电机变频调速系统中开关电源设计与应用

　　0　引言

　　变频调速以其优异的调速和起、制动性能、高效率、高功率因数和节电效果,已成为当今世界节约电能、改造传统产业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、推动技术进步的重要手段之一,在各种生产机械如风机、水泵、机床、纺织机械、造纸机械、石化设备、等有着广泛的应用[1]。其中,开关电源性能的好坏会直接影响电机调速控制器信号的准确性与可靠性,是变频器硬件设计的核心内容之一。因此,对应用于电机变频调速系统的开关电源的设计与制作,在体积、性能和可靠性等方面均提出了较高的要求。

　　1　开关电源电路原理与设计

　　1·1　确定总体设计方案

　　1·1·1　设计要求

　　变频器主板设计中采用了自举供电的方式,减少了独立电源的路数,同时对电源的输出性能有了更高的要求,具体技术指标如下: (1)交流电压输入:AC230±35V;直流电压输出: DC15V, 0·5A; DC5V,0·5A。(2)具备输入欠压、过压、过流、过载、短路保护,设定极限电流等功能。(3)负载调整率小于等于2%,效率大于等于85%,纹波小于等于200mV。

　　1·1·2　电路结构及稳压原理

　　图1为设计的开关电源电路,该电路采用单端反激式电路拓扑结构[2]:即在单片开关电源芯片导通时,电能以磁场能量形式储存在变压器的初级绕组中,输出二极管截止;当芯片截止时,输出二极管导通,储存的能量传输给次级,从而完成一次能量传输。交流电源经过EMI滤波器,整流、滤波电路后获得的直流高压,加在高频变压器的初级绕组上,再由高频变压器降压后,逆变成次级高频方波电压,最终经过输出整流滤波后,获得15V, 0·5A和5V,0·5A两路隔离的直流电压输出。其中, 15V输出作为主输出,配有精密光耦(PC817B)反馈电路,输出电压经采样电阻采样后与TL431的内部基准电压进行比较,得出误差电压,再通过光耦的输出电流去改变TOP244Y的输出占空比,以获得稳定的电压输出;5V输出作为辅输出电路,则通过集成线性稳压芯片(L7805)获得稳定的直流电压输出。

　　1·2　选择TOP Switch芯片

　　TOP Switch-GX是美国Power Integrations公司在继TOP Switch-Ⅰ、Ⅱ、FX三个系列之后,开发的最新单片开关电源系列。该系列芯片通过改进布局,扩展了电源功率,增加了大量新功能[3],从而有效地提高了电源设计的灵活性及电源效率。根据实践经验,在设计开关电源时需将指定输出电压、电流留出部分余量,即5V, 0·5A按10V,0·7A; 15V, 0·5A按15V, 0·7A计算输出功率。开关电源输出总功率为:P0=U1·I1+U2·I2=10×0·7+15×0·7=17·5W根据TOP Switch-GX系列单片开关电源的快速设计法[4],按照开关电源的总输出功率(17·5W)选则TOP244Y型号芯片作为本电路中的单片开关电源芯片。