摘要：以工業(yè)用振動(dòng)棒的變頻電源為研究對(duì)象，主要介紹了如何采用新的方法來設(shè)計(jì)替代現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行的產(chǎn)品的變頻電源。根據(jù)產(chǎn)品所要求達(dá)到的性能指標(biāo)，給出包括輔助開關(guān)電源電路、主電路以及控制電路的設(shè)計(jì)，并對(duì)樣機(jī)的性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：工業(yè)用振動(dòng)棒；變頻調(diào)速電源；研制

1    引言

    作為一種變壓變頻的實(shí)用功率變換裝置，變頻器基本上涵蓋了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的幾個(gè)重要方面，包括AC/DC、DC/DC和DC/AC。振動(dòng)棒是一種小型建筑機(jī)械，主要用于制造混凝土制品和建造混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，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(zhì)量^[1][2][3]。振動(dòng)棒主要有兩種：液壓式和電動(dòng)式。現(xiàn)有的工業(yè)用振動(dòng)棒常用電動(dòng)機(jī)帶發(fā)電機(jī)組產(chǎn)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(biāo)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(dòng)棒是一個(gè)系列產(chǎn)品，因此為了驅(qū)動(dòng)不同規(guī)格的振動(dòng)棒，也就要求變頻電源有不同的型號(hào)：帶單負(fù)載運(yùn)行的變頻電源；可以帶雙負(fù)載運(yùn)行的變頻電源等。而且由于振動(dòng)棒是一種手持式的電動(dòng)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(gè)降壓的環(huán)節(jié)，下面針對(duì)這些指標(biāo)，詳述設(shè)計(jì)過程及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1  主電路的設(shè)計(jì)

    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(hào)為6MBP15RY060。容量為15A、600V，最高開關(guān)頻率為5kHz。選擇這種IPM的原因在于它具有良好的性價(jià)比，已成為市場(chǎng)上的常用器件，雖然器件的最高開關(guān)頻率只有5kHz，不可避免地會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲，但是由于負(fù)載本身的噪聲就很大，因此由于低開關(guān)頻率而產(chǎn)生的開關(guān)噪聲是可以接受的。

圖1  基本原理圖

    IPM需要4路相互獨(dú)立的工作電源，同時(shí)，控制電路也需要1組工作電源，因此，輔助電源應(yīng)該能提供至少5組相互獨(dú)立的電源。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，主回路采用單端反激式開關(guān)電源。

2.2  控制電路的設(shè)計(jì)

    從圖1可以看出，控制電路的作用是產(chǎn)生控制脈沖并對(duì)保護(hù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)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(jī)——8XC196MC。選用它的原因在于這種芯片所獨(dú)具的特點(diǎn)——片內(nèi)波形發(fā)生器WFG(Wave Form Generator)。WFG有3個(gè)同步的PWM模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較寄存器、一個(gè)死區(qū)時(shí)間（dead-time）發(fā)生器和一對(duì)可編程的輸出。WFG可以產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)PWM波形，但它們有共同的載波頻率、死區(qū)時(shí)間和操作方式。一旦啟動(dòng)之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預(yù)。也正是由于有了這個(gè)外設(shè)，使得用于產(chǎn)生同步脈沖調(diào)制波形的控制軟件和硬件大大簡(jiǎn)化，因此這種芯片特別適用于控制3相交流感應(yīng)電機(jī)，也被應(yīng)用在控制直流無(wú)刷電機(jī)和其他需要多個(gè)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(jīng)提到，由于應(yīng)用場(chǎng)合的限制，要求本文所設(shè)計(jì)的變頻電源具有良好的抗干擾能力，實(shí)驗(yàn)證明了8XC196MC完全滿足設(shè)計(jì)要求。下面將對(duì)本方案中的程序設(shè)計(jì)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

2.3  V/f曲線的設(shè)定

    在電機(jī)控制中，為了充分利用電機(jī)并防止電機(jī)產(chǎn)生磁密飽和，在改變變頻器的頻率時(shí)，需要同時(shí)改變它的輸出電壓幅值。在本方案中，啟動(dòng)過程采用的是恒定V/f控制，如圖2所示。因?yàn)檎駝?dòng)棒正常工作時(shí)是工作在恒壓（線電壓42V）恒頻（200Hz）的條件下，在穩(wěn)定工作時(shí)，不容易進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但是為了減小啟動(dòng)電流，采用了變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)。振動(dòng)棒電機(jī)始終工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在輸出達(dá)到額定頻率（200Hz）前，電機(jī)輸入電壓幅值與頻率（電機(jī)轉(zhuǎn)速）成線性關(guān)系。V/f曲線和正弦波的數(shù)據(jù)都是以表格的形式存放在EPROM中的，這樣可以減少CPU的計(jì)算量，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，在程序中直接通過查表就可以得到所需要的數(shù)值。

圖2  恒定V/f比值控制 [!--empirenews.page--]

3  性能分析

    1）效率方案的最大特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單可靠，而且由于中間環(huán)節(jié)少，因此整機(jī)的效率較高。單機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)效率可達(dá)94％，帶雙負(fù)載運(yùn)行時(shí)實(shí)測(cè)效率要低一些，能夠達(dá)到92％左右。

    2）軟啟動(dòng)與雙負(fù)載運(yùn)行由于產(chǎn)品的啟動(dòng)時(shí)間沒有特殊要求，啟動(dòng)過程可以在幾秒的范圍內(nèi)完成，為了減小啟動(dòng)電流，采用了用軟件來設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間的方法，即在程序設(shè)計(jì)中，啟動(dòng)頻率設(shè)定在10Hz，在升速過程中頻率是逐步上升到200Hz的，這就相當(dāng)于一個(gè)軟啟動(dòng)的過程。實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單而且廉價(jià)。同時(shí)變頻電源可以帶雙負(fù)載運(yùn)行，因此就要考慮到雙電機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作模式。上面所講的軟啟動(dòng)的方法適用于單電機(jī)啟動(dòng)和雙電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)，這時(shí)的啟動(dòng)電流就比較大（可以參考實(shí)驗(yàn)波形），這對(duì)主電路的開關(guān)器件而言是一個(gè)沖擊，為了保證負(fù)載能繼續(xù)正常運(yùn)行，就要加大開關(guān)器件的容量。因此，根據(jù)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(gè)產(chǎn)品，除了可靠性以外，成本也是一個(gè)很重要的因素。在這個(gè)方案中，有四個(gè)部分對(duì)成本的影響最大：控制芯片（8XC196MC的單價(jià)為100元）、平波電解電容（470μF/450V的單價(jià)為35元）、逆變模塊IPM（600V、15A、最高開關(guān)頻率為5kHz的IPM的價(jià)格是200元）和低頻隔離變壓器（300W的變壓器價(jià)格為220元）。開關(guān)電源的成本很小，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的總體成本在600元左右。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的花費(fèi)不能代表產(chǎn)品的最終成本，因?yàn)殡S著產(chǎn)品批量的擴(kuò)大，元器件的平均價(jià)格必然會(huì)下降，其中下降幅度最大的將是控制芯片和變壓器，因?yàn)?000片的單價(jià)就可以降到40元左右，批量的變壓器單價(jià)也可以下降到130元左右。這樣整個(gè)逆變電源的成本就可以降低到400元左右。

    圖3是一組單負(fù)載運(yùn)行時(shí)的負(fù)載電壓和電流波形。波形中可以體現(xiàn)出電源的軟啟動(dòng)功能。

(a)10Hz時(shí)電壓及電流波形

(b)20Hz時(shí)電壓及電流波形  [!--empirenews.page--]

(c)200Hz時(shí)電壓及電流波形

圖3  電壓及電流波形

4  結(jié)語(yǔ)

    完成了振動(dòng)棒變頻電源工業(yè)樣機(jī)一臺(tái)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已移交生產(chǎn)企業(yè)。