小功率单相智能变频器的设计
导语：单相交流感应电机的变频调速在许多消费类产品（电扇、洗衣机等）及工业类产品（鼓风机、泵等）中应用广泛
1 引言 单相交流感应电机的变频调速在许多消费类产品（电扇、洗衣机等）及工业类产品（鼓风机、泵等）中应用广泛，人们可以使用单相通用变频器，但通用变频器价格较高，结构复杂，体积较大，只能安装在电机外部，既增加了使用的不方便，过多的设定功能又造成了浪费。因此，本文设计了一种小型的单相电机智能变频控制电路，它只需一块icml4421，一块ipm功率放大驱动模块，一些电容电阻，无需软件开发，结构简单，体积小，还可以放入一般的感应电机内，即可以实现变频器机电一体化，又增加了安装使用的方便。 2 控制电路设计 控制电路使用micro linear公司生产的单相电机变频控制的专用芯片ml4421，它是一个外部连接简单、功能全面的pwm智能控制芯片。它内部固化了控制程序，自带两路互差90°的波形发生器、pwm调制器和转差控制，工作于真正的线性比例、积分和微分（pid）反馈环路，提供10:1的速度控制范围，提供恒定的、可编程的v/f比值。由于没有软件编程的要求，节省了开发成本。 ml4421的接线如图1。说明如下: [align=center]
图1ml4421的接线[/align] （1）1、2脚接来自电流互感器的电机电流反馈输入，isa、isb共同构成微分输入，检测a相的电流、电压和电流的相位差，然后与前端电压反馈共同决定给定相位角（精密转差控制时才有效）; （2）3脚是转差角设定（精密转差控制时才有效）; （3）4脚精密转差控制时微调正弦波的幅值，该脚接地时，不进行精密转差控制; （4）通过调节6脚的输入电压可以控制正弦波的幅值、频率。设c0为0°正弦波发生器起振电容，则0°正弦调制波频率f=（r6/r5）/（2×c0×0.356），同理可得90°正弦调制波频率; （5）选择8脚上不同的电阻r8，可设置死区时间t，t=r8/（5.2×104）; （6）9、10接正弦波发生器起振电容c0、c1，11脚设置复位时间，12脚设置pwm载波频率,载波（三角波）频率f=vref/（rref×7.2×c pwm） ; （7）13脚正反转选择，在驱动双相电机时控制其高低电平可实现正转/反转; （8）14脚制动时间选择，15脚过流保护输入来自电流变换器，限流保护电阻r15=0.5v/imax;16、25脚正弦波测试点; （9）18～23脚驱动6路pwm波形输出，18～20低端输出，21～23高端输出; （10）26～28脚接电压反馈输入，该电压指电机两个相位的pwm输出电压进行分压后的平均值。以上电容、电阻等参数可根据实际应用，选择不同的数值，以满足不同的控制效果[1]。 3主回路及驱动回路 传统的变频器的功率驱动和逆变电路有两个模块组成，现在这两部分由一个体积不大的ipm功率模块就可完成。ipm由高速、低功率igbt，优选的门级驱动器及保护电路构成。其中，igbt是gtr和mosfet的复合，由mosfet驱动gtr，因而ipm具有gtr高电流密度、低饱和电压、高耐压、mosfet高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点，保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护、过流保护和短路保护，当其中任一种保护功能动作时。ipm将输出故障信号fo。因此，ipm功率模块功能强大，可以简化电路设计。为了保证变频调速时，单相电机主副绕组严格相差90°，主回路选用三相全桥逆变，每个绕组都相当于一个独立的全桥逆变器，取消了分相电容，克服了由分相电容引起的频率不稳定的缺点，并且具有较高的直流母线电压利用率[2]。因此选用6单元的三菱pm20csj060（20a/600v）驱动0.75kw的单相交流感应电机[3]。 ipm接线如图2，n、p引脚接直流电源，直流电源信号经单相整流电路或直流母线获得。为了防止外部信号干扰，在ml4421和ipm之间加入了光电隔离电路，pwm波形输入端选用高速光藕hcpl4504，故障输出端和制动输入端选用低速光耦pc817，选用隔离电源m57140l，m57140l可提供四组+15v的隔离电源。up、vp、wp、un、vn、wn分别经过高速光藕接ml4421输出的6路pwm波形（ha、hc、hb、la、lc、lb），u、v分别接电机两相绕组，旁路电容取0.01uf。 [align=center]
图2ipm的接线[/align] 4结束语 本文利用ml4421，ipm功率模块，一些电容电阻，设计了小功率单相变频器，无需软件开发，硬件成本低，结构简单，可靠性高，保护能力强，缩短了系统开发时间，为笔者制造低成本、小体积单相变频器提供了一个思路。
图1ml4421的接线[/align] （1）1、2脚接来自电流互感器的电机电流反馈输入，isa、isb共同构成微分输入，检测a相的电流、电压和电流的相位差，然后与前端电压反馈共同决定给定相位角（精密转差控制时才有效）; （2）3脚是转差角设定（精密转差控制时才有效）; （3）4脚精密转差控制时微调正弦波的幅值，该脚接地时，不进行精密转差控制; （4）通过调节6脚的输入电压可以控制正弦波的幅值、频率。设c0为0°正弦波发生器起振电容，则0°正弦调制波频率f=（r6/r5）/（2×c0×0.356），同理可得90°正弦调制波频率; （5）选择8脚上不同的电阻r8，可设置死区时间t，t=r8/（5.2×104）; （6）9、10接正弦波发生器起振电容c0、c1，11脚设置复位时间，12脚设置pwm载波频率,载波（三角波）频率f=vref/（rref×7.2×c pwm） ; （7）13脚正反转选择，在驱动双相电机时控制其高低电平可实现正转/反转; （8）14脚制动时间选择，15脚过流保护输入来自电流变换器，限流保护电阻r15=0.5v/imax;16、25脚正弦波测试点; （9）18～23脚驱动6路pwm波形输出，18～20低端输出，21～23高端输出; （10）26～28脚接电压反馈输入，该电压指电机两个相位的pwm输出电压进行分压后的平均值。以上电容、电阻等参数可根据实际应用，选择不同的数值，以满足不同的控制效果[1]。 3主回路及驱动回路 传统的变频器的功率驱动和逆变电路有两个模块组成，现在这两部分由一个体积不大的ipm功率模块就可完成。ipm由高速、低功率igbt，优选的门级驱动器及保护电路构成。其中，igbt是gtr和mosfet的复合，由mosfet驱动gtr，因而ipm具有gtr高电流密度、低饱和电压、高耐压、mosfet高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点，保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护、过流保护和短路保护，当其中任一种保护功能动作时。ipm将输出故障信号fo。因此，ipm功率模块功能强大，可以简化电路设计。为了保证变频调速时，单相电机主副绕组严格相差90°，主回路选用三相全桥逆变，每个绕组都相当于一个独立的全桥逆变器，取消了分相电容，克服了由分相电容引起的频率不稳定的缺点，并且具有较高的直流母线电压利用率[2]。因此选用6单元的三菱pm20csj060（20a/600v）驱动0.75kw的单相交流感应电机[3]。 ipm接线如图2，n、p引脚接直流电源，直流电源信号经单相整流电路或直流母线获得。为了防止外部信号干扰，在ml4421和ipm之间加入了光电隔离电路，pwm波形输入端选用高速光藕hcpl4504，故障输出端和制动输入端选用低速光耦pc817，选用隔离电源m57140l，m57140l可提供四组+15v的隔离电源。up、vp、wp、un、vn、wn分别经过高速光藕接ml4421输出的6路pwm波形（ha、hc、hb、la、lc、lb），u、v分别接电机两相绕组，旁路电容取0.01uf。 [align=center] 图2ipm的接线[/align] 4结束语 本文利用ml4421，ipm功率模块，一些电容电阻，设计了小功率单相变频器，无需软件开发，硬件成本低，结构简单，可靠性高，保护能力强，缩短了系统开发时间，为笔者制造低成本、小体积单相变频器提供了一个思路。
