基于IGBT與實時電能監測技術的通用變頻器設計

宋冰倩,李宗翰,楊卜銘,張文逸,王雅婧（華北電力大學 電氣與電子工程學院,北京 102206）

基于IGBT與實時電能監測技術的通用變頻器設計

宋冰倩,李宗翰,楊卜銘,張文逸,王雅婧
（華北電力大學 電氣與電子工程學院,北京 102206）

本文研究了一種具備實時電能監測功能的低成本通用變頻器。變頻控制部分的控制核心采用HT46R232單片機，逆變電路元件采用了IGBT大功率器件，SPWM波形生成算法采用等效面積算法；電能監測部分采用互感器進行電流采樣，ATT7022B單片機進行功率計算，MSP430F194單片機作為核心控制部分。實驗結果表明，該變頻器在原有的傳統變頻器基礎上可以實時監測電量消耗，并且操作簡易、工作可靠、運行安全穩定、數據讀取準確，可廣泛應用于家用電器和工業設備中。

電能監測；變頻；HT46R232；ATT7022B；MSP430F194；IGBT；等效面積算法

0 引言

國家近期出臺了促進節能服務產業發展的相關政策，對企業實施節能改造給予支持，切實加強用能管理，加強對各地區高耗能行業用電量高耗能產品產量等情況的跟蹤監測，對能源消費和高耗能產業增長過快的地區合理控制能源供應，切實改變無節制供應能源、使用能源的現象。

為了響應國家綠色中國、節能減排政策號召，創造低碳生活，幫助用戶實時監測用電量，本文在分析了變頻器基本原理的基礎上，設計了一種以HT46R232單片機為控制核心并且能對電能消耗量實時顯示的通用變頻器。

1 變頻器整體構造

變頻器是指將頻率、電壓不可控的工頻電源在電力半導體器件的通斷作用下變換為頻率可控的交流電源。采用交-直-交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，再把直流電源轉換成可控頻率、電壓的交流電源來供給電動機。電能監測部分采集用電器的電壓、電流、幅值及相位角，進行功率計算，并通過單片機控制和LED進行數據存儲和顯示。

基于以上原理，本文設計的變頻器可分為兩部分，第一部分為變頻控制部分，第二部分為電能監測部分，其系統的總體設計如圖1所示。下面，將分兩部分對本設計進行闡述。

圖1 變頻器整體構造

2 電能監測部分

電能測量部分主要由數據采集模塊、功率計量模塊、核心控制模塊組成。從用電器采集數據，由功率計量模塊對數據進行處理計算，最終由核心控制模塊進行存儲、讀取及LED顯示。電能監測系統框圖如圖2。

2.1 數據采集模塊

電路中用電器件的功率取決于電流和電壓，包括它們各自的幅值和相位角。電壓已知為市電單相220V，只需求出電流。制作時用萬用電路板焊接了信號采集和轉換模塊，采集電路中的電流信號，用電流互感器進行比例縮小，加載到電阻上，采樣電阻上的電壓信號，然后進行放大、整流、濾波，將其變成穩定的直流信號。由于電流互感器有額定輸出功率，加在負載上的電壓難以和電路中的電流保持線性關系，所以要調節好負載在電流互感器兩端的電阻值大小，使電壓和電流成線性關系。最后穩定的直流信號就是與電路中電流有關的信號。

2.2 功率計量模塊

功率計量部分采用ATT7022B單片機，根據數據采集模塊采樣到的數據計算有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率等。由于萬能板空間占比大，不能很好地集成以及與主控制電路連接，故采用印制PCB板，包括傳感器電路板、最小系統和控制電路板、功率計量電路板等。

2.3 核心控制模塊

本模塊包括七個部分：單片機及其外圍電路、鍵盤數碼管顯示電路、串行通信電路、非易失性存儲器電路、液晶顯示電路、計時電路、D/A轉換電路。單片機采用MSP430F194執行程序，實現鍵盤輸入控制、LED顯示等功能，使用微耗的液晶顯示屏，顯示用電器的功率和耗電量、輸入電壓、累計時間等參數。

圖2 電能監測系統框圖

3 變頻控制部分

變頻調速技術通過改變電動機工作電源頻率從而改變電機轉速，基本原理是：

（式中s、p、n、f分別表示電機轉差率、電機磁極對數、轉速、輸入頻率）。

在變頻器內， EMI 線濾波器對市電中的單相220V交流電源進行濾波，將外界電網的高頻脈沖干擾濾除，從而避免變頻器外部受到開關電源的電磁干擾，電流經過大容濾波和硅橋整流，在直流母線上得到穩定的直流電壓。在單片機的控制下，該直流電壓經過三相橋式逆變電路逆變后，可輸出交流電。該交流電含一小部分諧波，經過一級小容量的無源濾波網絡后，在輸出端獲得正弦輸出電壓。

本設計采用主、從兩片單片機進行控制，主單片機實現頻率電壓編碼輸出控制、LED 顯示及鍵盤輸入控制等，從單片機主要使用SPWM調制方式，具有高效率、低噪聲等優點。

3.1 逆變功率模塊

逆變功率模塊分為整流電路和逆變電路:

（1） 800V/8A 硅整流橋的整流器，將 220 V交流電整流成直流電，直流電壓通過大容濾波電路濾波，此時直流電壓值為輸入交流電壓的峰值，即

（2） 由IGBT 組成的逆變橋，具有驅動功率小而飽和壓降低的優點，將單片機傳輸的三相六路SPWM 波信號放大并合成三相交流電，將整流濾波得到的直流電逆變成頻率可調的交流電。

由于功率可達2000W及以上，為保護電路，首先將兩個瞬間吸收過壓高于1500W的瞬態抑制二極管串聯從而實現瞬間過壓保護；然后采用快恢復二極管進行續流保護，避免因電動機產生反電勢而導致IGBT損壞。

3.2 信號驅動模塊

變頻器中采用 IGBT的功率輸出級具有簡單的驅動電路，較高的開關頻率，并且用于通用變頻器時，可以降低負載電動機的噪聲。IGBT還可使電動機轉矩的脈動和電動機的損耗減小。由于IGBT是電壓驅動型器件，因而可以降低成本，提高可靠性，使裝置更加緊湊。IGBT的常用驅動方法：分立元件驅動、脈沖變壓器驅動和專用芯片驅動等。

逆變模塊中組成三相逆變橋采用的是IGBT，為了滿足上橋臂的三個 IGBT 需要可靠驅動要求，我們采用自舉電壓驅動專用芯片 IR2110，并對其典型外圍器件改進，使輸入輸出的高低電平和正負電壓保持對應關系，且電源電位恒為20V，便可控制IGBT 。由LM311及TL413構成的過流保護電路能即時判斷電路過流情況，進而關斷IR2110脈沖輸出，起到保護電路的作用。

圖3 信號驅動電路原理圖

3.3 核心控制模塊

變頻器的核心控制模塊主單片機用HT46R232單片機，該單片機編程靈活，具備 4K 的程序存儲器及 192 Byte 的數據存儲器，可作為信號輸出元件。8 通道 10位分辨率 A/D 轉換輸入，40 個 I/O 管腳可應用于多輸入及輸出控制的裝置，使外圍器件更加簡潔，具有極高的抗干擾能力，是一種高集成度低成本的MCU芯片。主單片機輸出信號后，對由單片機通過 SPWM 波生成算法編程，從而使六路SPWM 信號輸出，接著驅動三相逆變橋，同時主單片機也實現了輸出頻率的顯示功能和步進控制。

SPWM波形生成算法：等效面積法、有規則采樣法和自然采樣法。自然采樣法難以實時控制，規則采樣法可用計算機快速計算脈沖寬度和脈沖間隔時間，等面積法的諧波較規則采樣法的諧波較少。并且實驗表明采用等效面積法產生的 SPWM 波形具有輸出波形諧波小、精度高、對稱性好等優點[3]。

所謂等效面積算法，即N 等分一個正弦半波，用面積相同的等高矩形脈沖代替每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的部分面積，將N個寬度不等幅值相等的矩形脈沖所構成的波形近似等效為正弦半波，矩形脈沖的中點和正弦波每一等分的中點重合。可以由計算得到脈沖波形的開關時刻和寬度。

如圖 4所示，脈沖寬度為δ，在區間[ t，t+Δt]：

關斷IGBT:

開啟IGBT:

N等分正弦信號的正半周為π/N rad，圖中脈沖高度Us/2，設直流電源電壓為Us，調制深度為M，脈沖寬度為δk。則第K個 SPWM脈沖與第K份正弦波面積相等，δk的值解得:

圖 4 等效面積控制算法波形圖

由此得到與頻率對應關系的 IGBT 的開關時刻。在等效面積算法中，正弦波在一個周期內劃分的等份越多，合成后三相波形越接近正弦波形、各個波頭的間隙越小。

3.4 電源部分

信號單片機工作電源和驅動電源組成了電源模塊。220V/9V 變壓器將220V交流電被隔離降壓，變為有效值為9V的交流電，整流濾波后，三端穩壓器將由交流電提供，單片機由輸出 5V 直流電壓供給工作；另外信號驅動電源被工頻變壓器降壓后，通過三端穩壓器產生的20V/1A 直流電源。

4 結論

本設計中變頻控制部分的控制核心采用HT46R232單片機，逆變電路元件采用了IGBT大功率器件，SPWM波形生成算法采用等效面積算法，從而驅動三相逆變橋電路，運行時效率高、噪聲低、精度高；電能監測部分采用互感器進行電流采樣，ATT7022B單片機進行功率計算，MSP430F194單片機進行核心控制，能夠對電量消耗進行實時高精度監測。

本設計的創新點為： 作為變頻器逆變器件的IGBT，好處在于其保護和驅動電路；本文在傳統變頻器的基礎上增加了電能消耗實時監測，幫助用戶更直觀地了解用電情況，獲取節能信息。經實驗驗證，該變頻器操作簡便、工作可靠、運行安全穩定、數據讀取準確，在家用電器和工業設備中有良好的應用前景。

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