基于ML4421的單相電機(jī)變頻調(diào)整器的設(shè)計(jì)

華中科技大學(xué)(武漢 430074) 羅 翁 良 科；湖北工學(xué)院(武漢 430068) 羅澤兵

1 引 言

單相交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率小、造價(jià)低，被廣泛應(yīng)用于家用電器和小功率工業(yè)裝置。常用的單相交流電機(jī)，使用電容分相，采用市電直接作為其驅(qū)動(dòng)電源，其起動(dòng)力矩小，起動(dòng)電流大，從而造成較大的能量損耗。頻繁起動(dòng)時(shí)電流沖擊大，減少了電機(jī)壽命，易造成系統(tǒng)穩(wěn)定性差。本文基于Micro Linear公司的專(zhuān)用芯片ML4421提出了一種低成本單相變頻調(diào)速器的設(shè)計(jì)方案。

2 主回路設(shè)計(jì)及分析

單相電機(jī)的工作繞組分為主繞組和輔助繞組，因此，有時(shí)也稱(chēng)為兩相電機(jī)，其繞組接線如圖1所示。為使電機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，必須保證兩繞組中的電流互差90°。這樣，才能產(chǎn)生橢圓度較小的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生較大的起動(dòng)力矩。利用變頻技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，若采用電容分相的方法，由于電容的容抗隨頻率變化而變化，不能保證主繞組和輔助繞組的電流嚴(yán)格互差90°，從而使電機(jī)出力不足。若采用雙半橋式的單相變頻調(diào)速器主回路結(jié)構(gòu)，對(duì)于每個(gè)繞組，相當(dāng)于一個(gè)半橋逆變器，由于這種結(jié)構(gòu)對(duì)于直流母線電壓利用不充分，在高頻時(shí)電機(jī)難以達(dá)到額定的輸出功率和力矩，不能保證正常工作。

為克服上述缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用三相逆變橋作為單相電機(jī)變頻器的主回路，每個(gè)繞組都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的全橋逆變器，取消了分相電容，克服了由分相電容引起的頻率不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，并且具有較高的直流母線電壓利用率。理論上，調(diào)速范圍可達(dá)10：1。主回路如圖2所示。

圖2中，將單相電機(jī)的主、輔繞組L1、L2分別聯(lián)入AC、BC兩點(diǎn)之間，取圖中O點(diǎn)為電壓參考點(diǎn)。只要保證UAC與UBC之間互差90°就可實(shí)現(xiàn)輔助組電流if與主繞組電流iz嚴(yán)格互差90°。設(shè)A、B、C三點(diǎn)正弦電壓矢量為UA、UB、UC，則主繞組L1兩端電壓UAC＝UA－UC,輔助繞組L2兩端電壓UBC＝UB－UC，且UAC垂直于UBC。由電路的特點(diǎn)可知，每一管導(dǎo)通時(shí)，UA=UB＝UC=UD/2。以UC為參考向量，可得如圖3所示的關(guān)系，由圖3的矢量圖可以看出：

由上述分析，只要控制三個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)制波相位互差90°，就可實(shí)現(xiàn)用三相橋變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)單相電機(jī)。

3 控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)主回路設(shè)計(jì)，可得開(kāi)關(guān)波形產(chǎn)生電路框圖如圖4所示。

在設(shè)計(jì)中，我們采用了Micro linear公司的ML4421芯片作為主控制器。該芯片是單相電機(jī)變頻控制的專(zhuān)用芯片，內(nèi)部自帶兩路互差90°的波形發(fā)生器、PWM調(diào)制器和轉(zhuǎn)差控制模塊，集成度高。根據(jù)工作電壓不同，芯片分為5V（ML4421-5）和12V（ML4421-12）兩種，ML4421-12引腳圖如圖5所示。

引腳說(shuō)明如下：1、2：電流反饋輸入。ISA，ISB[FL(2K2]共同構(gòu)成微分輸入，檢測(cè)A相的電流、電壓和電流的相位差，然后與前端電壓反饋共同決定給定相位角。（精密轉(zhuǎn)差控制時(shí)才有效）。3： 轉(zhuǎn)差角設(shè)定（精密轉(zhuǎn)差控制時(shí)才有效）。4： 精密轉(zhuǎn)差控制時(shí)微調(diào)正弦波的幅值。該腳接地時(shí)，不進(jìn)行精密轉(zhuǎn)差控制。6： 通過(guò)調(diào)節(jié)該腳的輸入電壓可以控制正弦波的幅值，頻率。7： 提供8V的參考電壓。8： 死區(qū)時(shí)間設(shè)置。9、10：正弦波發(fā)生器起振電容。11：復(fù)位時(shí)間設(shè)置。12：PWM載波頻率設(shè)置。13：正反轉(zhuǎn)選擇。14：制動(dòng)時(shí)間選擇。15：過(guò)流保護(hù)輸入。16、25：正弦波測(cè)試點(diǎn)。18～23：驅(qū)動(dòng)波形輸出。26～28：電壓反饋輸入。

在應(yīng)用中，選擇不同的參數(shù)，就可以達(dá)到不同的控制效果。參數(shù)計(jì)算如下：

圖6中，IFEED為電流相位反饋（精密轉(zhuǎn)差控制時(shí)使用），VFEED為電壓反饋，DRIVER為驅(qū)動(dòng)電路輸入，IPORT為過(guò)流保護(hù)輸入。調(diào)節(jié)電位器R-5的大小，就可改變調(diào)制波頻率幅值。改變12腳上的電容值，就可以改變載波頻率。
由于ML4421是專(zhuān)用芯片，不能工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，而本設(shè)計(jì)中，變頻器為電壓開(kāi)環(huán)，于是給芯片加入"偽反饋"，直接由驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行反饋，其原理圖如圖7所示。每路上管與下管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相加后，送入senseA，senseB，senseC。電壓跟隨器給出一個(gè)6V的模擬地，作為反饋輸入地。

進(jìn)行精密轉(zhuǎn)差控制時(shí)，須接入電流相位檢測(cè)回路，原理圖如圖8所示。?

A相電流經(jīng)由電流互感器，得到反饋電流（本設(shè)計(jì)中，電流互感器設(shè)計(jì)匝比1：200）。反饋電流經(jīng)過(guò)I/V變換，送入ISA，電壓跟隨器給出6V模擬地送ISB。

4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用低成本驅(qū)動(dòng)電路方案，高端（圖2中的Q1，Q3，Q5）采用集成自舉電路IR2118，低端（圖2中的Q4，Q6，Q2）由對(duì)管組成圖騰柱輸出。

IR2118是國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的專(zhuān)用MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)器，偏置電壓可達(dá)600V，輸出10V～20V電壓信號(hào)。為防止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入電流太小，IR2118前級(jí)輸入也采用了圖騰柱式擴(kuò)流電路。

IR2118引腳圖如圖9所示。

驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖10所示。

在驅(qū)動(dòng)電路中，低端圖騰輸出直接接低端MOSFET的G級(jí)，低端MOSFET的S級(jí)接地。IR2118第7腳輸出經(jīng)由緩沖電阻后接高端MOSFET的G級(jí)，第6腳輸出接高端MOSFET的S級(jí)，它經(jīng)由負(fù)載接地。

5 仿真及測(cè)試

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們運(yùn)用了Matlab作為其仿真平臺(tái)，得到如圖11所示的波形。

在仿真中，設(shè)置一路標(biāo)準(zhǔn)正弦波，分別經(jīng)由積分器和微分器，加上幅度補(bǔ)償后，得到如圖12所示的三路互差波形，再將這三路波形做矢量相減，得到矢量和波形如圖12所示。

實(shí)驗(yàn)中，將對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)引出，經(jīng)過(guò)RC濾波，得到模擬的相電流波形如圖13所示。

主回路以IRF840作為開(kāi)關(guān)管，將普通風(fēng)扇40W 0.5A單相電容分相電機(jī)拆去分相電容作為負(fù)載。受條件限制，在繞組引出線上串入小電阻對(duì)相電流采樣。由于采樣電阻的存在，所得相電流波形諧波較大，正弦性受到影響，失真度較大，效果不如模擬的相電流波形。

6 結(jié)束語(yǔ)

以三相橋作為逆變主回路可節(jié)省元件，配以功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的ML4421作為控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制，克服了電機(jī)低頻出力不足，調(diào)速范圍不寬等缺點(diǎn)，達(dá)到了良好的控制效果。為我們制造低成本單相變頻器提供了一個(gè)思路。

  

參考文獻(xiàn):

[1]. IR2118 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/IR2118_406761.html.
[2]. IRF840 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/IRF840_318366.html.