工业用振动棒变频电源的研制

　　1 引言

　　作为一种变压变频的实用功率变换装置，变频器基本上涵盖了现代电力电子技术的几个重要方面，包括AC/DC、DC/DC和DC/AC。振动棒是一种小型建筑机械，主要用于制造混凝土制品和建造混凝土结构时，将混凝土填满型模，减少混凝土制件中的空洞和各种缺陷，有利于提高混凝土建筑质量[1][2][3]。振动棒主要有两种：液压式和电动式。现有的工业用振动棒常用电动机带发电机组产生固定频率交流电的形式，而本文要研究的是利用变频电源代替这种供电方式。

　　2 变频电源主电路及控制电路的研制

　　该变频电源要求的基本性能指标为，单相交流220V输入、三相交流200Hz输出，输出线电压为42V。由于振动棒是一个系列产品，因此为了驱动不同规格的振动棒，也就要求变频电源有不同的型号：带单负载运行的变频电源;可以带双负载运行的变频电源等。而且由于振动棒是一种手持式的电动工具，因此变频电源必须具有良好的电气性能，输入与输出之间要有良好的电气隔离，输出电压为安全电压42V。而且由于输出电压比输入要低，因此逆变电源还必须有一个降压的环节，下面针对这些指标，详述设计过程及分析实验结果。

　　2.1 主电路的设计

　　图1为基本原理图。从图1可以看出，主电路主要包括输入整流、滤波和三相变频电路三部分。三相逆变部分采用的是富士公司的IPM，型号为6MBP15RY060。容量为15A、600V，最高开关频率为5kHz。选择这种IPM的原因在于它具有良好的性价比，已成为市场上的常用器件，虽然器件的最高开关频率只有5kHz，不可避免地会产生开关噪声，但是由于负载本身的噪声就很大，因此由于低开关频率而产生的开关噪声是可以接受的。

图1 基本原理图

　　IPM需要4路相互独立的工作电源，同时，控制电路也需要1组工作电源，因此，辅助电源应该能提供至少5组相互独立的电源。根据这个特点，主回路采用单端反激式开关电源。

　　2.2 控制电路的设计

　　从图1可以看出，控制电路的作用是产生控制脉冲并对保护信号进行相应地处理。在本方案中，采用的控制芯片是INTEL公司的16位单片机——8XC196MC。选用它的原因在于这种芯片所独具的特点——片内波形发生器WFG(Wave Form Generator)。WFG有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个死区时间(dead-time)发生器和一对可编程的输出。WFG可以产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、死区时间和操作方式。一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。也正是由于有了这个外设，使得用于产生同步脉冲调制波形的控制软件和硬件大大简化，因此这种芯片特别适用于控制3相交流感应电机，也被应用在控制直流无刷电机和其他需要多个PWM输出的装置。而且，这种芯片具有良好的抗干扰能力。前文已经提到，由于应用场合的限制，要求本文所设计的变频电源具有良好的抗干扰能力，实验证明了8XC196MC完全满足设计要求。下面将对本方案中的程序设计做一个简单的介绍。