宋冰倩,李宗翰,楊卜銘,張文逸,王雅婧（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206）

基于IGBT與實(shí)時(shí)電能監(jiān)測(cè)技術(shù)的通用變頻器設(shè)計(jì)

宋冰倩,李宗翰,楊卜銘,張文逸,王雅婧
（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206）

本文研究了一種具備實(shí)時(shí)電能監(jiān)測(cè)功能的低成本通用變頻器。變頻控制部分的控制核心采用HT46R232單片機(jī)，逆變電路元件采用了IGBT大功率器件，SPWM波形生成算法采用等效面積算法；電能監(jiān)測(cè)部分采用互感器進(jìn)行電流采樣，ATT7022B單片機(jī)進(jìn)行功率計(jì)算，MSP430F194單片機(jī)作為核心控制部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變頻器在原有的傳統(tǒng)變頻器基礎(chǔ)上可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量消耗，并且操作簡(jiǎn)易、工作可靠、運(yùn)行安全穩(wěn)定、數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確，可廣泛應(yīng)用于家用電器和工業(yè)設(shè)備中。

電能監(jiān)測(cè)；變頻；HT46R232；ATT7022B；MSP430F194；IGBT；等效面積算法

0 引言

國(guó)家近期出臺(tái)了促進(jìn)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策，對(duì)企業(yè)實(shí)施節(jié)能改造給予支持，切實(shí)加強(qiáng)用能管理，加強(qiáng)對(duì)各地區(qū)高耗能行業(yè)用電量高耗能產(chǎn)品產(chǎn)量等情況的跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)能源消費(fèi)和高耗能產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)過(guò)快的地區(qū)合理控制能源供應(yīng)，切實(shí)改變無(wú)節(jié)制供應(yīng)能源、使用能源的現(xiàn)象。

為了響應(yīng)國(guó)家綠色中國(guó)、節(jié)能減排政策號(hào)召，創(chuàng)造低碳生活，幫助用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電量，本文在分析了變頻器基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以HT46R232單片機(jī)為控制核心并且能對(duì)電能消耗量實(shí)時(shí)顯示的通用變頻器。

1 變頻器整體構(gòu)造

變頻器是指將頻率、電壓不可控的工頻電源在電力半導(dǎo)體器件的通斷作用下變換為頻率可控的交流電源。采用交-直-交方式，先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，再把直流電源轉(zhuǎn)換成可控頻率、電壓的交流電源來(lái)供給電動(dòng)機(jī)。電能監(jiān)測(cè)部分采集用電器的電壓、電流、幅值及相位角，進(jìn)行功率計(jì)算，并通過(guò)單片機(jī)控制和LED進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。

基于以上原理，本文設(shè)計(jì)的變頻器可分為兩部分，第一部分為變頻控制部分，第二部分為電能監(jiān)測(cè)部分，其系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。下面，將分兩部分對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

圖1 變頻器整體構(gòu)造

2 電能監(jiān)測(cè)部分

電能測(cè)量部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、功率計(jì)量模塊、核心控制模塊組成。從用電器采集數(shù)據(jù)，由功率計(jì)量模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，最終由核心控制模塊進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取及LED顯示。電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

電路中用電器件的功率取決于電流和電壓，包括它們各自的幅值和相位角。電壓已知為市電單相220V，只需求出電流。制作時(shí)用萬(wàn)用電路板焊接了信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換模塊，采集電路中的電流信號(hào)，用電流互感器進(jìn)行比例縮小，加載到電阻上，采樣電阻上的電壓信號(hào)，然后進(jìn)行放大、整流、濾波，將其變成穩(wěn)定的直流信號(hào)。由于電流互感器有額定輸出功率，加在負(fù)載上的電壓難以和電路中的電流保持線性關(guān)系，所以要調(diào)節(jié)好負(fù)載在電流互感器兩端的電阻值大小，使電壓和電流成線性關(guān)系。最后穩(wěn)定的直流信號(hào)就是與電路中電流有關(guān)的信號(hào)。

2.2 功率計(jì)量模塊

功率計(jì)量部分采用ATT7022B單片機(jī)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采樣到的數(shù)據(jù)計(jì)算有功功率與有功電能、無(wú)功功率與無(wú)功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率等。由于萬(wàn)能板空間占比大，不能很好地集成以及與主控制電路連接，故采用印制PCB板，包括傳感器電路板、最小系統(tǒng)和控制電路板、功率計(jì)量電路板等。

2.3 核心控制模塊

本模塊包括七個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其外圍電路、鍵盤數(shù)碼管顯示電路、串行通信電路、非易失性存儲(chǔ)器電路、液晶顯示電路、計(jì)時(shí)電路、D/A轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)采用MSP430F194執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入控制、LED顯示等功能，使用微耗的液晶顯示屏，顯示用電器的功率和耗電量、輸入電壓、累計(jì)時(shí)間等參數(shù)。

圖2 電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

3 變頻控制部分

變頻調(diào)速技術(shù)通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，基本原理是：

（式中s、p、n、f分別表示電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)速、輸入頻率）。

在變頻器內(nèi)， EMI 線濾波器對(duì)市電中的單相220V交流電源進(jìn)行濾波，將外界電網(wǎng)的高頻脈沖干擾濾除，從而避免變頻器外部受到開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，電流經(jīng)過(guò)大容濾波和硅橋整流，在直流母線上得到穩(wěn)定的直流電壓。在單片機(jī)的控制下，該直流電壓經(jīng)過(guò)三相橋式逆變電路逆變后，可輸出交流電。該交流電含一小部分諧波，經(jīng)過(guò)一級(jí)小容量的無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)后，在輸出端獲得正弦輸出電壓。

本設(shè)計(jì)采用主、從兩片單片機(jī)進(jìn)行控制，主單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻率電壓編碼輸出控制、LED 顯示及鍵盤輸入控制等，從單片機(jī)主要使用SPWM調(diào)制方式，具有高效率、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 逆變功率模塊

逆變功率模塊分為整流電路和逆變電路:

（1） 800V/8A 硅整流橋的整流器，將 220 V交流電整流成直流電，直流電壓通過(guò)大容濾波電路濾波，此時(shí)直流電壓值為輸入交流電壓的峰值，即

（2） 由IGBT 組成的逆變橋，具有驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)，將單片機(jī)傳輸?shù)娜嗔稴PWM 波信號(hào)放大并合成三相交流電，將整流濾波得到的直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電。

由于功率可達(dá)2000W及以上，為保護(hù)電路，首先將兩個(gè)瞬間吸收過(guò)壓高于1500W的瞬態(tài)抑制二極管串聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)瞬間過(guò)壓保護(hù)；然后采用快恢復(fù)二極管進(jìn)行續(xù)流保護(hù)，避免因電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反電勢(shì)而導(dǎo)致IGBT損壞。

3.2 信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊

變頻器中采用 IGBT的功率輸出級(jí)具有簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，較高的開(kāi)關(guān)頻率，并且用于通用變頻器時(shí)，可以降低負(fù)載電動(dòng)機(jī)的噪聲。IGBT還可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和電動(dòng)機(jī)的損耗減小。由于IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，因而可以降低成本，提高可靠性，使裝置更加緊湊。IGBT的常用驅(qū)動(dòng)方法：分立元件驅(qū)動(dòng)、脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)和專用芯片驅(qū)動(dòng)等。

逆變模塊中組成三相逆變橋采用的是IGBT，為了滿足上橋臂的三個(gè) IGBT 需要可靠驅(qū)動(dòng)要求，我們采用自舉電壓驅(qū)動(dòng)專用芯片 IR2110，并對(duì)其典型外圍器件改進(jìn)，使輸入輸出的高低電平和正負(fù)電壓保持對(duì)應(yīng)關(guān)系，且電源電位恒為20V，便可控制IGBT 。由LM311及TL413構(gòu)成的過(guò)流保護(hù)電路能即時(shí)判斷電路過(guò)流情況，進(jìn)而關(guān)斷IR2110脈沖輸出，起到保護(hù)電路的作用。

圖3 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3.3 核心控制模塊

變頻器的核心控制模塊主單片機(jī)用HT46R232單片機(jī)，該單片機(jī)編程靈活，具備 4K 的程序存儲(chǔ)器及 192 Byte 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可作為信號(hào)輸出元件。8 通道 10位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換輸入，40 個(gè) I/O 管腳可應(yīng)用于多輸入及輸出控制的裝置，使外圍器件更加簡(jiǎn)潔，具有極高的抗干擾能力，是一種高集成度低成本的MCU芯片。主單片機(jī)輸出信號(hào)后，對(duì)由單片機(jī)通過(guò) SPWM 波生成算法編程，從而使六路SPWM 信號(hào)輸出，接著驅(qū)動(dòng)三相逆變橋，同時(shí)主單片機(jī)也實(shí)現(xiàn)了輸出頻率的顯示功能和步進(jìn)控制。

SPWM波形生成算法：等效面積法、有規(guī)則采樣法和自然采樣法。自然采樣法難以實(shí)時(shí)控制，規(guī)則采樣法可用計(jì)算機(jī)快速計(jì)算脈沖寬度和脈沖間隔時(shí)間，等面積法的諧波較規(guī)則采樣法的諧波較少。并且實(shí)驗(yàn)表明采用等效面積法產(chǎn)生的 SPWM 波形具有輸出波形諧波小、精度高、對(duì)稱性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。

所謂等效面積算法，即N 等分一個(gè)正弦半波，用面積相同的等高矩形脈沖代替每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的部分面積，將N個(gè)寬度不等幅值相等的矩形脈沖所構(gòu)成的波形近似等效為正弦半波，矩形脈沖的中點(diǎn)和正弦波每一等分的中點(diǎn)重合?？梢杂捎?jì)算得到脈沖波形的開(kāi)關(guān)時(shí)刻和寬度。

如圖 4所示，脈沖寬度為δ，在區(qū)間[ t，t+Δt]：

關(guān)斷IGBT:

開(kāi)啟IGBT:

N等分正弦信號(hào)的正半周為π/N rad，圖中脈沖高度Us/2，設(shè)直流電源電壓為Us，調(diào)制深度為M，脈沖寬度為δk。則第K個(gè) SPWM脈沖與第K份正弦波面積相等，δk的值解得:

圖 4 等效面積控制算法波形圖

由此得到與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系的 IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)刻。在等效面積算法中，正弦波在一個(gè)周期內(nèi)劃分的等份越多，合成后三相波形越接近正弦波形、各個(gè)波頭的間隙越小。

3.4 電源部分

信號(hào)單片機(jī)工作電源和驅(qū)動(dòng)電源組成了電源模塊。220V/9V 變壓器將220V交流電被隔離降壓，變?yōu)橛行е禐?V的交流電，整流濾波后，三端穩(wěn)壓器將由交流電提供，單片機(jī)由輸出 5V 直流電壓供給工作；另外信號(hào)驅(qū)動(dòng)電源被工頻變壓器降壓后，通過(guò)三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生的20V/1A 直流電源。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)中變頻控制部分的控制核心采用HT46R232單片機(jī)，逆變電路元件采用了IGBT大功率器件，SPWM波形生成算法采用等效面積算法，從而驅(qū)動(dòng)三相逆變橋電路，運(yùn)行時(shí)效率高、噪聲低、精度高；電能監(jiān)測(cè)部分采用互感器進(jìn)行電流采樣，ATT7022B單片機(jī)進(jìn)行功率計(jì)算，MSP430F194單片機(jī)進(jìn)行核心控制，能夠?qū)﹄娏肯倪M(jìn)行實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)為： 作為變頻器逆變器件的IGBT，好處在于其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路；本文在傳統(tǒng)變頻器的基礎(chǔ)上增加了電能消耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助用戶更直觀地了解用電情況，獲取節(jié)能信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該變頻器操作簡(jiǎn)便、工作可靠、運(yùn)行安全穩(wěn)定、數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確，在家用電器和工業(yè)設(shè)備中有良好的應(yīng)用前景。

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