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一種小功率通用變頻器的設(shè)計(jì)
摘要：采用高集成度的專用芯片SA866和智能功率模塊PS21255開發(fā)了一種小功率通用變頻器。試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明，該變頻器性能好、價格低、可靠性較高。引言
由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速已上升為電氣傳動的主流，正在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動。而從性價比的角度來看，交流變頻調(diào)速裝置已經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速裝置。
異步電機(jī)的變頻調(diào)速不僅可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，還有著許多其他交流調(diào)速系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：交流變頻調(diào)速在頻率范圍、動態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度、低頻轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、通信功能、智能控制、功率因數(shù)、工作效率、使用方便等方面的優(yōu)勢是其他的交流調(diào)速方式難以達(dá)到的，并以體積小、重量輕、通用性強(qiáng)、保護(hù)功能完善、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，深受鋼鐵、冶金、礦山、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機(jī)械、電力、輕工、造紙、印刷、卷煙、自來水等行業(yè)的歡迎，社會效益非常顯著。
變頻調(diào)速雖然在各個方面有其優(yōu)勢，但其早期昂貴的造價和可靠性問題使許多用戶望而卻步。降低造價和提高可靠性一直是交流變頻調(diào)速的重要課題。
本文針對一般小功率交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速的要求，采用上世紀(jì)90年代末才推出的多功能高集成度專用SPWM控制芯片SA866和智能功率模塊PS21255開發(fā)了一種新型通用變頻器。其整?結(jié)構(gòu)簡潔，具有比較完善的功能，滿足了空調(diào)、洗衣機(jī)等家電及小型紡織、塑料加工等工業(yè)的自動化生產(chǎn)線對變頻器低成本、高可靠性、高性能的要求，并已經(jīng)在廣東、江蘇等多家工廠生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
1 SA866和PS21255功能介紹
1.1 SA866功能簡介
1.1.1 功能特點(diǎn)
SA866是專用于交流異步電機(jī)SPWM控制的集成電路。它除了根據(jù)設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生合乎要求的SPWM脈沖外，還集成了多種保護(hù)功能，并可在緊急情況下，如短路和過載時快速關(guān)斷SPWM脈沖，保護(hù)逆變器和電機(jī)。它的最大特點(diǎn)是可以獨(dú)立運(yùn)行，無須微處理器控制。它的輸出頻率以及加速減速頻率都可由外接電位器在線連續(xù)調(diào)節(jié)。所有須定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時間、最小脈寬、調(diào)制波形、V/f曲線等均存儲在外接的廉價EEPROM中，上電時自動讀入SA866中。SA866有6種工作模式，與微處理器配合使用，基本做到了低價格多功能。
1.1.2 管腳說明
該芯片采用PLCC封裝,共有32個管腳,各管腳排列如圖1所示。
各管腳功能如下。
1）電源VDDD和VDDA分別為數(shù)字電源和模擬電源；VSSADC為A/D轉(zhuǎn)換電源，它們接一個＋5V的電源；VSSD和VSSA分別為數(shù)字電源和模擬電源的地；VREFIN為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓（＋2.5V）。
2）串行接口SDA，SCL和CS用于從EEPROM獲取數(shù)據(jù)，分別為數(shù)據(jù)，時鐘和片選信號。
3）控制及輸出SETPOINT為頻率給定端，該腳的輸入電壓將決定系統(tǒng)的工作頻率；RACC和RDEC分別確定加速和減速的時間；RPHT，YPHT，BPHT，RPHB，YPHB和BPHB為橋臂脈沖信號輸出，其中RPHT，YPHT和BPHT分別對應(yīng)三相輸出的上橋臂；RPHB，YPHB和BPHB分別對應(yīng)三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序，該腳對應(yīng)高低電平有兩個方向的PWM波供用戶選擇。
4）工作狀態(tài)選擇SERIAL決定與SA866連接的是EEPROM還是微處理器，高電平表示與EEPROM連接；PAGE0和PAGE1決定采用的是EEPROM的哪一頁參數(shù)。
5）保護(hù)VMON為過電壓信號輸入端，減速過程中此端電平若大于2.5V，就啟動過電壓保護(hù)動作，將輸出頻率固定在當(dāng)前值；IMON為過電流信號輸入端，升速過程中，電平若大于2.5V，內(nèi)部過流保護(hù)就動作，不再繼續(xù)升速，直到過流信號消失；SETTRIP為緊急停機(jī)信號，可快速禁止PWM脈沖輸出；TRIP端表示禁止輸出狀態(tài)，低電平有效，該信號只有在復(fù)位信號RESET下才能被解除。
1.2 PS21255功能簡介
1.2.1 功能特點(diǎn)
與常規(guī)的IGBT模塊相比，PS21255具有如下特點(diǎn)：
1）內(nèi)含驅(qū)動電路IPM設(shè)定了內(nèi)部IGBT的最佳驅(qū)動條件，驅(qū)動電路離IGBT較近，可以大大減少信號傳輸阻抗，且受外界干擾小，因此不需加反向偏壓，同時，本模塊采用自舉電路，從而擺脫了控制電源不共地的限制，使用一個電源，即可實(shí)現(xiàn)方便的控制；
2）內(nèi)含各種保護(hù)使內(nèi)部IGBT因故障損壞的幾率大大降低，這些保護(hù)包括短路保護(hù)(SC)，控制電路欠壓保護(hù)(UV)等；
3）內(nèi)部報警輸出(FO)該信號送到控制PWM產(chǎn)生器，封鎖脈沖輸出，進(jìn)而停止系統(tǒng)工作；
4）散熱效果好采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，扁平封裝，可以直接安裝在散熱器上；
5）端子布局合理，便于安裝強(qiáng)弱電的輸出輸入端分別安排在模塊的兩側(cè),做到盡量減少干擾。
1.2.2 管腳說明
該模塊的外形及端子分布如圖2所示。IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強(qiáng)弱電分開，P及N為直流輸入端，P為正端，N為負(fù)端；U，V，W為逆變器三相輸出端；UP，VP，WP為上橋臂U，V，W各相脈沖信號輸入端；UN，VN，WN為下橋臂U，V，W各相脈沖信號輸入端；VP1及VPC為上橋臂工作電源輸入端，VP1為正端，VPC為負(fù)端；VN1及VNC為下橋臂工作電源輸入端，VN1為正端，VNC為負(fù)端；CIN為電流檢測信號輸入端；FO為故障輸出端（低電平有效）；CFO為故障輸出脈寬控制端；VUFB及VUFS為U相自舉電路兩端，VUFB為高端，VUFS為低端；VVFB及VVFS為V相自舉電路兩端，VVFB為高端，VVFS為低端；VWFB及VWFS為W相自舉電路兩端，VWFB為高端，VWFS為低端。
2 系統(tǒng)
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