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[導讀]針對農(nóng)用小功率三相交流電機不易獲取三相電源而無法廣泛應用的問題,設(shè)計了一種在農(nóng)用220 V單相交流電源的情況下,可輸出電壓幅值可無級調(diào)控的三相交流變頻系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)小功率三相交流電機在農(nóng)用單相電源的情況下廣泛地使用。

實驗結(jié)果表明:當輸入220 V交流電源時,可輸出三相可控的交流電源。系統(tǒng)硬件設(shè)計合理,為農(nóng)用小功率電源的變頻控制的廣泛應用提供了技術(shù)支持。

0 引言

目前,國內(nèi)外關(guān)于交流變頻技術(shù)的研究很多,但大多是對針對中、高等級功率的三相交流變頻技術(shù)的研究,對于農(nóng)用小功率電器研究較少,對農(nóng)用單相變頻系統(tǒng)的具體設(shè)計較少。而隨著農(nóng)用電器在農(nóng)業(yè)、家電上的廣泛使用,小功率的單相輸入、三相交流輸出變頻技術(shù)可解決這一實際的問題。為此,本文設(shè)計了一套基于SPWM 算法單相交流變頻調(diào)速系統(tǒng),以單相交流220 V為輸入電源,經(jīng)過單相不可控橋式整流,再經(jīng)過大電容濾波,獲得穩(wěn)定的直流270 V 電壓,再經(jīng)過三相橋式逆變電路,獲得電壓幅值可調(diào)的三相交流電,供給三相交流電機工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)基于變頻控制的基本原理,采用恒定V/F比值控制,保持輸入電壓幅值與頻率成線性關(guān)系,通過單片機實現(xiàn)SPWM控制。

1.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)采用交-直-交電力電子變壓變頻的典型結(jié)構(gòu)。單相交流220 V為輸入,經(jīng)過單相不可控橋式整流,再經(jīng)過大電容濾波,獲得穩(wěn)定的直流270 V 電壓,再經(jīng)過三相全波逆變電路輸出。

同時,控制電路根據(jù)SPWM 控制的算法原理,計算出調(diào)頻和調(diào)幅的大小,并與變頻器反饋的輸出電流進行比較分析,得出理想的控制波形通過驅(qū)動電路以驅(qū)動開關(guān)器件IGBT的開通與關(guān)斷,從而輸出頻率幅值可調(diào)的三相交流電。系統(tǒng)主要功能有直流電壓檢測、輸出電流采集、溫度采集及保護、短路保護、過流保護??刂葡到y(tǒng)控制電路選用的是16位單片機dsPIC30F6010A,以實現(xiàn)對各個參數(shù)的調(diào)節(jié)和對系統(tǒng)的保護等功能。

 

 

1.2 SPWM波形算法原理

通過傅里葉分析得知,SPWM波形輸出的基頻幅度為:

 

 

式中:N 為半個波形中的脈寬個數(shù);Um 為輸入電壓的幅值。當N>1時有U1m>Um,因此輸出電壓基波正是調(diào)制時所要求的正弦波,同時還可知這種SPWM發(fā)生方法可以有效抑制k=2N-1次以下的低次諧波,存在高次諧波。

加在交流感應電機的三相繞組上的電壓分別為:

 

 

式中:Em 為電壓幅值;ω 為輸出電壓的角頻率;ω = 2πf ,f 為輸出電壓的頻率,也就是波形發(fā)生器的調(diào)制頻率。相位上互差120°的三相電壓加到感應電機的繞組中,產(chǎn)生三相電流,形成一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場,帶動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。恒定V/F比值控制時,輸入電壓幅值與頻率成線性關(guān)系,而被控制的電機一般具有簡單的V/F線性關(guān)系,則可以用計算方法來代替V/F表[4].圖2描述了V/F控制具體計算流程。

 

 

2 系統(tǒng)的SPWM控制電路

SPWM 控制電路主要由dsPIC30F6010A 單片機、MC54HC244、PNP 三極管Q1、供電電源、電容和電阻等組成,如圖3 所示。R1 為Q1 的集電極電阻和MC54HC244 的上拉電阻,使信號箝位在高電平,從而提高芯片輸入信號的噪音容限,以增強抗干擾能力,同時,也起到限流作用。R2 為Q1 的基極電阻,起限流作用。C1 并接在5 V 電源和地之間,作為支撐電容、蓄電池作用。當逆變器正常工作時,電流檢測的值與SPWM計算給定值進行比較,得到高電平,單片機SPWM 故障引腳FLTA輸入高電平信號,允許SPWM波輸出。同時,Q1導通,MC54HC244使能端G為低電平,輸出端Y輸出SPWM 信號。當逆變器發(fā)生短路等故障時,Q1 截止,MC54HC244使能端G為高電平,封鎖SPWM信號輸出,實現(xiàn)硬件保護。同時,單片機故障引腳FLTA接入低電平,封鎖SPWM波輸出,實現(xiàn)軟件保護。

 

 

3 SPWM系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是輸出SPWM 波供給驅(qū)動電路,以驅(qū)動IGBT 逆變回路,同時處理采樣電路反饋信號,實現(xiàn)電壓及電流的控制。SPWM波主程序的設(shè)計包括5個部分,即初始化、邊緣參數(shù)識別、頻率和幅度的計算、相位增量和幅度調(diào)制系數(shù)的計算。初始化中又包括I/O口、SPWM時基寄存器和A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)置。設(shè)置SP-WM的控制寄存器,使SPWM定時器工作在SPWM發(fā)生方式,定時器清除時鐘使用周期匹配,周期中斷設(shè)為每個周期中斷一次,計數(shù)邊沿使用時鐘的上升沿。主程序流程圖如圖4所示。

 

 

4 實驗測試

系統(tǒng)運用MPLAB軟件集成開發(fā)環(huán)境IDE 8.53中的在線調(diào)試器MPLAB ICD2對本系統(tǒng)進行調(diào)試。MPLABIDE 軟件是一個帶有用于編程開發(fā)和調(diào)試微芯單片機設(shè)計應用程序的工具包的桌面開發(fā)環(huán)境。MPLAB IDE可以方便應用于Windows XP、Windows 2000 和Win-dows NT 操作環(huán)境。MPLAB IDE 是MPLAB 編輯器、MPLAB ASM30 匯編器、MPLAB SIM 軟件模擬器、MPLAB LIB30 庫、MPLAB LINK30 鏈接器、MPLAB ICE4000 在線仿真器、PRO MATE II 編程器及在線調(diào)制器ICD2等各種Microchip開發(fā)系統(tǒng)工具共用的用戶界面。

如圖5所示為IDE 8.53 操作界面。運用MPLAB軟件對所得的單相變頻系統(tǒng)進行在線調(diào)試,可測試本系統(tǒng)的性能。

 

 

5 結(jié)語

通過MPLAB 軟件,對農(nóng)用小功率單相變頻調(diào)速系統(tǒng)性能做了測試。

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理,輸入/輸出過程穩(wěn)定,具備小功率單相交流輸入、系統(tǒng)控制輸出可控的三相交流電機的調(diào)速功能。

(2)單片機輸出SPWM波形穩(wěn)定、可靠,逆變器能輸出的正弦交流波形能滿足小功率三相交流電機的使用。

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