基于芯片MC3PHAC的三相工頻逆變器的研制

閆鴻魁，王 超，林 莘，馮 驥

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 遼寧省電網(wǎng)安全運行與監(jiān)測重點實驗室，沈陽 110870； 2.沈陽工程學(xué)院 自動化學(xué)院，沈陽 110036；3.沈陽變壓器研究院股份有限公司，沈陽 110122)

0 引 言

新型控制電動機變頻芯片MC3PHAC，具有單片智能化結(jié)構(gòu)，把編寫好的電機變速控制程序編譯到電動機中，可實現(xiàn)復(fù)雜的電動機調(diào)速功能，投資費用低。本文通過對芯片相應(yīng)引腳的設(shè)置，讓其輸出工頻50 Hz的SPWM波，性能穩(wěn)定可靠，同時提供了相應(yīng)的通訊標(biāo)準(zhǔn)與主機控制軟件PC Master，該模式要求PC或微處理器的配合才能執(zhí)行，所有系統(tǒng)參數(shù)都由PC輸入。

1 MC3PHAC的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)定

1.1 組成和引腳的功能特點

MC3PHAC是一種新型控制電動機變頻芯片，該芯片產(chǎn)生頻率可變、電壓可調(diào)的三相六路輸出波形，在基波頻率中疊加了一個三次諧波，目的是提高直流電壓的使用率[1-3]。為了使輸出的PWM波更加穩(wěn)定，在MC3PHAC讀取直流電壓時，將補償電路設(shè)計在該芯片里。在孤立模式下MC3PHAC配置如圖1所示。該芯片用于逆變負(fù)載控制時的原理如圖2所示[4]。

圖1 孤立模式下的MC3PHAC配置電路

圖2 MC3PHAC用于逆變控制原理示意圖

圖1中，引腳ACCEL控制電動機的加減速度，本文通過滑動變阻器W1調(diào)節(jié)相應(yīng)的加減速；引腳SPEED控制電動機速度，頻率是1 Hz～128 Hz之間的任意值，定標(biāo)系數(shù)為25.6 Hz/V ，因此，本文通過滑動變阻器W2將電壓調(diào)節(jié)到1.95 V，使其輸出工頻50 Hz的SPWM波；引腳START是決定電機是否運行，低電平有效；引腳PWMPOL_BASEFREQ(引腳8)確定PWM極性和基頻50 Hz或60 Hz，對應(yīng)4種PWM調(diào)制頻率，通過跳線J1-J4進(jìn)行選取。將引腳PWMFREQ_RxD(引腳16)設(shè)為低電平有效，并且在引腳MUX_IN上取相應(yīng)的電壓；將引腳 DT_FAULTOUT(引腳19)設(shè)為低電平有效，并且在引腳MUX_IN上取相應(yīng)的電壓。

1.2 運行模式的選擇

芯片MC3PHAC控制交流負(fù)載工作時有兩種控制方式：一種是微機軟件主控方式，另一種是獨立控制方式。芯片處于哪種模式下，由控制引腳BOOST_MODE 的電平?jīng)Q定。當(dāng)引腳BOOST_MODE為高電平有效時，芯片MC3PHAC的獨立控制方式啟動。在整個運行過程中，芯片實時采集電子器件的參數(shù)，芯片MC3PHAC周圍的元器件參數(shù)在孤立模式下系統(tǒng)運行。當(dāng)引腳VBOOST_MODE復(fù)位或設(shè)為低電平時，微機軟件主控方式啟動，PC機或微處理器輸入所有系統(tǒng)的參數(shù)，它們之間的運行需要配合[5-7]。

2 三相工頻逆變器的軟、硬件設(shè)計

本文研制的工頻逆變器由芯片MC3PHAC及相關(guān)電路模塊、IGBT開關(guān)量輸出模塊、信號處理模塊、電源模塊、時鐘模塊等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示[8-9]。

圖3 工頻逆變器硬件框圖

本文研制的的三相工頻逆變器是基于芯片MC3PHAC，通過控制芯片各個引腳的參數(shù)使其輸出三相PWM波[10]，IGBT開關(guān)量輸出模塊通過控制PWM波控制IGBT的通斷，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，使其輸出工頻的三相交流電源。

2.1 觸發(fā)IGBT產(chǎn)生PWM波硬件電路

觸發(fā)IGBT產(chǎn)生PWM波硬件電路如圖4所示。本文設(shè)計的逆變器需要通過芯片MC3PHAC產(chǎn)生三相PWM波來觸發(fā)IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷，分為每相正、負(fù)各6個輸出信號組成。圖4中，U+端子排輸出端觸發(fā)IGBT的三個電極，CU1、CU2、CU3、CU4為電解電容，提供穩(wěn)壓、濾波的作用，電阻提供分壓的作用，通過PU+端子連接到一起[11-13]。

圖4 觸發(fā)IGBT產(chǎn)生PWM波硬件電路

2.2 IGBT驅(qū)動電路

IGBT驅(qū)動電路如圖5所示。IGBT驅(qū)動電路是一種保護(hù)電路，同時通過驅(qū)動IGBT模塊的開斷使其正常工作。D1為瞬態(tài)抑制二極管，抑制浪涌電流，將低電阻值的狀態(tài)呈現(xiàn)在正負(fù)極間，為了防止電子器件的損壞，預(yù)先設(shè)置一個電壓數(shù)值置于正負(fù)極間[14]。具體參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 IGBT驅(qū)動電路

2.3 三相工頻逆變器的軟件設(shè)計

本文研制的工頻逆變器是基于芯片MC3PHAC的孤立模式下，通過各個引腳的參數(shù)設(shè)置來產(chǎn)生PWM波，進(jìn)而觸發(fā)IGBT開通、關(guān)斷，整個控制過程如圖6所示。

圖6 逆變器控制流程圖

同時，孤立模式下各個引腳的參數(shù)需要設(shè)定，這里包括電網(wǎng)頻率的選擇即通過引腳PWMPOL_BASEFREQ來設(shè)定；啟動停止通過START來設(shè)定[15]；引腳SPEED規(guī)定了輸出頻率，范圍是1 Hz～128 Hz對應(yīng)電壓是0～5 V，即25.6 Hz/V，當(dāng)引腳SPEED輸入1.95 V時，該芯片輸出工頻50 Hz的PWM波。

3 兩種運行模式下的功能驗證實驗

3.1 PC主控軟件模式下的功能性驗證

微機軟件主控方式下為其提供了更完善的功能操作模式、本地控制和在線監(jiān)測控制的功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄，顯示波形與變量的觀察等三種功能，同時發(fā)送數(shù)據(jù)和命令給從機。支持相關(guān)的通訊協(xié)議，用戶利用PC主機可以進(jìn)行相應(yīng)的操作。PC主界面圖如圖7所示。

圖7 PC主界面圖

3.2 孤立模式下的功能性驗證

首先，該逆變器接通15 V和5 V直流電源，給芯片MC3PHAC和其他器件供電，同時輸入接單相220 V交流電，輸出接電機，芯片MC3PHAC輸出的6路信號分別對應(yīng)接到IGBT的引腳上，具體實物接線圖如圖8所示。

圖8 三相工頻逆變器接線實物圖

當(dāng)該逆變器通電工作后，通過兩種模式下使得芯片MC3PHAC輸出PWM波，控制IGBT開通、關(guān)斷，電機起動并按相應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)動，由于預(yù)先將引腳SPEED設(shè)定為1.95 V，因此，電機按工頻50 Hz旋轉(zhuǎn)。這里也可以改變引腳SPEED的數(shù)值實現(xiàn)變頻調(diào)速，同時通過引腳ACCEL改變電機的加減速度。

3.3 實驗結(jié)果

在驅(qū)動IGBT模塊的電路中，其驅(qū)動信號是通過外接電位器調(diào)節(jié)占空比大小來獲得的，死區(qū)時間為20 μs，波形的頻率分別設(shè)置為520 Hz和420 Hz。圖9為兩組PWM在占空比為3%時的波形圖，其頻率為 522.539 Hz；圖10為兩組PWM在占空比為49%時的波形圖，其頻率為421.203 Hz。PWM波形的占空比隨著電位器的調(diào)節(jié)而改變，在3%～49%范圍內(nèi)，此時負(fù)載上的等效占空比則為6%～98%。

圖9 輸出占空比為3%的PWM波

圖10 輸出占空比為49%的PWM波

IGBT無吸收電容電路的負(fù)載側(cè)波形如圖11所示。RC型的吸收電路如圖12所示，電阻R取為220 kΩ，電解電容C取為0.47 μF。由圖12可知，吸收電路抑制了浪涌電壓，并且抖動現(xiàn)象有所減弱。

圖11 IGBT無吸收電容電路的負(fù)載側(cè)波形

圖12 吸收電路RC型的負(fù)載波形

采用SPWM的開環(huán)調(diào)速設(shè)置，將MC3PHAC的參數(shù)設(shè)置為50 Hz，電機運行時線電壓波形和相電流波形如圖13、圖14所示。

圖13 電機線電壓波形

圖14 電機相電流波形

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的三相工頻逆變器采用芯片MC3PHAC為核心，系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)一步提升，逆變器的硬件電路進(jìn)一步得到優(yōu)化，同時，不需要軟件的介入，人工成本和開發(fā)周期得到進(jìn)一步縮短[16]。通過兩種不同的運行模式，應(yīng)用場合更為廣泛，特別是與PC主機聯(lián)機使用的功能，使其能夠方便地組成多種智能化的應(yīng)用系統(tǒng)。