模型变频器的设计与开发

2024-08-02 来源：爱问旅游网

电源管理PowerManagement模型变频器的设计与开发鄢

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院袁北京100191)

刘敬猛袁李思琦

摘要院针对电力电子技术课程实践教学的需要袁设计了一款针对学校实验室的模型变频器袁将工频电源转换成为另一任意可调的频率的电能袁驱动三相异步电机旋转遥电机控制系统可以控制电机软起动袁通过电压频率转换电路和脉冲宽度调制(PWM)电路进行变压变频调速曰电机驱动系统以IR2104为核心袁利用大功率场效应管把电机控制的弱电信号转换成为驱动电机的高压电能曰电机保护系统可以对过流尧短路尧缺相尧过热等情况进行检测袁必要时切断电源袁提供保护遥经功能测试及应用验证袁该系统达到了预期的要求袁可以应用于相关教学实验遥关键词院变频器曰三相异步电机曰软起动曰电机驱动曰电机保护中图分类号院TN713

文献标识码院A

DOI院10.16157/j.issn.0258-7998.190517

中文引用格式院刘敬猛袁李思琦.模型变频器的设计与开发[J].电子技术应用袁2019袁45(10)院116-120.

英文引用格式院LiuJingmeng袁LiSiqi.Designanddevelopmentofmodelinverter[J].ApplicationofElectronicTechnique袁2019袁45(10)院116-120.

Designanddevelopmentofmodelinverter

(SchoolofAutomaticScienceandElectricalEngineering袁BeihangUniversity袁Beijing100191袁China)

Abstract院Tomeettherequirementofpracticalteachingofelectromechanicscourse,amodelinverterfortheschoollaboratoryisdesigned,whichconvertsthepowersupplyintoanotherarbitraryfrequencyelectricenergytodrivethethree-phaseasynchronousmotortorotate.Themotorcontrolsystemcancontrolthesoftstartofthemotor.Variablevoltageandvariablefrequencyspeedreg鄄ulationcanbecarriedoutthroughvoltage-frequencyconversioncircuitandpulsewidthmodulation(PWM)circuit;takingIR2104ascore,themotordrivesystemuseshigh-powerfieldeffecttransistortoconverttheweakelectricsignalwhichcontrolsthemotorintothehigh-voltageenergywhichdrivesmotor;motorprotectionsystemcandetectovercurrent,shortcircuit,phasegapandoverheat,andcutoffpowersupplywhennecessarytoprovideprotection.Thefunctiontestandapplicationvalidationshowthatthesystemmeetstheexpectedrequirementsandcanbeappliedtorelevantteachingexperiments.

Keywords院inverter曰three-phaseasynchronousmotor曰softstart曰motordriving曰motorprotection

LiuJingmeng袁LiSiqi

0引言

堂知识的延伸与拓展袁是课本知识与实际应用的衔接[1]遥通过课程实验使学生加深理解三相异步电动机的工作原理和运行特性等内容袁学会综合运用专业知识分析电机运行状态袁培养分析问题和解决问题的能力袁为后续的工作及专业研究方面奠定一定的基础[2]遥

课程实验是电力电子技术专业课的必备环节袁是课

1系统构成

实验室用模型变频器包括电机控制电路尧电机驱动电路和电机保护电路三部分袁可以控制电机软起动袁进行变压变频调速袁并对过流尧短路尧缺相尧过热等情况进行检测袁必要时切断电源袁提供保护遥系统结构框图如图1所示遥系统集成电路由数字芯片和模拟芯片组成袁相比于

鄢基金项目院电子技术多维互动新型教学模式(0103004003066)图1系统结构框图

等参数袁易于理解系统工作原理袁能更好地建立对实际系统进行调试尧分析的综合素养袁深化理解专业课程知识遥

性高的特点[3]遥而且袁学生便于测量系统关键点电压尧波形

以单片机为核心的系统袁具有结构简单尧成本低廉尧稳定

2电机驱动电路设计

电机驱动电路主要包括软起动电路尧电压频率转换

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电源管理PowerManagement的方波信号袁方波信号频率与输入VCO电压成正比袁再经CD4040计数器分频即可得到频率100Hz左右的方波信号驱动电机遥CD4046锁相环不可直接输出低频方波信号袁输出低频信号会不稳定遥2.3脉冲宽度调制电路

由于电机驱动芯片IR2104为TTL兼容的数字芯片袁因此应将启动控制电压模拟量转换成为占空比可调的PWM波袁实现用数字方式控制模拟信号遥这样也使MOSFET管工作在开关状态袁提高效率袁减少热损耗遥脉宽调制电路如图4所示遥三角波发生电路由集成运算放大器组成袁可产生频率为1kHz袁输出范围在0耀5V的三角波袁并输入至运算放大器负输入端遥正输入端输入启动控制电压袁两者经运算放大器比较袁输出占空比正比效值等于实际电压与PWM波占空比之积袁从而实现变压变频启动袁实现恒磁通调速遥

于启动控制电压的PWM波[7-8]遥加载到电机的电压的有

电路和脉冲宽度调制(PWM)电路遥

软起动电路输出从0V平滑变化的启动控制电压遥电压频率转换电路将启动控制电压转换为方波信号袁其频率与启动控制电压成正比袁控制电机转速遥脉冲宽度调制电路将启动控制电压转换为PWM波袁其占空比与启动控制电压成正比袁调节加载在电机上的等效电压遥从而实现变压变频调速袁保证电机平滑加速袁平滑过渡遥2.1软起动电路

软起动电路的实质是由两个积分环节和两个单位负反馈组成的二阶系统袁动态结构图如图2所示遥积分时间常数由电阻R和积分电容C决定[4]遥通过改变运算放大器反馈电阻的值袁可使反馈为单位负反馈遥

R(s)

--1R1C1s1R2C2sC(s)

环节的实质是基于运算放大器的积分电路袁积分电路的

图2软起动电路动态结构图

电路输入电压由频率电位计分压得到袁输出电压为启动控制电压袁送至后续电路处理遥电路传递函数为椎(s)=

1遥这里袁R1取30k赘袁C1取

(R1C1R2C2)s2+(R2C2)s+1图4脉冲宽度调制电路

47滋F袁R2取60k赘袁C2取47滋F遥此时电路为二阶欠阻尼

2.4三相换相电路

三相异步电机换相可以使三相电流周期性变化袁产生旋转磁场袁电机转子在磁场作用下转动遥本系统采用三三导通方式袁每个瞬间有3个MOSFET管导通袁每隔60毅袁每个MOSFET管通电180毅[9]遥

60毅换相一次袁每次换相一个MOSFET管袁合成转矩转过

系统袁阻尼比灼=0.707袁具有超调量小尧稳定性好等优势遥调节时间T=9.87s(取5%误差带)袁电机启动后经9.87s平滑加速过程达到设定转速遥

2.2电压频率转换电路

电压频率转换电路由CD4046锁相环组成袁电路如最小输出频率为0Hz遥R1取100k赘袁C1取200pF袁当输入VCO电压为5V时袁从第4引脚输出5kHz频率的方号占空比为1:1[5]遥

波信号遥由于C1充电回路和放电回路相同袁输出方波信图3所示遥将12引脚悬空袁使电阻R2趋于无穷大袁电路

电压频率转换电路输出的方波信号送至CD4022脉

输出Y0耀Y5依次输出高电平袁Y6与清零端相接遥所以输出组成野000001冶尧野000010冶噎噎野100000冶6种不同的循环状态袁在经过组合逻辑电路就得到控制电机6种状态的信号袁组合逻辑如表1所示遥

冲分配器的时钟引脚袁方波上升沿触发CD4022计数袁使

表1换相电路逻辑

输入

Y0000001图3电压频率转换电路

Y1000010Y2000100Y3001000Y4010000Y5100000C0111000输出C1100011C2001110MOSFET管导通Q2Q3Q4Q3Q4Q5Q4Q5Q6Q5Q6Q1Q6Q1Q2Q1Q2Q3

经过组合逻辑电路的状态转换袁输出控制电机6种状态的信号C0C1C2依次为野110冶尧野100冶尧野101冶尧野001冶尧野011冶尧野010冶遥信号送至电机全桥式驱动电路袁当控制信号C为野1冶时袁上桥导通袁当控制信号C为野0冶时袁下

输入VCO电压为软起动电路输出的启动控制电压时袁从0V升至5V时袁从第4引脚就可以得到0Hz耀5kHz

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电源管理PowerManagement将传感器输出电流量转换成电压量袁便于后续保护电路比较处理遥电流电压转换电路由运算放大器和反馈电阻组成袁反馈电阻取1k赘袁可将传感器输出电流量转换成放大1000倍的电压量遥4.2过流保护电路

当电动机负荷过大袁电流会超过额定电流袁这时过流保护电路应当延迟一定时间发出信号袁切断电源遥

考虑到电机相电流有正负之分袁应将传感器输出电压送至窗口比较器比较袁三相电流都在额定电流的正负范围内袁输出高电平曰有一相电流超出额定电流的正负范围袁输出低电平遥窗口比较器中比较器采用LM339袁输出方式为集电极开路输出袁可以进行线与运算遥

窗口比较器输出结果输入过流保护延迟电路袁电机电流过大袁延迟一定时间再切断电源遥延迟电路由运算放大器LM339和单稳态触发器系统延迟时间t为3.3s袁原理图如图7所示遥MC14538组成袁延迟时间由RX和CX之积决定袁本电袁将被测电流以1000:1输出袁故输出为电流量[11-12]遥Q3Q4Q5尧Q4Q5Q6尧Q5Q6Q1尧Q6Q1Q2袁实现三相异步电机180毅导通遥

桥导通遥所以袁MOSFET管导通顺序依次为Q1Q2Q3尧Q2Q3Q4尧3电机驱动电路设计

电机驱动电路包括MOSFET驱动器IR2104和大功率MOSFET管IRF830遥IR2104为国际整流器公司生产的高功率MOSFET驱动器袁具有独立的高侧和低侧输入通道遥高压悬浮驱动技术可使高侧电压最高为600V袁并减少驱动电源的数目遥MOSFET驱动器有两方面作用院一是将TTL芯片输出的5V电平转换成为15V电压输入MOSFET管栅极袁二是提供数百毫安电流袁克服MOSFET管栅极的密勒电容[10]遥大功率MOSFET管采用IRF830袁图5所示袁其余两相与之原理相同遥

最大漏极电流为5.9A遥三相电机中一相的驱动电路如

图5电机驱动电路

为野1冶时袁上桥导通袁当控制信号C为野0冶时袁下桥导通袁端为使能端袁接PWM波袁通过改变占空比间接调节加载到电机上的等效电压遥最终实现电机变压变频调速遥

IR2104第2引脚接电机控制信号C袁当控制信号C

使电机实现180毅导通袁并调节转速遥第3引脚SD输入

足够的电荷袁所以C1取1滋F遥二极管D1在高侧导通时阻断直流干线上的高压袁所以二极管选用MUR160袁额定电压为600V袁恢复时间为35ns袁可减少自举电容向电源回馈电荷遥

自举电容C1在高侧导通时为MOSFET管栅极提供

4电机保护电路设计

电流传感器采集三相电机相电流数据袁转换后送至电机保护电路遥电机保护系统可以对过流尧短路尧缺相尧过热等情况进行检测袁必要时切断电源袁并通过RS触发器对故障状态锁存袁直至故障排除后复位遥4.1传感器及转换电路

本系统采用三个CSNP661电流传感器检测电机的相电流袁如图6所示遥CSNP661为霍尼韦尔公司生产的闭环非接触式霍尔电流传感器袁具有响应时间快尧精度高尧体积小尧抗干扰能力强等特点遥采用双电源依12V供

图6CSNP661

图7延迟电路

当电机电流正常袁窗口比较器输出高电平袁单稳态触发器输出低电平袁比较器1输出高电平袁比较器2输出低电平袁相与后输出低电平袁无拉闸动作遥当电机电流超出额定电流时间小于3.3s袁窗口比较器输出低电平袁单稳态触发器输出高电平袁比较器1输出低电平袁比较器2输出高电平袁相与后输出低电平袁无拉闸动作遥当电机电流超出额定电流时间大于3.3s时袁窗口比较器仍输出低电平袁单稳态触发器输出转变为低电平袁比较器平袁控制继电器切断电机电源遥

1输出高电平袁比较器2输出高电平袁相与后输出高电4.3短路保护电路

三相电机单相接地短路会烧毁电机袁相间短路会烧

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电源管理PowerManagement毁MOSFET管袁所以一旦发生短路袁应立即切断电源遥相比于过流保护电路袁短路保护电路提高了窗口比较器的阈值电压袁并去掉了延迟电路遥4.4缺相保护电路

缺相时袁三相电机转速下降袁噪声大袁运行无力袁温度上升袁最终电机烧毁遥所以电机一旦缺相袁应切断电源遥

电流传感器输出信号经转换后得到的电压值送至窗口比较器袁比较器的正负阈值应设定较小遥当电流绝对值小于阈值电流时袁窗口比较器输出0袁表示该相无电流曰当电流绝对值大于阈值电流时袁窗口比较器输出1袁表示该相有电流遥三个窗口比较器输出结果送至组合逻辑电路进行缺相判断袁缺相判断逻辑如表2所示遥

表2缺相判断电路逻辑

窗口比较器输出缺相Y断输出

状态说明10Y判111Y1正常运转

1112000000110缺一相

00101110缺两相

00000001电机未启动或已触发其他保护

三相均有电流袁表明电机正常运转袁缺相判断电路输出高电平袁无保护动作遥三相中任意一相或两相无电流袁表明电机缺相袁缺相判断电路输出低电平袁控制继电器切断电机电源遥三相均无电流时袁表明电机未启动或已经触发其他保护停止运转袁缺相判断电路输出高电平袁无保护动作[13]由于电机在换遥

相过程中会出现极短时间电流为零

的情况袁因此缺相判断电路后应接延迟电路袁某一相电流为零一段时间后再触发缺相保护遥4.5过热保护电路

过热保护采用热电阻测温方法袁热敏电阻R选用铜热电阻袁安装在电机表面遥铜热电阻随温度升高阻值增大袁所以温度升高袁运算放大器负输入端电压升高袁运放输出低电平袁表示电机过热袁控制继电器切断电机电源[14]反馈电阻的引入是为增加滞回特性[15]遥

理如图8所示遥

遥过热保护电路原5结论

本文完成了模型变频器的原理设计袁开发了三相异步电机控制电路尧驱动电路尧保护电路遥通过功能测试与应用袁系统运转正常袁达到了预期的要求袁可以应用于相关教学实验遥系统实物图如图9和图10所示遥

该课程实验有助于提高学生动手操作的能力袁加深学生对于专业知识的理解袁培养学生的创新能力和工程实践能力遥

叶电子技术应用曳2019年第45卷第10期

图8过热保护电路

图9模型变频器原理样机

图10电机运转状态图

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(收稿日期院2019-05-04)

(上接第115页)

图10单片机检测电极脱落程序流程图

据遥同理袁判断低电平时采用的方法一样遥此种方法可以滤除因外部干扰引起的误判袁进一步提高电极脱落检测系统的稳定性和准确性遥

6结论

针对生物电信号采集时袁常需要判断电极是否脱落问题袁本文设计出一种电极脱落检测电路并给出STM32单片机程序检测方法遥巧妙地利用了LM358集成运放的特点袁将电极脱落检测系统与肌电采集系统结合在一起袁巧妙地将右腿驱动电路的反馈电压和中心电压引入到电极脱落检测电路中遥在单片机检测程序中进一步给出降低误检的方法遥在实际的电路中取得了稳定准确的检测效果遥该电极脱落检测系统虽然可以通过硬件电路滤除工频干扰和调节检测灵敏度袁通过算法进一步降低误检袁可以稳定准确地检测电极脱落袁但不能检测具体哪一个电极脱落遥后续可以将LM358接成跟随器后输出电压送到单片机引脚袁肌电采集系统中的参考电压和中心电压送到单片机引脚袁单片机通过内部模拟数字转换器转换后检测电压值袁再通过算法进行滤波比较判断袁可以实现一个具有稳定准确且可以检测哪一个电极脱落的电极脱落检测系统遥参考文献

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袁37(6)院120

王涛袁侯欢迎网上投稿文生袁吴小鹰袁等.www.ChinaAET.com用于肌电假肢手控制的表面

作者简介院

刘敬猛(1967-)袁男袁博士袁副教授袁主要研究方向院电工电子实验教学遥

李思琦(1997-)袁男袁本科袁主要研究方向院电工电子实验遥

院1907-

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