工业用振动棒变频电源的研制

摘要：以工业用振动棒的变频电源为研究对象，主要介绍了如何采用新的方法来设计替代现有电动机带发电机运行的产品的变频电源。根据产品所要求达到的性能指标，给出包括辅助开关电源电路、主电路以及控制电路的设计，并对样机的性能进行了简要分析。

关键词：工业用振动棒；变频调速电源；研制

1    引言

    作为一种变压变频的实用功率变换装置，变频器基本上涵盖了现代电力电子技术的几个重要方面，包括AC/DC、DC/DC和DC/AC。振动棒是一种小型建筑机械，主要用于制造混凝土制品和建造混凝土结构时，将混凝土填满型模，减少混凝土制件中的空洞和各种缺陷，有利于提高混凝土建筑质量^[1][2][3]。振动棒主要有两种：液压式和电动式。现有的工业用振动棒常用电动机带发电机组产生固定频率交流电的形式，而本文要研究的是利用变频电源代替这种供电方式。

2  变频电源主电路及控制电路的研制

    该变频电源要求的基本性能指标为，单相交流220V输入、三相交流200Hz输出，输出线电压为42V。由于振动棒是一个系列产品，因此为了驱动不同规格的振动棒，也就要求变频电源有不同的型号：带单负载运行的变频电源；可以带双负载运行的变频电源等。而且由于振动棒是一种手持式的电动工具，因此变频电源必须具有良好的电气性能，输入与输出之间要有良好的电气隔离，输出电压为安全电压42V。而且由于输出电压比输入要低，因此逆变电源还必须有一个降压的环节，下面针对这些指标，详述设计过程及分析实验结果。

2.1  主电路的设计

    图1为基本原理图。从图1可以看出，主电路主要包括输入整流、滤波和三相变频电路三部分。三相逆变部分采用的是富士公司的IPM，型号为6MBP15RY060。容量为15A、600V，最高开关频率为5kHz。选择这种IPM的原因在于它具有良好的性价比，已成为市场上的常用器件，虽然器件的最高开关频率只有5kHz，不可避免地会产生开关噪声，但是由于负载本身的噪声就很大，因此由于低开关频率而产生的开关噪声是可以接受的。

图1  基本原理图

    IPM需要4路相互独立的工作电源，同时，控制电路也需要1组工作电源，因此，辅助电源应该能提供至少5组相互独立的电源。根据这个特点，主回路采用单端反激式开关电源。

2.2  控制电路的设计

    从图1可以看出，控制电路的作用是产生控制脉冲并对保护信号进行相应地处理。在本方案中，采用的控制芯片是INTEL公司的16位单片机——8XC196MC。选用它的原因在于这种芯片所独具的特点——片内波形发生器WFG(Wave Form Generator)。WFG有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个死区时间（dead-time）发生器和一对可编程的输出。WFG可以产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、死区时间和操作方式。一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。也正是由于有了这个外设，使得用于产生同步脉冲调制波形的控制软件和硬件大大简化，因此这种芯片特别适用于控制3相交流感应电机，也被应用在控制直流无刷电机和其他需要多个PWM输出的装置。而且，这种芯片具有良好的抗干扰能力。前文已经提到，由于应用场合的限制，要求本文所设计的变频电源具有良好的抗干扰能力，实验证明了8XC196MC完全满足设计要求。下面将对本方案中的程序设计做一个简单的介绍。

2.3  V/f曲线的设定

    在电机控制中，为了充分利用电机并防止电机产生磁密饱和，在改变变频器的频率时，需要同时改变它的输出电压幅值。在本方案中，启动过程采用的是恒定V/f控制，如图2所示。因为振动棒正常工作时是工作在恒压（线电压42V）恒频（200Hz）的条件下，在稳定工作时，不容易进行转速的调节。但是为了减小启动电流，采用了变频调速来实现平滑启动。振动棒电机始终工作在恒转矩区，在输出达到额定频率（200Hz）前，电机输入电压幅值与频率（电机转速）成线性关系。V/f曲线和正弦波的数据都是以表格的形式存放在EPROM中的，这样可以减少CPU的计算量，减轻CPU的负担，在程序中直接通过查表就可以得到所需要的数值。

图2  恒定V/f比值控制

3  性能分析

    1）效率方案的最大特点就是简单可靠，而且由于中间环节少，因此整机的效率较高。单机在额定运行时效率可达94％，带双负载运行时实测效率要低一些，能够达到92％左右。

    2）软启动与双负载运行由于产品的启动时间没有特殊要求，启动过程可以在几秒的范围内完成，为了减小启动电流，采用了用软件来设定启动时间的方法，即在程序设计中，启动频率设定在10Hz，在升速过程中频率是逐步上升到200Hz的，这就相当于一个软启动的过程。实现起来简单而且廉价。同时变频电源可以带双负载运行，因此就要考虑到双电机运行时的工作模式。上面所讲的软启动的方法适用于单电机启动和双电机同时启动。在现场调试时发现，当一台电机已经处于正常工作状态时启动另一台电机，这时的启动电流就比较大（可以参考实验波形），这对主电路的开关器件而言是一个冲击，为了保证负载能继续正常运行，就要加大开关器件的容量。因此，根据不同的使用要求，可以考虑选择不同容量的IPM模块。

    3）成本核算作为一个产品，除了可靠性以外，成本也是一个很重要的因素。在这个方案中，有四个部分对成本的影响最大：控制芯片（8XC196MC的单价为100元）、平波电解电容（470μF/450V的单价为35元）、逆变模块IPM（600V、15A、最高开关频率为5kHz的IPM的价格是200元）和低频隔离变压器（300W的变压器价格为220元）。开关电源的成本很小，实验样机的总体成本在600元左右。当然，实验样机的花费不能代表产品的最终成本，因为随着产品批量的扩大，元器件的平均价格必然会下降，其中下降幅度最大的将是控制芯片和变压器，因为1000片的单价就可以降到40元左右，批量的变压器单价也可以下降到130元左右。这样整个逆变电源的成本就可以降低到400元左右。

    图3是一组单负载运行时的负载电压和电流波形。波形中可以体现出电源的软启动功能。

(a)10Hz时电压及电流波形

(b)20Hz时电压及电流波形

(c)200Hz时电压及电流波形

图3  电压及电流波形

4  结语

    完成了振动棒变频电源工业样机一台，经过现场实际测试，达到了设计要求，现已移交生产企业。