一种简单的离心机变频电源设计

　　在现代生产、生活的诸多领域,都需要高速运 转机械,其转速要求大大高于普通电机在50Hz时 的转速,如普通离心机的 转速可达20000转以 上,此时工频逆变电源就显得力不从心了。为了解 决这个问题,就需要有能够输出频率可变的变频电 源,来给高速鼠笼型异步电动机供电。变频电源是 电子设备的动力部分,是一种通用性很强的电子产 品。在各个行业及日常生活中,电源得到了广泛的 应用,其质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠 性,其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接限 制了它的应用范围。本文依据变频电源的基本原 理,利用对现有资料的分析推导,提出了一种单片机 变频电源的制作方法并加以调试。

　　1　系统结构

　　本系统采用的是经典的交-直-交逆变,如图1所示,首先单相220V交流电经整流部分可在直流 母线上产生320V左右的直流电压,逆变部分用6个开关管构成三相桥式逆变电路,开关管的控制信号由单片机控制SPWM芯片产生,保护信号接入单片机的中断。

　　1. 1　整流部分

　　整流部分采用单相不控整流, D1~D4为整流 二极管;C41、C42和C43为吸收电容;F1是3A保险 管,防止直流侧有过大电流流过。

　　J10为外接限流电阻的接口,两端并联了继电 器,其作用是在整流输出的直流电压接入逆变电路 直流侧时,为防止直流侧并联有容量很大的电容,而 导致直流母线上产生较大的电流,这样通过J10接 口外接的限流电阻的消耗,可以迅速将电流稳定在 合适的范围内,当电容充电结束后,继电器动作,将 该电阻短路,从而使得母线电压直接作用于后面的 逆变部分。

　　1. 2　逆变部分

　　DC/AC逆变部分采用三相输出、全桥逆变的形 式。电路利用全桥驱动器IR2130提供驱动,由6个 IRF740构成桥式逆变电路, IRF740 耐压400V、 电流10A、功耗125W。全桥驱动器的输入波形由 SA8281提供。

　　IR2130是IR公司生产的大功率MOSFET和 IGBT专用驱动集成电路,可以实现对MOSFET和 IGBT的 驱动,同时还具有快速完整的保护功 能,因而它可以提高控制系统的可靠性,减少电路的 复杂程度。

　　2　SPWM控制波形产生

　　现在逆变技术普遍采用数字SPWM方式,应用 微机软件算法产生SPWM信号。 常用的有等效 面积算法、自然采样法、规则采样法等。虽然这些方 法都可以用单片机软件实现,但其效果受到运算速 度、存储容量和兼顾其算法功能的限制,其调制频 率以及系统动态响应速度都难以提高,有时难以实 用化。随着电力电子技术的发展,特别是高频电力 电子器件被广泛应用后,完全依靠软件生成SPWM 波的方法实际上很难适应高开关频率的要求。

　　为了提高控制的实时性,在高频逆变时,一般采 用专门的控制芯片来实现,本文介绍了SPWM产生 芯片SA8281,其输出包含了波形、频率、幅值、旋转 方向及其他的重要参数(如载波频率、 小脉宽、死 区时间等),这些参数可在器件初始化时设置,使用 时若需要改变运行工况,通过软件改变波形参数,就 可以改变输出的性能指标。

　　SA8281调制波形根据下式产生:

　　其外围电路相当简单,输出为TTL电平,经高 速光耦隔离后进入IR2130的输入端。对SA8281操 作的流程如图4所示。

　　3 　保护电路结构

　　变频电源的保护电路分为欠压保护和过流 保护。

　　欠压保护电路是检测供电电源的电压状况,如 果低于预设的13. 8V,电路开始工作,对输出的SD 保护信号进入单片机的中断端,单片机的中断程序 停止对SA8281的控制并同时将其输出置低。

　　如图5(a),运算放大器的正输入端的电压由 R1和R3分压得到,而负端的电压会由稳压管稳定 在+7. 5V,当蓄电池的电压下降超过预定值后,运 算放大器开始工作,它的输出跳转为负, LED灯亮, 同时三级管截止, SD关断端输出高电平,向单片机 提供中断信号。

　　过流保护电路是监测输出电流大小,预设为 1. ,如果大于此预设值,电路开始工作,在单片机 进中断的同时,直接锁定IR2130,使之输出的驱动 信号停止,有效保护电路。

　　如图5(b),变频电源的输出经过采样进入运算 放大器的负端,当输出电流大于1. 后,运算放大 器的输出端跳转为负,经过CD4011组成的R-S触 发器后,到达三级管基级的电压为低,三级管截止, 同理,向IR2030的9脚SD1关断端输出高电平,使 之直接停止工作,达到迅速保护电路的目的。

　　4　实验结果

　　对制作完的变频电源进行调试,得到的实验波 形如图6所示。

　　图6为单片机控制SA8281产生的SPWM驱动 信号波形,从图6(b)中可以看出,任意二相开关管 的驱动波形之间明显有120?的相位差,可以认为 对SA8281的设置是成功的。

　　电源接入的负载是150W及300W变频电机, 输出的电压波形如图7。

　　在变频电源的发展方向上,轻量化、小型化和高 效化是其所追求的目标。本文所介绍变频电源电路 主要采用集成化芯片,使得电路结构简单、性能稳 定、成本较低。因此,这种电路是一种控制简单、可 靠性较高、性能较好的电路。整个变频电源也因此 具有高的性价比和市场竞争力。