變頻器已應(yīng)用于各行各業(yè)的多種設(shè)備,并成為當(dāng)今節(jié)電,改造傳統(tǒng)工業(yè),改善工藝流程,提高生產(chǎn)過程自動化水平,提高產(chǎn)品質(zhì)量,改善環(huán)境的主要技術(shù)之一。變頻器技術(shù)是一種綠色技術(shù),是國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中普遍需要的新技術(shù),也是國際上技術(shù)更新?lián)Q代最快的領(lǐng)域之一。

    開關(guān)器件是變頻器的核心器件,絕緣柵雙極型品體管(ICBT)投入市場以后,很快成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件,而且其電壓、容量及開關(guān)頻率性能還在提高。智能功率模塊(IPM)集成了多個常規(guī)IGBT,為用戶降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本提供了便利條件,并使系統(tǒng)的性能和可靠性得到了有效提高。IPM內(nèi)部集成的驅(qū)動和保護(hù)電路可簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),其自我保護(hù)功能可使功率模塊在測試及現(xiàn)場應(yīng)用中損壞的可能性大大降低。采用IPM后系統(tǒng)的綜合性能極大提高,其性價(jià)比已經(jīng)超過IGBT,有很好的經(jīng)濟(jì)性。

    本文使用IPM模塊PM50RSAl20設(shè)計(jì)一款小型通用變頻器,功率為1 500 W,并將開關(guān)電源也集成到變頻器中,體積小,方便在小功率場合使用。

2 PM50RSAl20簡介[1]

    PM50RSAl20是日本三菱公司推出的50 A/l200 V智能功率模塊,開關(guān)頻率20 kHz,其內(nèi)部電路如圖1所示。

    PM．50RSAl20中共有7塊:IGBT,其中6塊構(gòu)成橋路,另一塊用于控制制動電阻的接人。P-N間接人前方整流模塊整流后的直流電壓(0 V～800 V);U、V、W是輸出端子;B-P間接入制動電阻,在能耗制動過程中消耗制動能量;VUP1-Vupc,VVP1-VVPC,VWP1- VWPC,VN1-VNC間提供各IGBT模塊的電源．典型值為15 V；UP-VUPc，VP_VVPC，WP-VWPC，UN·VN·WN·Br-VNc間為控制各IGBT導(dǎo)通和截止的控制端.當(dāng)電壓在0．8 V以下時(shí)，IGBT導(dǎo)通，在4 V。15 V之問時(shí)．：IGB3"。截止；UF0-VUPc,VFo_-VVPC，Wm-V州，F(xiàn)O-VNC間為錯誤報(bào)告電壓提供端,為了使接口電路盡量簡化．該IPM模塊用一個錯誤指示信號來通知控制器在該模塊內(nèi)發(fā)生的所有錯誤。控制器通過檢測來判斷是否發(fā)生了溫升過高、過電流或短路故障．區(qū)別以上故障的依據(jù)是檢測錯誤指示信號維持時(shí)間。短路和過電流故障信號的維持時(shí)間的典型值是1.5 ms．溫升過高指示信號在溫度超過允許值時(shí)有效,一直維持到溫度降至復(fù)位值以下,這一過程的典型時(shí)間為十幾秒。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

    通用型變頻器的硬件電路主要由3部分組成:整流電路、開關(guān)電源電路以及逆變電路。整流電路將工頻交流電整流為直流,并經(jīng)大電容濾波供給逆變單元;開關(guān)電源電路為IPM和計(jì)算機(jī)控制電路供電;逆變電路是由PM50RSAl20組成,對于逆變電路本文主要闡述其控制電路的設(shè)計(jì)。

    圖2為整流電路「2-3」,整流電路中,輸人為380V工頻交流電。YRl～YR3為壓敏電阻,用于吸收交流側(cè)的浪涌電壓,以免造成變頻器損壞。輸人電源經(jīng)二極管整流橋6R130G-160整流為直流,并經(jīng)El～E4大電容濾波后成為穩(wěn)定的直流電壓,再經(jīng)電感和電容濾波后作為逆變單元和開關(guān)電源單元的電源。R2和R3是為了消除電容的離散性而設(shè)置的均壓電阻,同時(shí)還起到放電的作用。發(fā)光二極管用于指示變頻器的工作狀態(tài)。Rl是啟動過程中的限流電阻,由于E1～E4容量較大,上電瞬間相當(dāng)于短路,電流很大,尺l可以限制該電流大小,電路正常狀態(tài)后由繼電器RLYl將該電阻短路以免增加損耗,繼電器的控制信號SHORT來自于計(jì)算機(jī),上電后延時(shí)一定時(shí)間計(jì)算機(jī)發(fā)出該信號將電阻切除。R1應(yīng)選擇大功率電阻,本電路中選擇的是20 W的水泥電阻,而且為了散熱該電阻安裝時(shí)應(yīng)懸空。電路中的+5 V、+12 V和±15 V電壓是由 開關(guān)電源提供的電壓。LVl是電壓傳感器,用于采集整流電壓值,供檢測和確定控制算法用．UDCM是電壓傳感器的輸出信號。通過外接插排連接至外接計(jì)算機(jī)控制電路。

    圖3是開關(guān)電源電路「4,5」。該電路主要由PWM控制器TL3842P、MOSFET K1317和開關(guān)變壓器組成,其功能是對整流電路的直流輸出電壓進(jìn)行變換,為IPM模塊和外接的計(jì)算機(jī)控制電路提供電源,提供的電壓為±15 V、+12 V、+5 v。

    圖4為IPM的控制電路「1」,這里只給出了其中一個ICBT的控制電路,其它IGBT與之相同。

    在電路中,HCPL4504是高速光耦,隔離計(jì)算機(jī)信號與變頻器控制板,LM、UM是算機(jī)輸入,控制對應(yīng)的IGBT導(dǎo)通的控制信號,VNI、WN、F0、VNC為對應(yīng)IGBT的信號引腳。P52l是光電隔離器件,其輸出信號FOUT是錯誤信號,表明IPM內(nèi)部出現(xiàn)錯誤,通過計(jì)算機(jī)響應(yīng)進(jìn)行錯誤處理。LA58是電流傳感器,用于采集變頻器輸出U相和W相的電流,為控制算法提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)。在整個電路板中, 與計(jì)算機(jī)接口信號是通過插排接出的。

    另外,需要注意的是6R130G-160、PM50RSAl20都屬于發(fā)熱量較大的器件,在電路板中要注意散熱問題,必須安裝散熱片,并涂以散熱硅膠,以免溫度超過器件的額定溫升。

4 結(jié)束語

    本文采用智能功率模塊PM50RSAl20設(shè)計(jì)了一款小型通用1 500 W變頻器,該變頻器包含了交-直-交變頻電路和開關(guān)電源,具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、可靠性高，體積小、穩(wěn)定性好、可靠性高等特性,適應(yīng)于小型電機(jī)驅(qū)動及實(shí)驗(yàn)。