一种通用变频器技术研究和设计

摘 要： 基于TI公司TMS320F2812的用于交流电机调速采用通用变频器，在变频器中控制电路采用DSP代替传统的模拟控制芯片，由DSP产生PWM信号经隔离驱动控制逆变电路中的六个开关管通断，产生所需的三相交流电压，最后对应用于工业控制的交流电机进行调速。数字控制变频器提高了系统效率，降低并减小了变频器重量和体积，便于实现不同的控制策略。

　　从20世纪初，可调速传动的电动机在钢铁工业和汽车工业中就已获得了广泛的应用。用于交流电动机调速的调速系统主要是专用的模拟控制芯片，虽然采用模拟芯片的调速系统[1]具有设计简单、成本较低等优点，但是由于调试复杂、升级不便等问题一直困扰交流电机调速系统的发展。随着电力电子器件和数字控制技术的发展，各种通用的、高性能的交流传动控制系统相继诞生，多种交流调速技术[2]己经趋于成熟，运行可靠性很高，其性能指标可以做到与模拟控制调速系统一样，甚至完全可以取代模拟控制调速系统。

　　目前数字处理（DSP）技术逐渐成熟[3]，新一代DSP采用哈佛结构、流水线操作（即程序、数据存储器彼此独立），在每一时钟周期内完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作，从而大大减少了指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构、功能强大的寻址方式、灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得DSP不仅运算能力较单片机有了较大的提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。

　　1 数字控制变频器系统介绍

　　数字控制变频器系统主要由主电路和控制电路组成，主电路采用典型的电压型交－直－交通用变频器结构；控制电路主要包括DSP数字控制器，由DSP、驱动电路、检测电路、保护电路以及辅助电源电路组成。主电路和控制电路原理系统结构框图如图1所示。

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有英威腾、汇川、三 晶、紫日、雷诺尔、欧瑞（原烟台惠丰）、蓝海华腾。

　　1.1 主电路设计

　　数字控制变频器主电路[4]的原理结构图如图2所示，由滤波、整流、中间滤波、泵升吸收和逆变部分组成。输入功率级采用三相桥式不可控全波整流电路，整流输出经过中间环节大电容滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率管的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。

　　整流电路将交流动力电变为直流电，本系统采用不可控全波整流模块6RI75G-120。为防止电网或逆变器等产生的尖峰电压对整流电路的冲击，在直流输出侧并联了一个可吸收高频电压的聚脂乙烯电容C4，取值为0.22 μF。整流电路输出的直流电压含有脉动成分，逆变部分产生的脉动电流及负载变化也为直流电压脉动，由C1、C2滤波，取值为450 V、470 μF；R2、R3为均压电阻，取值为5 W、100 kΩ；R1为充电限流电阻。逆变部分电路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模块，其内部集成了2个IGBT单元，比较适合变频逆变驱动，其具体极限参数：集射极电压VCES=1 200 V ，结温80 ℃时集射极电流ICE=300 A，结温25 ℃时集射极电流ICE=480 A，允许过流600 A，时间为1 ms，功率损耗为1 450 W，门极驱动电压为±20 V。

　　如图2所示，TL、RL构成泵升电压吸收电路[5]，当电机负载进入制动状态时，反馈电流将向中间直流回路电容充电，导致直流电压上升。当直流电压上升到一定值时，控制TL导通，使这部分能量消耗在电阻RL上，确保变频器可靠安全地工作。此外，由J1常闭触点与R4组成断电能量释放电路。当系统发生故障或关机时，继电器J1断电，通过其常开触点，将变频器与电网断开；而常闭触点闭合，利用R4为中间回路大电容所储存的能量提高释放通道。