北京華儀芯源電子有限公司
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1引言
單相交流感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速在許多消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品（電扇、洗衣機(jī)等）及工業(yè)類(lèi)產(chǎn)品（鼓風(fēng)機(jī)、泵等）中應(yīng)用廣泛，人們可以使用單相通用變頻器，但通用變頻器價(jià)格較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，只能安裝在電機(jī)外部，既增加了使用的不方便，過(guò)多的設(shè)定功能又造成了浪費(fèi)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種小型的單相電機(jī)智能變頻控制電路，它只需一塊ic控制器ml4421，一塊ipm功率放大驅(qū)動(dòng)模塊，一些電容電阻，無(wú)需軟件開(kāi)發(fā)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，還可以放入一般的感應(yīng)電機(jī)內(nèi)，即可以實(shí)現(xiàn)變頻器機(jī)電一體化，又增加了安裝使用的方便。
2控制電路
設(shè)計(jì)控制電路使用microlinear公司生產(chǎn)的單相電機(jī)變頻控制的芯片ml4421，它是一個(gè)外部連接簡(jiǎn)單、功能全面的pwm智能控制芯片。它內(nèi)部固化了控制程序，自帶兩路互差90°的波形發(fā)生器、pwm調(diào)制器和轉(zhuǎn)差控制，工作于真正的線性比例、積分和微分（pid）反饋環(huán)路，提供10:1的速度控制范圍，提供恒定的、可編程的v/f比值。由于沒(méi)有軟件編程的要求，節(jié)省了開(kāi)發(fā)成本。ml4421的接線如圖1。說(shuō)明如下:
圖1ml4421的接線
（1）1、2腳接來(lái)自電流互感器的電機(jī)電流反饋輸入，isa、isb共同構(gòu)成微分輸入，檢測(cè)a相的電流、電壓和電流的相位差，然后與前端電壓反饋共同決定給定相位角（精密轉(zhuǎn)差控制時(shí)才有效）;（2）3腳是轉(zhuǎn)差角設(shè)定（精密轉(zhuǎn)差控制時(shí)才有效）;
（3）4腳精密轉(zhuǎn)差控制時(shí)微調(diào)正弦波的幅值，該腳接地時(shí)，不進(jìn)行精密轉(zhuǎn)差控制;
（4）通過(guò)調(diào)節(jié)6腳的輸入電壓可以控制正弦波的幅值、頻率。設(shè)c0為0°正弦波發(fā)生器起振電容，則0°正弦調(diào)制波頻率f=（r6/r5）/（2×c0×0.356），同理可得90°正弦調(diào)制波頻率;
（5）選擇8腳上不同的電阻r8，可設(shè)置死區(qū)時(shí)間t，t=r8/（5.2×104）;
（6）9、10接正弦波發(fā)生器起振電容c0、c1，11腳設(shè)置復(fù)位時(shí)間，12腳設(shè)置pwm載波頻率,載波（三角波）頻率f=vref/（rref×7.2×cpwm）;
（7）13腳正反轉(zhuǎn)選擇，在驅(qū)動(dòng)雙相電機(jī)時(shí)控制其高低電平可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn);（8）14腳制動(dòng)時(shí)間選擇，15腳過(guò)流保護(hù)輸入來(lái)自電流變換器，限流保護(hù)電阻r15=0.5v/imax;16、25腳正弦波測(cè)試點(diǎn);
（9）18～23腳驅(qū)動(dòng)6路pwm波形輸出，18～20低端輸出，21～23輸出;（10）26～28腳接電壓反饋輸入，該電壓指電機(jī)兩個(gè)相位的pwm輸出電壓進(jìn)行分壓后的平均值。以上電容、電阻等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，選擇不同的數(shù)值，以滿足不同的控制效果[1]。
3 主回路及驅(qū)動(dòng)回路
傳統(tǒng)的變頻器的功率驅(qū)動(dòng)和逆變電路有兩個(gè)模塊組成，現(xiàn)在這兩部分由一個(gè)體積不大的ipm功率模塊就可完成。ipm由高速、低功率igbt，優(yōu)選的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)電路構(gòu)成。其中，igbt是gtr和mosfet的復(fù)合，由mosfet驅(qū)動(dòng)gtr，因而ipm具有g(shù)tr高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、mosfet高輸入阻抗、高開(kāi)關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)，保護(hù)功能有控制電源欠壓鎖定保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)，當(dāng)其中任一種保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)。ipm將輸出故障信號(hào)fo。因此，ipm功率模塊功能強(qiáng)大，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。為了保證變頻調(diào)速時(shí)，單相電機(jī)主副繞組嚴(yán)格相差90°，主回路選用三相全橋逆變，每個(gè)繞組都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的全橋逆變器，取消了分相電容，克服了由分相電容引起的頻率不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，并且具有較高的直流母線電壓利用率[2]。因此選用6單元的三菱pm20csj060（20a/600v）驅(qū)動(dòng)0.75kw的單相交流感應(yīng)電機(jī)[3]。
ipm接線如圖2，n、p引腳接直流電源，直流電源信號(hào)經(jīng)單相整流電路或直流母線獲得。為了防止外部信號(hào)干擾，在ml4421和ipm之間加入了光電隔離電路，pwm波形輸入端選用高速光藕hcpl4504，故障輸出端和制動(dòng)輸入端選用低速光耦pc817，選用隔離電源m57140l，m57140l可提供四組+15v的隔離電源。up、vp、wp、un、vn、wn分別經(jīng)過(guò)高速光藕接ml4421輸出的6路pwm波形（ha、hc、hb、la、lc、lb），u、v分別接電機(jī)兩相繞組，旁路電容取0.01uf。
圖2ipm的接線
