1通用变频器硬件电路设计
本设计的系统以TI公司的TMS320LF2407A为控制核心,由主电路、系统保护电路和控制电路组成,总体设计图如图3.1所示。
图1.1基于DSP的通用变频调速系统总体设计
其中,主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)和IPM驱动电路和吸收电路组成。原理是通过无法控制单相交流电压的整流模块改为直流电压,整流后的脉动电压通过大型电容器C1、C2成为稳定的直流电压。IPM逆变电路将超调这种直流电压,形成既能调节电压又能调节频率的三相交流,供应给电机。
系统保护电路包括超压、低压保护、电流限制启动、IPM故障保护和泵上升控制等。过压、欠压保护是利用电阻分压收集母线电压,并与规定值进行比较。限流启动由于主电路打开时大容量充电瞬间产生的电流过大,整流桥可能损坏,因此将限流电阻R1连接到主电路,当容量电压达到指定值时,启动继电器将R1短路,主电路进入正常工作状态。IPM故障保护是集成在IPM内部的多种保护功能,包括过电流保护、短路保护、控制电源低压保护和管壳和管芯温度过热保护。综合处理这些不同的故障信号后,将总故障信号发送到DSP(TMS320LF2407A)的PDPINTA故障中断门户,以拦截DSP的PWM波输出。
控制电路包括DSP最小系统电路、频率输入电路、光耦隔离电路等。最小系统由DSP本身和可扩展数据SRAM、程序SRAM、复位电路、晶振、解码电路、电源转换电路和模拟接口JTAG电路组成,模拟接口JTAG电路在调试过程中加载数据代码和程序代码,以便进行在线仿真。频率输入电路设置系统输出的SPWM波的频率。光电耦合器隔离电路是为了可靠地隔离DSP输出的微弱电信号和主电路的强烈电信号。
主电路原理图由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)和IPM的吸收电路组成,如下图所示。主电路使用典型的AC-直-AC电压源通用变频器结构,输入功率级使用单相电桥无法控制的整流电路RB1,整流输出通过中间链路大电容器(C1-C4电容器组成)过滤,得到平滑的DC电压。逆变部分是电力装置IGBT的导通和阻塞,输出交变。
主回路原理图
脉冲电压序列。电源设备开关频率太高,会产生电压尖脉冲,因此必须吸收电路以消除尖峰。图中C5是C型吸收电路,R6 ~ R11和C6 ~ C11构成RC型吸收电路。发光二极管DS1用于显示滤波器容量两端的电。
下面详细介绍了回路和元件参数的各个部分。(控制马达参数为连接,额定功率为PN=60W,额定电压UN=220V,额定电流IN=0.28A,额定频率fN=50Hz,额定速度nN=1400r/min。)。
整流电路是由4个整流二极管组成的单相不可控整流桥,将电源的单相交流传播整流为直流。整流电路取决于变频器的输出功率大小。低功耗、输入电源多用220V,整流电路是单相全波整流桥。大功率,一般是三相380V电源,整流电路是三相桥式全波整流电路。本设计采用单相整流桥。
通过二极管峰值电流计算整流二极管:
im= in=
流过二极管电流的有效值:
)
二极管电流定额:
In=(2~3)Id=1.12~1.68A )
考虑滤波电容的充电电流影响,要有更大的电流裕量,选用In=10A。整流二极管的电压定额:
Un= Um=
=
)
选用Un=1000V。根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况,实际选用的单相整流桥为10A,1000V。
在整流电路中输出电压是脉动的,另外,在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动,为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉,使之变成平滑的直流电,必须在其后加上一个低通滤波电路。这里采用常用的电容滤波电路,在整流输出端并入大电容,整流输出直流电压含有很多偶次谐波,频率越高,电容容抗越小,分流作用越大,谐波被滤除的就越多,输出电压的平均值就越大。滤波电容除了滤除整流后的电压纹波外,还在整流电路与逆变器之间起去祸作用,以消除相互干扰,这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而,中间直流电路电容器的电容量必须较大,起到储能作用,所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。
在没有加入滤波电容时,单相整流桥输出平均直流电压为:
)
加上滤波电容后,Un的最高电压可达交流线电压的峰值:
)
假设输入电压的波动范围为200V~240V,当输入电压对应240V的输入,整流后的电压为324V。又设电源功率因数为0.9,那么每一个周期,电容吸收的能量为:
)
式中为电机输出功率,Upk为峰值电压,Umin为最小交流输入电压。考虑到纹波的需要,最小的交流输入电压应该在200V以上,所以有:
)
滤波电容理论上讲越大越好,实际中考虑价格我们选择4个450伏330μF的电解电容,分别两个并联后再2个串联,最后等效为一个耐压900伏330μF的电容。并联在电容两端的为均衡电阻,由于电容的各个参数不是完全相同,此均衡电阻使串联的电容分压相同,同时在电源关断时,给电容提供一个放电回路,此电阻阻值选用47kΩ。
逆变电路的功率开关器件选用的是以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为核心的智能功率模块(IPM)。
IPM的内部基本结构为IGBT单元组成的三相桥臂;(见附录1)
内含续流二极管;内置驱动电路、保护电路和报警输出电路。IPM管脚的功能如表1.1所示(见附录2)
IPM的选取:
IGBT正反向峰值电压为:
UM=
=
=
)
IGBT电压定额为:
0)
式中: 1.5——安全裕量
1.2——考虑大电容滤波后的电感升高系数
IGBT通态峰值电流为:
IM= IN=
×
=
1)
IGBT电流定额为:
IN= IM=
2)
式中:1.5——安全裕量
1.2——考虑电机的过载倍数
故可选用l0A/600V的IPM模块,型号为PM10CSJ060。
(4)续流电路
续流二极管的主要功能有:
1)电动机的绕组是电感性的,其电流具有无功分量。续流二极管为无功电流返回直流电源提供“通道”。
2)当频率下降、电动机再生制动状态时,再生电流将通过续流二极管返回直流回路。
3)IGBT(Q1~Q6)进行逆变的基本工作过程:同一桥臂的两个逆变管,处于不停的交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中,也不时地需要续流二极管提供通路。
(5)IPM逆变器开关频率的确定
在变频调速系统中,采用SPWM逆变电路可以大大降低逆变电路输出电压的谐波,使逆变电路的输出电流接近正弦波。谐波的减少取决于逆变电路功率元件的开关频率,而开关频率则受器件开关时间的限制。
尽管智能功率模块IPM的开关频率可达10~20kHz,但在确定逆变电路开关频率时,除了应使逆变电路输出接近正弦波,还要考虑器件的开关损耗,以保证变频调速系统具有较高的效率。因此,必须全面衡量后再确定采用IPM的逆变电路的开关频率。本系统开关频率选用1.8kHz。
IPM逆变驱动接口电路如图1.4所示(上桥臂只以U相为例)。(见附录3)
(1)驱动电源
1)当控制信号(栅极驱动)与主电流共用一个电流路径时,由于主回路有很高的di/dt,至使在具有寄生电感的功率回路产生感应电压,而导致可能感应到栅极把本来截止的IGBT导通。因此IPM驱动电源需要采用四组隔离电源。上桥臂每相各用一组电源,下桥臂三相共用一组。
2)驱动电源电压在13.5V~16.5V之间,IPM能够正常工作。若电源电压高于16.5V,则IGBT因驱动电源电压过高,保护性能得不到充分的保证,高于20V时IGBT管的栅极会损坏,因此绝对不能加如此高的电压。若电源电压低于13.5V,IGBT驱动电源电压不足,这时控制信号为无效操作。典型的工作电压一般取15V。
3)制作驱动电源时,应尽量降低纹波电压,还要使电源的附加噪声降到最小。可在控制电源输出端接10μF及0.1μF的滤波电容,保持电源平稳,修正线路阻抗。
(2)控制信号输入
控制电路电流 与开关频率
有关(见附录4),因此控制端加一个上拉电阻。上拉电阻应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声,但又要足够可靠地控制IPM。
在PWM信号输入端必须用高速光耦进行隔离,一般取光耦的开关速度tPLH、tPHL<0.8us、共模抑比CMR>l0kV/us,通常的型号有:HCPL4504,TLP559,6N136,并且在光耦输出端接一个0.1uF的退耦电容。
故障信号Fo使用时必须注意,当TFO=1.8ms(典型值)有效时,IPM会关断开关并使输入无效。在Fo结束后自动复位,同时输入有效。因而在Fo输出时系统必须在1.8ms内使PWM信号无效,等故障排除后方可重新有效。低速光耦可用于故障输出端。
本系统采用高性能的DSP(TMS320LF2407A)为控制核心,与频率输入电路、光耦隔离电路构成了结构比较简单的控制系统。
DSP目标板能为使用者提供一个方便的开发环境,开发者可以根据自己实际的使用情况设计不同的目标,本次研究使用的TMS320LF2407A目标板是能够开发使用DSP的最小系统板,它主要由TMS320LF2407A芯片、电源电路、时钟、片外数据/程序存储器、译码电路、JTAG仿真接口、外部总线扩展接口等组成。DSP最小系统框图如图所示:
图3.11 DSP最小系统框图
(1)电源电路
DSP最小系统仅由一个外部5V电源供电。由于LF2407A芯片供电电压只能是3.3V,所以在设计电路时,需要将5V电源变换为3.3V给CPU供电,因此使用了TI公司的5V电源转换芯片TPS767D301,该芯片最大输出电流为1A。电路如下图所示:
电源转换电路
(2)时钟
系统主时钟输出信号CLKOUT1是由片内时钟发生器产生的,其频率是源时钟信号CLKIN的分频或倍频。时钟发生器由两个独立元件、一个振荡器和一个锁相环(PLL)组成。内部振荡器CLKIN和CLKOUT1信号,使CLKOUT1=CLK1N/2。PLL可使CLKOUT1的频率是CLKIN频率的一个倍数,并将CLKOUT1的相位锁定在从CLKIN上。电路如下图所示。通过一个连接于XTAL1/CLKIN和XTAL2引脚之间的晶振产生源时钟信号,以启动内部振荡器。
时钟电路
(3)JTAG仿真接口电路
几乎所有的高速控制器和可编程器件都配有标准仿真接口JTAG,LF2407A也不例外。JTAG扫描逻辑电路用于仿真和测试,采用JTAG可实现在线仿真,同时也是调试过程装载数据、代码的唯一通道。通过JTAG接口可将仿真器与目标系统相连接。JTAG接口符合IEEE1149.1设计标准。为了与仿真器通信,DSP控制板必须带有14引脚的双排直插管座。LF240ADSP和14针仿真插座连接的电路如图3.15所示。
图3.15 JTAG引脚图
本变频调速系统对应的输出频率范围是0~60Hz,步进为1Hz,因此要求输入信号可以输入0到60中的任一个数。本系统采用8路拨段开关来输入8路高、低电平对应二进制数0、1,这8位二进制数的值就是输入的频率值,从而达到调节输入频率值的目的。拨段开关产生的这8路信号再连接到DSP的PE口,DSP采集这8路信号再在程序中作相应的处理以产生对应频率的输出信号。电路如下图所示。
频率信号输入电路
本系统设计时选择东芝公司的光电耦合器TLP559,该光耦的开关速度tPLH=0.5μs,tpHL==0.3μs、共模抑制比CMR>10kV/μs。电路连接时使光耦与IPM控制端子间的布线最短,布线阻抗最小。TLP559为发光二极管驱动方式,dv/dt的耐量小,故采用光耦阴极接限流电阻的驱动电路形式,电路如下图所示。
光耦隔离电路
附录1
IPM内部基本结构原理图
附录2
表1.1 IPM各管脚功能表
管脚
功能
VUPC(1)
上桥臂U相驱动电源+端输入
VFO(2)
上桥臂U相故障输出端(低有效)
UP(3)
上桥臂U相驱动信号输入端(低有效)
VUP1(4)
上桥臂U相驱动电源-端输入
VVPC(5)
上桥臂V相驱动电源+端输入
VFO(6)
上桥臂V相故障输出端(低有效)
VP(7)
上桥臂V相驱动信号输入端(低有效)
VVP1(8)
上桥臂V相驱动电源-端输入
VWPC(9)
上桥臂W相驱动电源+端输入
WFO(10)
上桥臂W相故障输出端(低有效)
WP(11)
上桥臂W相驱动信号输入端(低有效)
VWP1(12)
上桥臂W相驱动电源-端输入
VNC(13)
下桥臂共用驱动电源-端输入
VN1(14)
下桥臂共用驱动电源+端输入
UN(15)
下桥臂U相驱动信号输入端(低有效)
VN(16)
下桥臂V相驱动信号输入端(低有效)
WN(17)
下桥臂W相驱动信号输入端(低有效)
FO(18)
下桥臂共用故障信号输出端(低有效)
P(19)
直流侧输入+端
N(20)
直流侧输入-端
U(21)
逆变器三相输出端
V(22)
W(23)
附录3
IPM接口电路
附录4
控制端电流与开关频率的关系
单位mA
N端
P端
DC
20kHz
DC
20kHz
型号
Typ. Max.
Typ. Max.
Typ. Max.
Typ. Max.
PM10CSJ060
18 25
23 32
7 10
8 12
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