變頻器已應用于各行各業(yè)的多種設備,并成為當今節(jié)電,改造傳統(tǒng)工業(yè),改善工藝流程,提高生產過程自動化水平,提高產品質量,改善環(huán)境的主要技術之一。變頻器技術是一種綠色技術,是國民經濟和日常生活中普遍需要的新技術,也是國際上技術更新換代最快的領域之一。
開關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備的主導器件,而且其電壓、容量及開關頻率性能還在提高。智能功率模塊(IPM)集成了多個常規(guī)IGBT,為用戶降低設計和生產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內部集成的驅動和保護電路可簡化系統(tǒng)設計,其自我保護功能可使功率模塊在測試及現場應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,其性價比已經超過IGBT,有很好的經濟性。
本文使用IPM模塊PM50RSAl20設計一款小型通用變頻器,功率為1 500 W,并將開關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,開關頻率20 kHz,其內部電路如圖1所示。
PM．50RSAl20中共有7塊:IGBT,其中6塊構成橋路,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導通和截止的控制端.當電壓在0．8 V以下時，IGBT導通，在4 V。15 V之問時．：IGB3"。截止；UF0-VUPc,VFo_-VVPC，Wm-V州，FO-VNC間為錯誤報告電壓提供端,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發(fā)生的所有錯誤?？刂破魍ㄟ^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)別以上故障的依據是檢測錯誤指示信號維持時間。短路和過電流故障信號的維持時間的典型值是1.5 ms．溫升過高指示信號在溫度超過允許值時有效,一直維持到溫度降至復位值以下,這一過程的典型時間為十幾秒。
3 硬件電路設計
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,并經大電容濾波供給逆變單元;開關電源電路為IPM和計算機控制電路供電;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計。
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,用于吸收交流側的浪涌電壓,以免造成變頻器損壞。輸人電源經二極管整流橋6R130G-160整流為直流,并經El～E4大電容濾波后成為穩(wěn)定的直流電壓,再經電感和電容濾波后作為逆變單元和開關電源單元的電源。R2和R3是為了消除電容的離散性而設置的均壓電阻,同時還起到放電的作用。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來自于計算機,上電后延時一定時間計算機發(fā)出該信號將電阻切除。R1應選擇大功率電阻,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應懸空。電路中的+5 V、+12 V和±15 V電壓是由 開關電源提供的電壓。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算機控制電路。
圖3是開關電源電路「4,5」。該電路主要由PWM控制器TL3842P、MOSFET K1317和開關變壓器組成,其功能是對整流電路的直流輸出電壓進行變換,為IPM模塊和外接的計算機控制電路提供電源,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,隔離計算機信號與變頻器控制板,LM、UM是算機輸入,控制對應的IGBT導通的控制信號,VNI、WN、F0、VNC為對應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內部出現錯誤,通過計算機響應進行錯誤處理。LA58是電流傳感器,用于采集變頻器輸出U相和W相的電流,為控制算法提供現場數據。在整個電路板中, 與計算機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 結束語
本文采用智能功率模塊PM50RSAl20設計了一款小型通用1 500 W變頻器,該變頻器包含了交-直-交變頻電路和開關電源,具有結構緊湊、集成度高、可靠性高，體積小、穩(wěn)定性好、可靠性高等特性,適應于小型電機驅動及實驗。
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