1智能功率模块IPM及单片机80C196MC在变频调速装置中的.pdf

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1、2 0 0 3 年第4 期 矿 业 科 学 技 术 1 7 智能功率模块I P M 及单片机8 0 C 1 9 6 MC 在变频调速装置中的应用 章丽红 欧阳名三(安徽理工大学)摘 要：介绍了 一种应用智能功率模块I P M和嵌入式微处理器8 0 C 1 9 6 MC的变频调速装置。文中重点叙述 了I P M 模块的使用和功能 及其使用时应注意的有关问题。关键 司：变频调速；微处理器；智能功率模块 1 引言 电力电子器件的发展为交流调整奠定了物质基 础。电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。I n t e l l i m o d TM一3智能功率模块 I P M (I n t

2、 e l l i g e n t P o w e r Mo d u l e s。以下简称智能模块)是 一种由几个高速、低功耗的I G B I 和最优选的门驱动 电路集成为一体的混合电路器件 它通过采用先进 的电流检测型I G B T和与之相匹配的门控电路，实 现高效的自保护功能。智能模块的使用能缩短系统 的设计时间，提高系统的可靠性，并使系统硬件电路 简单紧凑，大大减少系统尺寸。它曾被人比喻成一个 用于变频控制的灵活简单的黑匣子。本文采用I P M 作为逆变器的变频调整系统，并指出了应用I P M时 需特别注意的问题。墨 寰 珊 2 变频调速系统结构 图1 变频调整装置原理框图 图1 示出采用

3、智能功率模块I P M 的鼠笼感应电 动机变频调速系统。系统主回路为交一直一交电压 型变频电路，它由二极管整流模块VD M、直流滤波电 容C和I P M逆变器组成 控制系统是以嵌入式微控 制器8 0 C1 9 6 MC为核心。从8 0 C1 9 6 MC波形发生器 发出的P WM波形经门驱动电路转换为智能功率模 块所需要的P WM波形(转化后波形的最高电平是+1 5 v)，进而控制逆变器中功率开关管I P M的 6 个 维普资讯 http:/ 1 8 矿 业 科 学 技 术 2 0 0 3 年第4 期 I G B T的导通、关断 在I P M 的输出端就得到了用来 驱动电机的各种电压波形。在整

4、个系统中，控制系统 给主回路提供控制波形 并担负起全系统的控制和 监护：单片机8 0 C 1 9 6 MC监控变频调速装置的工作 状态，显示变频器的输出频率。当变频装置出现短 路、过流、欠压、过热等故障时，故障中断信号接到单 片机的E X T I N T引脚，引发E X T I N T中断 在中断 服务程序中查询相应的故障输入信号以查明到底发 生哪种故障，并作出相应的处理。同时将故障中断信 号作为P WM封锁信号用来封锁驱动信号，起到及 时保护的作用。3 变频调速系统主电路设计 用智能模块构成的变频调速系统用于鼠笼感应 电动机的速度控制。已知三相异步电动机额定功率 为 1 1 k w，输出频率

5、为 2 5 0 Hz，调速范围 6 O 1 5 0 0 r rai n，选择额定转速为1 4 5 0 r ra i n，额定电压为 2 2 0 V，额定电流为5 A。3 1 逆变器功率元件的计算 在选用智能功率模块时，需要考虑到电机的过 载要求，且模块应具有通用变频器的性能。功率元件 的电流定额：，一(1 2 2)I 一(1 2 2)5 1 2 1 0 2 1 7(A)(1)式中：(1 2 2)安全裕量；1 2 考虑电机的过载倍数。变频器的输出电压为2 2 0 V，因此直接对2 2 0 V 的交流电进行三相桥式整流，得直流电压为：Ud=1 3 5 1 2 2 2 0：3 5 6(V)(2)式中

6、：I 3 5 三相桥整流系数；I 2 考虑大电容滤波后的电感升高系 数。功率元件电压定额为：I 5 U d=1 5 3 5 6 5 3 4(V)(3)故可 选用 1 5 A 6 0 0 V 的智能模 块，型号 为 P MI 5 C EA0 6 0 1 1 k W 的鼠笼感应电动机变频调速系统使用 P M1 5 C E A 0 6 0 作为主开关管，这个I P M为6 个I G B T 复合管，是三菱公司的早期产品 该模块要求U、V、W 三相的上桥臂驱动电源必须由3 个相互隔离的独 立电源供电 U、V、w 三相的下桥臂公用一个驱动 电源。驱动电源均为十1 5 电源。直流母线电压即P，N间的电压推

7、荐不高于4 5 0 V，在2 5 时 功耗不大 于5 6 W。工作环境温度范围为一2 O 十1 0 0。3 2 整流二极管的计算 电流定额：，D 一(2 3)0 3 6 8 I (2 3)0 3 6 8X 5 1 2 6 2 9 4(A)(4)式中：(2 3)安全裕量 0 3 6 8 三相桥系数。考虑滤波电容的充电电流影响，要有更大的电 流裕量，先用，D=1 5 A。电压定额：U D 一(2 3)一(2 3)2 2 0 6 2 2 9 3 3()(5)选用 D 一1 0 0 0 V。为减小变频调速系统的体积，使之易于安装，选 用I 5 A 1 0 0 0 V三相桥整流模块。3 3 滤波电容的计

8、算 电容c 和负载等效电阻的时间常数应远大于 三相桥整流输出电压的脉动周期T：3 3 m s，所以：C 2 一(O 0 0 3 3 1 0 3)R i(u F)(6)取负载等效电阻R s=1 5 C 2，则C 2 1 6 5 0 u F，实 取C 2 1 7 0 0 u F。因为直流电压U d=3 5 6 V，而 1 7 0 0 F的电解电 容耐压大约为3 0 0 V，故选用四只1 7 0 0,u F 3 O O V电容 进行两串两并，以提高耐压，获得大容量。3 4 I P M 逆变器开关频率确定 在变频调速装置中，采用S P WM 逆变器可以大 大降低逆变器输出电压的谐波，使逆变器的输出电

9、流接近正弦波。谐波的减小取决于逆变器功率元件 的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。尽管智能功率模块I P M 的开关频率可达 1 O 2 0 k H z，但在确定逆变器开关频率时，除了应使逆变 器输出接近正弦波，还要考虑器件的开关损耗，以保 证变频调速装置具有较高的效率。因此，必须全面权 维普资讯 http:/ 煤炭浮沉试验自动操作系统的研究 1 9 衡后再确定采用I P M 的逆变器的开关频率。本系统 开关频率选用8 k H z。4 实验情况 I P M模块与普通的I G B T模块相比 其内部集 成了电流传感器，可以检测过电流及短电流 这与以 往需用电流互感器检测电流相比，实现了

10、低成本化 和小型化；驱动回路与保护回路等外部回路均做到 了集成化 大幅度缩短了设计与开发时间；模块内带 有过流、欠压、过热等保护功能，提高了可靠性；不需 要实施以往MO S系列功率模块的防静电措施 操作 非常方便。实验表明，本系统设计的变频器可在较恶劣的 工作环境下安全可靠地运行。图2 和图3 为实验测到 的一组电机电压电流波形图。时间t m 2 5 )图 2 n 一1 4 0 0 r mi n电压 波形 图 图3 n 一1 0 0 0 r mi n电流波形图 (下转 第2 2页)维普资讯 http:/ 2 2 矿 业 科 学 技 术 2 0 0 3 年第 4 期 以下突出优点：减少了实验人员

11、与腐蚀性重液接触 的机会，减轻了实验人员的劳动强度，提高了实验的 自动化水平。但是，该装置还存在很多不足之处。由 于煤的品种各异，各种不同的煤质对搅拌次数的要 求存在一定的差异 因而时间上也会存在差异。如何 找到一个通用而又合理的控制时间，尚须做大量的 试验。在目前的情况下，这项工作是难以开展的。其 次，介质的脱离时问控制也是一个问题，随着介质密 度的增大、煤炭粒级的减小，由一种介质转向另一种 介质进行试验时，何时将前一种介质滤尽，人工试验 是不难掌握的，但机器却难以控制。因为程序的时间 一旦设定，机器便只有惟命是从了。第三，由于试验 过程中管路及泵体内残存有重液，加重了各种密度 级重液的密度

12、值的不准确性，必须随时检查和调整 重液的密度，保证密度值的准确性。第四，试验室环 境温度的差别对重液粘度的影响也会导致浮沉时间 的变动。当然，泵的流量和扬程、搅拌器的搅拌速度 等也会对试验结果的准确性产生一定的影响。总之，上述种种因素都会给试验的结果造成一 十 定的误差。如何降低这些因素的影响，尚须作进一步 的研究。参考文献 1 钟肇新，彭侃 可编程控制器原理及应用，广州：华南理工大学出版社，2 0 0 1 2 可编程序控制器S R一2 1 2 2、S E 一2 2 用户手册，华光电子工业有限公司 3 白铭声，陈祖苏 流体机械 北京：煤炭工业出版 社 4 周振英，刘炯天 选煤工艺试验研究方法，

13、徐州：中国矿业大学出版社，1 9 9 1 5 选煤技术标准手册，煤炭科学研究院唐山分院 6 唐岳军 煤炭检测技术，淮南矿业学院选矿教研 室 作 者 简 介 王庆龙，男，安徽理工大学材料科学与工程 系 2 0 0 1级硕士研究生。(上接 第1 9页)从实验中可以注意到，I P M尽管具有良好的保 护性能，但若在使用中处理不当 亦会发生误导通，甚至损坏功率元件。因此要注意以下方面：(1)设计电路时，尽量缩短光耦输出端到I P M 输入端的导线，同时尽量减少光耦的输入和输出端 的布线电容。(2)要求使用高速光耦：T P L H，T P L H0 8 s，有高的C MR R，C MR R l O o

14、d B。(3)必须使用4 个相互独立和隔离的控制电源，并且采取一定措施以减小电源电压的波动。(4)某个保护信号引脚没有使用时，一定要把它 接到驱动电源的正端。5 结语 智能模块本身带有驱动电路和高效的自保护功 能，集成度很高。并且由于系统中采用了l 6 位单片 机 8 0 C 1 9 6 MC，控制系统的软、硬件较 8 0 9 8系统简 单、灵活，电动机电流近似正弦波，电动机脉动转矩 小。整个变频调速装置的动态响应、输出特性、保护 功能及可靠性等方面在实验中都达到了一定的要 求。这样一种实用化、智能化的装置具有良好的推广 应用价值。参考文献 1 孙涵芳 I n t e l 1 6 位单片机，北京：北京航空航天 大学出版社，1 9 9 5 2 Us i n g I n t e l l i mo d TM 一 3 I n t e l l i g e n t P o we r M o d u l e s 厂家技术资料 3 陈国星 P WM 变频调速技术，北京：机械工业出 版社，1 9 9 8 4 李华德 现代交流电机变频调速系统 M，北京：石油工业出版社，1 9 9 6 作 者 简 介 章丽红，女，安徽桐城人，安徽理工大学电气系 硕士研究生，研 究方向为电力电子与电力传动。维普资讯 http:/