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杜尚丰

1  引言
单相变频器市场潜力很大，特别是在轻工业、农业工程领域（有大量的泵机、风机）能源紧张的情况下，其国内市场看好。作者提出双CPU协作控制方案，采用低成本的器件设计了单相变频器。本变频器功率375W~5KW，能满足轻工、农业工程中的风机、泵机控制的一般要求。
2  系统框图及工作原理
系统由控制电路和整流逆变器主电路组成，如图1所示。控制电路由两个控制板组成，分别称主控CPU板，副控CPU板。主副控板通过串口通讯协同工作，产生变频SPWM信号，通过驱动电路供给逆变电路门控极。采用两片CPU协同作业目的就是提高运算及操作速度，以满足调速系统实时性要求。考虑t00时间约束问题，主控CPU板产生调频信号严格遵循互锁规则，变频器主电路由整流、滤波、过压保护和逆变电路单元组成。
 

图1  系统原理框图

220VAC经过整流电路后提供给变频器。如果门极信号G1、G4逻辑电平为0，G2、G3的逻辑电平为1，IGBT2、IGBT3导通，IGBT1、IGBT4截止，Vab>0；如果门极信号G1、G4逻辑电平1，G2、G3的逻辑电平为0，IGBT1、IGBT4导通，IGBT2、IGBT3截止，则Vab<0。如此进行逻辑切换，Vab生成交变电压。整体逻辑切换由主控CPU板完成。
3  调频信号生成
调频信号由主CPU生成，定时器T0设定为定时中断方式，定时中断频率为调频信号的频率，改变定时器T0定时时间常数就等于改变了调频信号的频率。调频信号波形如图2所示。
 

图2  调频信号波形

图2中t00是为保证一对IGBT可靠关断后再开通另一对IGBT而设置的，这样就避免同一桥臂两个IGBT同时导通。这是一种软件保护法。
4  变频方式
按其工作原理，变频方式有三种：V/f控制变频器；转差频率控制变频器；矢量控制变频器。其中V/f方式是一种简便易行的控制方式，尽管精度有限，但在轻工、农业工程中可得到广泛应用。V/f=常数是V/f控制的一般性规则，就是在整个调整范围内异步电动机的磁通保持不变。在调速过程中就需要调整f的同时，还要调速V，这是一个问题；另一个问题是异步机在低频区运行时，电动机绕组中的电阻压降不可忽略，为了保证电动机的恒转矩特性，必须对电压进行补偿；第三个问题是调速系统的载波比N的选择要合适，尽可能地满足冲量原理，以保证电动机的平稳运行。在本设计中，对这三个问题进行了平衡考虑。主控CPU板给定调频信号，并把调频信号的周期通过串口传给副控CPU板。副控CPU板根据调频信号周期综合考虑以上三个问题后生成SPWM信号，通过I/O传给主控CPU板。
5  SPWM信号的生成
主CPU板把调频信号周期送给副CPU板，副CPU板据此由定时器T0生成PWM信号并由副CPU板的I/O口输出，PWM信号送给主控CPU板与调频信号合成SPWM信号如图3所示。 

图3  SPWM 波形

6  制动功能
如果被控电机需紧急制动，可以通过主控板上的按键来实现，工作过程是先封锁IGBT门极信号，然后开通一对IGBT把直流电供给单相电动机。当速度传感器的输出电压为零时，说明电动机的转速为零，这时封锁开通的IGBT门极信号从而实现了紧急制动。
7  系统保护及抗干扰方法
抗干扰技术是单片机系统设计关键性问题之一，本系统采用开关电源供电，外加特制滤波器，使各路电源互不干扰。在设计电路板时也进行了优化，高频与低频信号线分开。强弱电实现光电隔离，使整机抗干扰性能大为提高。Watch-dog在恶劣的环境下很少被激活。系统有过流过压保护，使用高灵敏度霍尔元件检测电流，通过检测电流及电流的变化率的大小确定一般过流还是短路（一桥臂两功率管同时导通），进而做出封锁IGBT门极信号的决策。如果频繁发生过流，系统会自动报警停机，并提示需要维修；过压保护在变频器直流侧加电阻――功率三极管保护，过压时功率管导通，过压产生的能量迅速消失在电阻上。

8  实验结果及分析
实验设备有：测转速的光电传感器（输出脉冲）；霍尔电流传感器，检测电流0～50A，输出电压0～5VDC；单相异步电动机，额定电压220VAC，额定电流0.14A，功率35W；及一些辅助设备等。调速实验：变化频率10～20Hz、21～70Hz、71～500Hz。在低频段电动机的转矩减小，主要是电动机绕组中的电阻上的电压与电抗上的电压相对比增大，此时需电压补偿才能获得较大的转矩；在中频段，基本维持恒转矩，调整平稳；在高频段，由于额定电压受限，V/f比随频率增大而变小，电动机的磁通也随之变小，转矩也逐步减小。限定功率实验：尽管同一桥臂的两只IGBT导通，也不会损坏IGBT。顺利通过了制动、过电流和过电压实验。当不加任何约束进行人为短路破坏性实验时，IGBT中的电流变化率急剧上升，瞬间能量不能通过散热器件释放，造成IGBT爆炸。由于经费有限，没有进行其他极限参数实验。这类变频器成本低，精度有限，适用于调速范围不太宽的轻工、农业工程领域。