新型工业振动棒变频电源的研制

摘要：介绍了一种新型的应用于工业振动棒的变频电源，它大大改进了现有振动棒电源体积和重量大的缺陷，详细介绍了几个重要部分电路的设计，并通过各部分的分析和实验说明本设计具有体积小，重量轻，高性能等多方面优点。

关键词：有源功率因数校正；正激变换器；振动棒；变频调速

0 引言

随着电力电子技术，微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，使得由变频器组成的交流电机变频调速系统迅速发展成熟起来，并得到了越来越广泛的应用。

现有的振动棒产品基本上都是一种电动机带发电机，再由发电机提供200Hz交流电，带动高速振动棒电机运行的工作状态。其突出的缺点是体积和重量都比较大，对现场施工造成使用和移动上的很大不便。本文研究的重点是将交流变频调速技术，应用在振动棒这一种小型建筑用机械上，开发一种新型变频电源。在实现振动棒功能的同时使整机的体积和重量都大幅减小，并提高输入端的功率因数，稳定输出端的电压和频率，还能降低产品的成本。该变频电源基本性能指标如下：供振动器的内置式异步偏心式振动电机的电源频率为200Hz，单相输入，三相输出，电机的线电压为42V，单机功率为350W，要求能带双机运行。

1 电压型逆变器的主电路

变频电源不但要实现变压和变频功能，还要使输入与输出实现电气隔离，并且还要满足电网的谐波要求，其基本结构一般均包括 AC/DC， DC/DC和DC/AC等几个重要部分。

本电源主电路由APFC前级，DC/DC和三相逆变3个部分构成。输入经全桥不控整流后，用Boost电路作为APFC的电路拓扑进行电压预调节。DC/DC部分采用单端正激变换器实现降压和隔离的功能。三相逆变部分则采用SPWM控制方式，其基本结构如图1所示。由于采用了功率因数校正技术，因此输入功率因数高，电网侧电流谐波小，对电网的谐波污染很小；而且当电网电压波动或负载变化时，由于DC/DC环节的控制可以保持三相逆变部分的直流侧电压稳定，从而使系统的输出电压稳定，而不需要通过调节三相逆变部分的调制深度来改变输出电压的大小，因此，对逆变部分的控制芯片的要求就可以降低，可以采用比较廉价的CPU。另外，由于是低压逆变，则可采用低压MOS管作为逆变电路的功率开关管。

图1 逆变电源的基本原理框图

2 有源功率因数校正（APFC）电路

采用平均电流控制的Boost电路来实现APFC，是目前在高频开关电源中使用最广泛的一种APFC控制方法。应用平均电流控制法的功率因数校正器的控制电路在市场上已有很多种集成电路芯片可供选择，其中美国Unitrode公司的UC3854是很有代表性的一种，并在实际中得到了较广泛的应用。在本方案中，就是采用Unitrode公司的UC3854芯片来实现的，其电路原理图如图2所示，输入端电压电流实验结果如图3所示。实际电压和图中电压对应关系为为1V∶1V，实际电流和图中电流对应关系为4A∶1V。

图2 UC3854功率因数校正电路原理图

图3 校正电路实验波形

3 正激（Forward）变换器的设计

振动棒是一种手持式电动产品，为了操作人员的人身安全，输入与输出之间要实现电气隔离。APFC前级的输入与输出是没有隔离的，实现隔离的功能是由DC/DC部分完成的。由于采用的是高频DC/DC变换电路，因此变压器的体积可以做得很小。另外，由于APFC的输出电压大约为350～400V，考虑到后面逆变电路开关管的电压应力问题，DC/DC部分应该还具有降压的功能。基于这种考虑，在本方案中，DC/DC部分采用的是正激变换电路（Forward Converter）。正激变换器的最大优点是结构简单，可靠性高，减少了成本和重量。考虑变压器的磁复位问题，本方案采用如图4所示的电路。在开关管导通时，变压器传输能量，在开关管关断时，输出二极管D₁反偏没有能量泄放回路，磁化能量将引起较大的反压加在MOS管的漏极和源极之间。采用N₂线圈的作用就在于经二极管D可以把储存的能量返回到电源中。只要N₂和N₁的匝数相同，开关管承受的漏－源电压就为2V_s。采用N₁与N₂两个绕组双线并绕的方法，可以减小漏感。在图4电路中，功率开关的控制芯片采用的是Unitrode公司的UC3844。

图4 带去磁复位的Forward电路原理图

4 三相逆变器控制、驱动与保护电路的设计

4.1 逆变控制电路的设计

由于本方案逆变部分不需要通过调节调制深度来改变输出电压的大小，仅须实现变频功能就可以，故控制电路采用的芯片是INTEL的87C51FX系列的8位单片机，价格比通用的Intel196单片机大大降低，而性能足够。一般而言，应用CPU产生PWM的典型用法是采用定时的方法，在定时中断中通过查询的方式来确定三相的输出。但是，这