改变交流电动机工作电压的频率和幅度，来平滑控制交流电动机速度及转矩。

变频器的工作原理：总体来说变频器就是将工频交流电源转换成频率可调的电源设备，根据交流电动机同步转速N=60f/p(在式中，N为电机同步转速，f为电源频率，p为电机极对数)这一公式，只要改变频率，就可以改变交流电动机的转速，变频器就是根据这一原理研制开发出来的电源变换装置。通用变频器和专用变频器的工作原理也相同，只是专用变频器是根据专业设备的特性，研制出来更具有针对性的变频器，因此要求变频器容量要求足够大，过载能力强，纺织和冶金机械要求变频器的精度高等性能。交一交变频器的主要缺点是所用电力元器件比交一直一交变频器多，并且只能运行在电网频率(工频)以下，其频率只能运行在工频以下，现在各国正在研究开发中的矩阵式交一交型变频器可以克服这一缺点。

2 低压变频器的设计

2.1 变频器的设计方法

变频调速系统设计主要包括以下几个方面内容：

1)控制系统总体方案设计，明确系统的总体要求及技术条件。包括系统的基本功能﹑控制方案选择，以及性能指标(响应时间﹑稳态精度﹑通信接口)等。2)设计主电路拓扑结构。3)选择各变量的检测元件或传感器。4)建立电动机数学模型，并确定控制算法。5)选择主控制芯片。6)系统硬件设计，包括主电路模块﹑驱动与保护电路，与相关的电路﹑外围设备﹑接口电路﹑逻辑电路及键盘显示模块。7)系统软件设计，包括应用程序的设计﹑管理以及监控。8)在各单元软硬件调试合格的基础上，进入系统实验与统调阶段。

2.2 低压变频器的硬件设计

电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率﹑降低噪声﹑防止干扰和电路简化等方面进行优化。

图1 电源部分示意图

可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础，在电源设计中，直流电源通过成品的电源模块把高电压转换成较低的直流电，直流电经过开关电源模块，线性稳压模块，将直流电分别转换成不同的电压，供给各部分模块，电容以及电感的滤波为电压的稳定提供了保障。

2.2.2 数字量输入电路

数字量输入电路用于外界开关量的输入，由8路普通数字量输入电路和1路高速数字量输入电路组成。HCPL-0601的使能输入允许探测器带有选通特性。探测器IC的输出则是一个集电极开路肖特基钳位晶体管。HCPL-0601的内部屏蔽可保证在Vcm=1000V条件下，其共模瞬变抗扰度达到15000V/ws。这种独特的设计提供了最大限度的ac和do电路隔离，同时实现了TTL兼容。HCPL-0601光祸的操作参数保证温度范围为一40℃-+85℃，这些参数允许了系统的无扰运行。

2.2.3 直流母线电压﹑电流检测电路

直流电压检测电路由运算放大器和电压比较器构成，运算放大电路实现对电路的保护，电压比较器实现直流母线的过压检测并输出给AD采样电路及可一编程逻辑器件CPLD，当母线电压超过330V时输出过压信号，通过程序对电机转速进行调节或采取相应措施。

直流电流检测电路由电流传感器对母线电流流进行检测，经过运算放大器输出给AD采样电路。

2.3 低压变频器的软件设计

西屋正在研发的远期技术，即硅化铀芯块和碳化硅包壳的先导试验组件将在2022年装入商业机组堆芯。西屋正在与通用原子能公司(General Atomics)合作研发碳化硅复合包壳。

主程序的主要功能是负责各个模块的运行调度:首先系统运行前，先对系统相关参部件进行初始化;其次，当某模块需要运行的时间到时，就调用相关模块运行。

本程序设计中，有以下几大部分:

1)通讯部分，与外设进行通讯，获取设置参数，发送相关信息。

2)数字量模拟量的输入输出部分，通过设置可以用开关量或者模拟量直接控制电机的转速，同时以开关量模拟量的形式输出相关信息，其中高速数字量输入接口可接编码器实现电机实时转速的获取。

3)PWM产生部分，产生PWM波，控制驱动电路使电机转动。

4)故障检测，通过AD采样获取相关的电压电流值，判断过压过流故障，避免硬件烧坏。

3 低压变频器系统的测试

3.1 静态测试

3.1.1 试整流电路

找到变频器内部直流电源的P端和N端，使用万用表正向测其阻值，应该有大约几十欧的阻值，且基本平衡。再使用万用表相反测其阻值，有一个接近于无穷大的阻值。将红表棒接到N端，重复以上步骤，都应得到相同结果。如果有以下结果，可以判定电路己出现异常，A.阻值三相不平衡，可以说明整流桥问题。B.正向电阻无穷大，可以断定整流桥故障或起动电阻出现问题。

3.1.2 测试逆变电路

将红表棒接到P端，黑表棒分别接U，V，W上，应该有几十欧的阻值，且各相阻值基本相同，反相应该为无穷大。将黑表棒接到N端，重复以上步骤应得到相同结果，否则可确定逆变模块不正常。

3.2 动态测试

3.2.1 上电测试

电机的的驱动电源和电路板的供电电源是隔离的，先给电路板上电，电路板测试正常之后在给功率部分上电。

3.2.2 工作测试

带动电机转动，依次测试各个工作状态下的控制情况。

切换至远程控制模式，启动电机，电机运行起来，远程模式下有三种状态:串口通讯，多段速和模拟量控制。

经过对变频器系统整体进行的测试可以知道设计的通用低压变频器符合设计要求，各个模块运行正常，可通过本地以及远程多种方式对电机进行控制，测试过程顺利。

总之，变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟，其具有很多优势，进一步加强对其的研究非常有必要。

[1]徐志勇.新型高压变频器的研究[D].北京建筑大学，2013.