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三相變頻電源工作原理



三相變頻電源工作原理

嘉仕公司專業致力于變頻電源的研發和生產,變頻電源專門為進出口設備設計制造,符合歐美供電體制,可作為進口60Hz用電設備及生產線的供電電源;也可作為出口電氣產品生產線的試驗電源。

電源系統輸入為三相三線380V/50Hz交流市電,輸出為三相四線0-500V,60Hz交流電,可分為功率變換主電路和控制電路兩大部分。為提高三相輸出對不平衡負載的適應能力,三相電源的主電路及控制電路按照三套獨立的單相電源進行設計。主電路采用交一直一交結構,包括整流器、直流濾波器、逆變器、交流濾波及變壓器等組成部分。其中,交-直部分為橋式整流,經交流接觸器軟啟到電解電容濾波,得到平穩電流。整流具有以下特點:

1 整流部分啟動時,采用交流接觸器,實現“軟”啟動,減小對電網的沖擊。

—交逆變部分采用單相全橋結構,三相系統具有三套完全相同的單相逆變器,它們共用一條直流母線,是本電源的核心。逆變器選用IGBT作為開關元件。利用IGBT開關頻率較高的優點,采用正弦脈寬調制方式(SPWM)對逆變器進行控制,將平穩直流變換為脈寬調制輸出的交流,該交流基波頻率為所需要的電源輸出頻率。逆變器輸出的脈寬調制波經輸出LC濾波電路濾波后,輸出正弦波交流電。三套單相逆變電路輸出互差120電角度,在變壓器原邊彼此電氣獨立,在變壓器副邊接成星形,輸出所要求的三相交流電。

為提高電磁兼容性能,在電源的輸入和輸出端均接有抗干擾濾波器。

控制電路是由智能化的集中監控、單相電壓及波形控制、IGBT逆變控制、輸出檢測、故障檢測及保護、操作顯示界面、控制電源等部分組成,完成電源系統的輸出頻率、電壓、波形控制、系統的故障診斷及保護和操作及狀態等功能。其中,電壓及波形控制針對單相輸出,采用了三套獨立的單相控制器,使三相電源的任一相均可以作為單相電源獨立使用,并可適應任意不平衡負載,從而極大的提高了電源的負載適應能力。

2 IGBT的驅功與保護電路

IGBT的驅功與保護電路針對單相逆變橋設計,驅動保護電路制成一塊線路板,與單相逆變橋及散熱器一起配裝成單相逆變單元模塊。驅動電路以日本三菱公司集成驅動模塊M57962為核心組成。M57962是IGBT模塊的專用驅動電路,最大可驅動400A/1200V的元件。該電路內部具有快速光耦隔離,適合20kHz左右的高頻開關運行,并且內部具有過流保護功能。驅動電路采用+15V/-10V雙電源供電,以提高抗干擾能力。

驅動電路前級為PWM信號處理電路,它將控制電路送來的單路PWM信號經電壓比較器整形反相后,變為兩路互差180°的信號,作為上下橋臂IGBT元件的控制信號。該信號經過死區電路,其上升沿被延時3-4μs,以保證上下橋臂導通具有不小于3μs的死區,然后才被送至驅動電路。

本電源過流保護采用單管在線保護和橋臂集中保護相結合的雙重過流保護方案。單管在線保護由M57962內部保護電路完成,集中保護電路采用響應速度極快的HL電流傳感器檢測直流母線電流。當該電路超過設定閥值時,保護電路動作,封鎖逆橋所有IGBT的驅動信號。過壓保護采用直流母線并聯無感電容以吸收開關過程電壓尖峰,對于過流保護過程中關斷大電流產生的電壓尖峰,采用縮短直流配線減小分布電感適當降低保護閥值,加大吸收容量等方法加以解決。此外,驅動板上還設有功率器件過熱直流母線欠壓兩種保護。

3、控制電路

本電源采用三相輸出獨立控制,集中監控的系統控制方案。由三套單相控制電路和一套集中監控電路組成。單相控制電路完成頻率、電壓、波形控制。集中監控電路完成輸出電壓、頻率給定,電源系統各功能單元、操作面板和I/O邏輯控制,故障檢測及顯示。電壓給定為模擬量,頻率給定為十位地址選通信號,給定信號、控制及保護邏輯信號以及控制電源組成本系統的信號總線,將三套單相控制電路、集中監控電路和電源電路連成一體。

1)三相控制電路

波形控制針對單相電壓輸出,采用帶電流內環的雙環控制方案。在由兩個控制環構成的電壓波形系統中,電流環是內環,該環的受控對象是濾波電容的電流Ic;電壓波形控制環位于電流環之外,該環對輸出電壓的瞬時值進行控制,使輸出電壓、濾波電容電流由檢測電路檢出整形后,直接送入波形環,與標準正弦波比較,經雙環調節后產生PWM控制脈沖。

標準正弦波產生采用典型的計數尋址查表方式,標準正弦數據存于EPROM中,按輸出頻率時序選通EPROM,在通過D/A轉換器將EPROM輸出的正弦數字量變為模擬量。該模擬量為正極性,經過運放電路對稱下移,電容隔直后,輸出標準正弦信號。

電壓控制采用閉環比利調節,檢測電路送來的交流輸出電壓信號,經過幅值調整、絕對值交換、有源濾波電路后,變為可調的反饋直流量。給定與反饋信號比較,其偏差送至比例調節器,經調節器放大后送到標準正弦波幅值,使輸出電壓的平均值維持恒定,實現輸出穩定。

頻率控制通過標準正弦波給定進行開環控制。標準正弦數據一周波存儲量為1024字節,標準正弦波頻率與額定輸出頻率相同為60Hz,EPROM地址選通信號頻率應為409.6KHz,本文采用晶振分頻得到該信號,使輸出頻率精度及穩定性均得到良好保證。調頻用專用電路,調頻范圍可以由45-60Hz調節。三套單相控制電路中,EPROM所存標準正弦數據互差120電角度,由于EPROM地址選通為同一組信號,因此產生的三路標準正弦波互差120電角度,從而實現輸出電壓的相位控制。

2) 集中監控電路

該電路以一片16位單片機80C196為核心組成,利用CPU內部的8路A/D轉換接口完成模擬量檢測,利用CPU的外中斷及PIO完成故障檢測和操作邏輯,面板顯示控制、輸入、輸出的過欠壓保護和輸出過載保護則采用軟件方式完成。

檢測電路包括輸出電壓檢測、輸出電流檢測、濾波電容電流檢測三部分。為提高波形環的控制速度,保證電源品質,與波形環有關的檢測元件采用磁平衡式HL傳感器。所有檢測信號與主控電路均作電氣隔離。

 

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