隨著現(xiàn)代控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)已達(dá)到了完全可以與直流調(diào)速相媲美的程度，其卓越性能使其應(yīng)用范圍越來越廣[1]。對(duì)于變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部件——變頻器，小功率變頻器是大公司所不重視的，但小功率電機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，在工業(yè)自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，甚至于日常健康用品中都越來越多地用到輕載變頻器。本系統(tǒng)采用了功率因素補(bǔ)償技術(shù)，有效降低了電力負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的危害，增強(qiáng)了其適應(yīng)性，達(dá)到了諧波控制的目的，節(jié)能效果明顯，突出了綠色供電的安全性和節(jié)能性。
一、功率因素補(bǔ)償(PFC)
在工業(yè)控制應(yīng)用中，電網(wǎng)往往需要與整流器連接。經(jīng)典整流器是由二極管或晶閘管組成的非線性電路，在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的電流諧波。pfc的目的是消除這些可能引起頻率干擾的狹窄和陡峭的電網(wǎng)脈沖；更嚴(yán)重的是，其有效值大于所要求的負(fù)載功率輸出，這不僅會(huì)導(dǎo)致輸入電機(jī)的溫升過高，而且會(huì)改善濾波電容器的溫升，降低其可靠性。
功率因數(shù)校正技術(shù)在升壓變換器中的應(yīng)用。功率因數(shù)補(bǔ)償電路的主要任務(wù)是利用升壓轉(zhuǎn)換器將沿正弦半波曲線上升和下降的不同輸入電壓轉(zhuǎn)換成幅度略高于輸入正弦電壓的穩(wěn)定DC輸出電壓。在正弦電壓的整個(gè)半周內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)間由軟件脈寬調(diào)制控制，軟件脈寬調(diào)制檢測(cè)輸出電壓，并通過誤差放大器與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過負(fù)反饋設(shè)置導(dǎo)通時(shí)間，從而保持輸出電壓恒定。
第二個(gè)任務(wù)是檢測(cè)輸入電網(wǎng)的電流，使其成為與輸入電壓相同的正弦波，這也需要通過調(diào)節(jié)Boost變換器的啟動(dòng)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，提前時(shí)間由負(fù)反饋回路確定，并采樣電網(wǎng)的實(shí)際電流與參考正弦電流進(jìn)行比較，兩個(gè)正弦波之間的差值是誤差電壓，調(diào)節(jié)提前時(shí)間，使兩個(gè)正弦波具有相同的振幅。
最終控制升壓變換器導(dǎo)通時(shí)間的電壓是直流輸出電壓的誤差電壓和輸入網(wǎng)格電流的誤差電壓的合成電壓。 這種組合通過LPC2148的乘法器來實(shí)現(xiàn)，該乘法器與輸出電壓的誤差電壓和輸入電流的誤差電壓的乘積成比例。
二、 VF控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
1、VF控制的硬件實(shí)現(xiàn)
變頻器是利用現(xiàn)代電力電子和控制技術(shù)的新產(chǎn)品，主要用于各種工業(yè)和民用機(jī)電設(shè)備。其特點(diǎn)是通過改變供電頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化程度，節(jié)約能源。變頻控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、機(jī)械特性和硬度好，能夠滿足一般變速器平穩(wěn)調(diào)速的要求，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。
所涉及的變頻器電路由主電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、人機(jī)接口、功率因數(shù)校正電路、保護(hù)電路、RS485通信接口電路和輔助電源電路組成。通過對(duì)各個(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、動(dòng)態(tài)性能好的低功耗變頻器。用戶可以通過人機(jī)界面設(shè)置電機(jī)的啟動(dòng)/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，也可以通過外部終端的輸入信號(hào)進(jìn)行控制。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
圖2 系統(tǒng)主程序流程
該系統(tǒng)含兩個(gè)功率部分：帶有PFC功能的BOOST電路和三相SPWM逆變橋電路。
第一部分是一個(gè)BOOST升壓模塊，電路中有電壓和電流兩個(gè)閉環(huán)回路，采用PID算法實(shí)現(xiàn)控制。一方面實(shí)現(xiàn)消耗電流對(duì)輸入電壓波形的跟蹤，以及消耗電流和輸入電壓之間的相位同步；另一方面，逆變器橋總線的電壓輸出恒定在DC 375伏這個(gè)設(shè)計(jì)使市電供應(yīng)在AC 85~265 V的范圍時(shí)都可以得到功率因素補(bǔ)償PF=1的效果。
第二部分由三個(gè)獨(dú)立的半橋組成，它們由具有自升力驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能的高低側(cè)半橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，lpc2148處理器是輸出三通雙邊邊調(diào)制的spwm波形的主控制器。在系統(tǒng)瞬時(shí)過載時(shí)，關(guān)閉部分驅(qū)動(dòng)脈沖，長(zhǎng)期過載可以使系統(tǒng)停止對(duì)外輸出，待過載消失可以重新啟動(dòng)。逆變橋設(shè)計(jì)的最大調(diào)制比為85%，使母線電壓375 V調(diào)制三相為220 V交流（375×0.85約大于220 V的峰值電壓310 V）。
2、VF控制的軟件實(shí)現(xiàn)
軟件設(shè)計(jì)主要利用LPC2148自帶SPWM發(fā)生模塊、PFC控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路的特點(diǎn)進(jìn)行的。軟件由主程序和中斷程序組成。主程序包括LPC2148的初始化、A/D轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)定、過壓過流保護(hù)以及轉(zhuǎn)速顯示。其主程序流程如圖2所示。
中斷程序包括串口中斷和定時(shí)器中斷，當(dāng)串口接收到外部中斷后，CPU從串口讀取參數(shù)，進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)，如圖3所示，其狀態(tài)命令和標(biāo)志說明如表1所列。
圖3 外部中斷狀態(tài)圖
表1 外部中斷命令標(biāo)志說明
執(zhí)行完畢后，更新原有參數(shù)，然后回到主程序再次等待外部中斷。在定時(shí)裝置里面停止服務(wù)程序主要涉及l(fā)pc2148的內(nèi)部spwm生產(chǎn)模塊和圖4中的中斷程序流程。
圖4 內(nèi)部定時(shí)器中斷程序流程
三、實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果
仿真軟件采用matlab中的仿真，具有直接構(gòu)建模塊、縮短開發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)。交流輸入端為220 V、50 Hz電壓，PFC中電感為1 μH，電容為450 μF，為方便觀看輸出電流波形，取時(shí)間長(zhǎng)度為0.03 s，仿真結(jié)果如圖5所示。同時(shí)通過檢測(cè)消耗電阻兩端電壓與輸入電壓，并對(duì)電壓波形進(jìn)行比較，得到圖6所示的波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在功率因數(shù)校正后，消耗電阻的電流接近輸入電壓后的正弦波。
圖5 三相輸出電流波形
四、總結(jié)
利用功率因數(shù)校正技術(shù)和變頻器控制論，建構(gòu)低電功耗變頻器，以性價(jià)比高的LPC2148芯片為控制核心，實(shí)現(xiàn)整體控制。 PFC技術(shù)的引進(jìn)，有效減少了功耗對(duì)電力網(wǎng)的危害，達(dá)到了間歇波治理的目的，同時(shí)具有顯著的節(jié)能效果，使電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定。 同時(shí)，LPC2148芯片的高性能使整個(gè)操縱系統(tǒng)的算法在數(shù)微秒內(nèi)完成，大幅度提高了操縱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。 該變頻器已在生產(chǎn)應(yīng)用中使用。
圖6 消耗電阻電壓與輸入電壓波形
上述文章是由三科變頻器工程部人員所提供的，三相變頻器的相關(guān)資料后整理編輯的。
