工業用振動棒變頻電源的研制??

摘要：以工業用振動棒的變頻電源為研究對象，主要介紹了如何采用新的方法來設計替代現有電動機帶發電機運行的產品的變頻電源。根據產品所要求達到的性能指標，給出包括輔助開關電源電路、主電路以及控制電路的設計，并對樣機的性能進行了簡要分析。

關鍵詞：工業用振動棒；變頻調速電源；研制

1??? 引言

??? 作為一種變壓變頻的實用功率變換裝置，變頻器基本上涵蓋了現代電力電子技術的幾個重要方面，包括AC/DC、DC/DC和DC/AC。振動棒是一種小型建筑機械，主要用于制造混凝土制品和建造混凝土結構時，將混凝土填滿型模，減少混凝土制件中的空洞和各種缺陷，有利于提高混凝土建筑質量^[1][2][3]。振動棒主要有兩種：液壓式和電動式。現有的工業用振動棒常用電動機帶發電機組產生固定頻率交流電的形式，而本文要研究的是利用變頻電源代替這種供電方式。

2? 變頻電源主電路及控制電路的研制

??? 該變頻電源要求的基本性能指標為，單相交流220V輸入、三相交流200Hz輸出，輸出線電壓為42V。由于振動棒是一個系列產品，因此為了驅動不同規格的振動棒，也就要求變頻電源有不同的型號：帶單負載運行的變頻電源；可以帶雙負載運行的變頻電源等。而且由于振動棒是一種手持式的電動工具，因此變頻電源必須具有良好的電氣性能，輸入與輸出之間要有良好的電氣隔離，輸出電壓為安全電壓42V。而且由于輸出電壓比輸入要低，因此逆變電源還必須有一個降壓的環節，下面針對這些指標，詳述設計過程及分析實驗結果。

2.1? 主電路的設計

??? 圖1為基本原理圖。從圖1可以看出，主電路主要包括輸入整流、濾波和三相變頻電路三部分。三相逆變部分采用的是富士公司的IPM，型號為6MBP15RY060。容量為15A、600V，最高開關頻率為5kHz。選擇這種IPM的原因在于它具有良好的性價比，已成為市場上的常用器件，雖然器件的最高開關頻率只有5kHz，不可避免地會產生開關噪聲，但是由于負載本身的噪聲就很大，因此由于低開關頻率而產生的開關噪聲是可以接受的。

圖1? 基本原理圖

??? IPM需要4路相互獨立的工作電源，同時，控制電路也需要1組工作電源，因此，輔助電源應該能提供至少5組相互獨立的電源。根據這個特點，主回路采用單端反激式開關電源。

2.2? 控制電路的設計

??? 從圖1可以看出，控制電路的作用是產生控制脈沖并對保護信號進行相應地處理。在本方案中，采用的控制芯片是INTEL公司的16位單片機——8XC196MC。選用它的原因在于這種芯片所獨具的特點——片內波形發生器WFG(Wave Form Generator)。WFG有3個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器、一個死區時間（dead-time）發生器和一對可編程的輸出。WFG可以產生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、死區時間和操作方式。一旦啟動之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預。也正是由于有了這個外設，使得用于產生同步脈沖調制波形的控制軟件和硬件大大簡化，因此這種芯片特別適用于控制3相交流感應電機，也被應用在控制直流無刷電機和其他需要多個PWM輸出的裝置。而且，這種芯片具有良好的抗干擾能力。前文已經提到，由于應用場合的限制，要求本文所設計的變頻電源具有良好的抗干擾能力，實驗證明了8XC196MC完全滿足設計要求。下面將對本方案中的程序設計做一個簡單的介紹。

2.3? V/f曲線的設定

??? 在電機控制中，為了充分利用電機并防止電機產生磁密飽和，在改變變頻器的頻率時，需要同時改變它的輸出電壓幅值。在本方案中，啟動過程采用的是恒定V/f控制，如圖2所示。因為振動棒正常工作時是工作在恒壓（線電壓42V）恒頻（200Hz）的條件下，在穩定工作時，不容易進行轉速的調節。但是為了減小啟動電流，采用了變頻調速來實現平滑啟動。振動棒電機始終工作在恒轉矩區，在輸出達到額定頻率（200Hz）前，電機輸入電壓幅值與頻率（電機轉速）成線性關系。V/f曲線和正弦波的數據都是以表格的形式存放在EPROM中的，這樣可以減少CPU的計算量，減輕CPU的負擔，在程序中直接通過查表就可以得到所需要的數值。

圖2? 恒定V/f比值控制

3? 性能分析

??? 1）效率方案的最大特點就是簡單可靠，而且由于中間環節少，因此整機的效率較高。單機在額定運行時效率可達94％，帶雙負載運行時實測效率要低一些，能夠達到92％左右。

??? 2）軟啟動與雙負載運行由于產品的啟動時間沒有特殊要求，啟動過程可以在幾秒的范圍內完成，為了減小啟動電流，采用了用軟件來設定啟動時間的方法，即在程序設計中，啟動頻率設定在10Hz，在升速過程中頻率是逐步上升到200Hz的，這就相當于一個軟啟動的過程。實現起來簡單而且廉價。同時變頻電源可以帶雙負載運行，因此就要考慮到雙電機運行時的工作模式。上面所講的軟啟動的方法適用于單電機啟動和雙電機同時啟動。在現場調試時發現，當一臺電機已經處于正常工作狀態時啟動另一臺電機，這時的啟動電流就比較大（可以參考實驗波形），這對主電路的開關器件而言是一個沖擊，為了保證負載能繼續正常運行，就要加大開關器件的容量。因此，根據不同的使用要求，可以考慮選擇不同容量的IPM模塊。

??? 3）成本核算作為一個產品，除了可靠性以外，成本也是一個很重要的因素。在這個方案中，有四個部分對成本的影響最大：控制芯片（8XC196MC的單價為100元）、平波電解電容（470μF/450V的單價為35元）、逆變模塊IPM（600V、15A、最高開關頻率為5kHz的IPM的價格是200元）和低頻隔離變壓器（300W的變壓器價格為220元）。開關電源的成本很小，實驗樣機的總體成本在600元左右。當然，實驗樣機的花費不能代表產品的最終成本，因為隨著產品批量的擴大，元器件的平均價格必然會下降，其中下降幅度最大的將是控制芯片和變壓器，因為1000片的單價就可以降到40元左右，批量的變壓器單價也可以下降到130元左右。這樣整個逆變電源的成本就可以降低到400元左右。

??? 圖3是一組單負載運行時的負載電壓和電流波形。波形中可以體現出電源的軟啟動功能。

(a)10Hz時電壓及電流波形

(b)20Hz時電壓及電流波形

(c)200Hz時電壓及電流波形

圖3? 電壓及電流波形

4? 結語

??? 完成了振動棒變頻電源工業樣機一臺，經過現場實際測試，達到了設計要求，現已移交生產企業。