针对电力电子技术课程实践教学的需要，设计了一款针对学校实验室的模型变频器，将工频电源转换成为另一任意可调的频率的电能，驱动三相异步电机旋转。电机控制系统可以控制电机软起动，通过电压频率转换电路和脉冲宽度调制(PWM)电路进行变压变频调速；电机驱动系统以IR2104为核心，利用大功率场效应管把电机控制的弱电信号转换成为驱动电机的高压电能；电机保护系统可以对过流、短路、缺相、过热等情况进行检测，必要时切断电源，提供保护。经功能测试及应用验证，该系统达到了预期的要求，可以应用于相关教学实验。
中文引用格式： 刘敬猛，李思琦. 模型变频器的设计与开发[J].电子技术应用，2019，45(10)：116-120.
英文引用格式： Liu Jingmeng，Li Siqi. Design and development of model inverter[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(10)：116-120.
课程实验是电力电子技术专业课的必备环节，是课堂知识的延伸与拓展，是课本知识与实际应用的衔接[1]。通过课程实验使学生加深理解三相异步电动机的工作原理和运行特性等内容，学会综合运用专业知识分析电机运行状态，培养分析问题和解决问题的能力，为后续的工作及专业研究方面奠定一定的基础[2]。实验室用模型变频器包括电机控制电路、电机驱动电路和电机保护电路三部分，可以控制电机软起动，进行变压变频调速，并对过流、短路、缺相、过热等情况进行检测，必要时切断电源，提供保护。系统结构框图如图1所示。系统集成电路由数字芯片和模拟芯片组成，相比于以单片机为核心的系统，具有结构简单、成本低廉、稳定性高的特点[3]。而且，学生便于测量系统关键点电压、波形等参数，易于理解系统工作原理，能更好地建立对实际系统进行调试、分析的综合素养，深化理解专业课程知识。
电机驱动电路主要包括软起动电路、电压频率转换电路和脉冲宽度调制(PWM)电路。软起动电路输出从0 V平滑变化的启动控制电压。电压频率转换电路将启动控制电压转换为方波信号，其频率与启动控制电压成正比，控制电机转速。脉冲宽度调制电路将启动控制电压转换为PWM波，其占空比与启动控制电压成正比，调节加载在电机上的等效电压。从而实现变压变频调速，保证电机平滑加速，平滑过渡。
2.1 软起动电路
软起动电路的实质是由两个积分环节和两个单位负反馈组成的二阶系统，动态结构图如图2所示。积分环节的实质是基于运算放大器的积分电路，积分电路的时间常数由电阻R和积分电容C决定[4]。通过改变运算放大器反馈电阻的值，可使反馈为单位负反馈。
2.2 电压频率转换电路
电压频率转换电路由CD4046锁相环组成，电路如图3所示。将12引脚悬空，使电阻R2趋于无穷大，电路最小输出频率为0 Hz。R1取100 kΩ，C1取200 pF，当输入VCO电压为5 V时，从第4引脚输出5 kHz频率的方波信号。由于C1充电回路和放电回路相同，输出方波信号占空比为1:1[5]。
输入VCO电压为软起动电路输出的启动控制电压时，从0 V升至5 V时，从第4引脚就可以得到0 Hz～5 kHz的方波信号，方波信号频率与输入VCO电压成正比，再经CD4040计数器分频即可得到频率100 Hz左右的方波信号驱动电机。CD4046锁相环不可直接输出低频方波信号，输出低频信号会不稳定。
2.3 脉冲宽度调制电路
由于电机驱动芯片IR2104为TTL兼容的数字芯片，因此应将启动控制电压模拟量转换成为占空比可调的PWM波，实现用数字方式控制模拟信号。这样也使MOSFET管工作在开关状态，提高效率，减少热损耗。脉宽调制电路如图4所示。三角波发生电路由集成运算放大器组成，可产生频率为1 kHz，输出范围在0～5 V的三角波，并输入至运算放大器负输入端。正输入端输入启动控制电压，两者经运算放大器比较，输出占空比正比于启动控制电压的PWM波[7-8]。加载到电机的电压的有效值等于实际电压与PWM波占空比之积，从而实现变压变频启动，实现恒磁通调速。
2.4 三相换相电路
三相异步电机换相可以使三相电流周期性变化，产生旋转磁场，电机转子在磁场作用下转动。本系统采用三三导通方式，每个瞬间有3个MOSFET管导通，每隔60°换相一次，每次换相一个MOSFET管，合成转矩转过60°，每个MOSFET管通电180°[9]。电压频率转换电路输出的方波信号送至CD4022脉冲分配器的时钟引脚，方波上升沿触发CD4022计数，使输出Y0～Y5依次输出高电平，Y6与清零端相接。所以输出组成“000001”、“000010”……“100000”6种不同的循环状态，在经过组合逻辑电路就得到控制电机6种状态的信号，组合逻辑如表1所示。
经过组合逻辑电路的状态转换，输出控制电机6种状态的信号C0C1C2依次为“110”、“100”、“101”、“001”、“011”、“010”。信号送至电机全桥式驱动电路，当控制信号C为“1”时，上桥导通，当控制信号C为“0”时，下桥导通。所以，MOSFET管导通顺序依次为Q1Q2Q3、Q2Q3Q4、Q3Q4Q5、Q4Q5Q6、Q5Q6Q1、Q6Q1Q2，实现三相异步电机180°导通。电机驱动电路包括MOSFET驱动器IR2104和大功率MOSFET管IRF830。IR2104为国际整流器公司生产的高功率MOSFET驱动器，具有独立的高侧和低侧输入通道。高压悬浮驱动技术可使高侧电压最高为600 V，并减少驱动电源的数目。MOSFET驱动器有两方面作用：一是将TTL芯片输出的5 V电平转换成为15 V电压输入MOSFET管栅极，二是提供数百毫安电流，克服MOSFET管栅极的密勒电容[10]。大功率MOSFET管采用IRF830，最大漏极电流为5.9 A。三相电机中一相的驱动电路如图5所示，其余两相与之原理相同。
IR2104第2引脚接电机控制信号C，当控制信号C为“1”时，上桥导通，当控制信号C为“0”时，下桥导通，使电机实现180°导通，并调节转速。第3引脚SD输入端为使能端，接PWM波，通过改变占空比间接调节加载到电机上的等效电压。最终实现电机变压变频调速。自举电容C1在高侧导通时为MOSFET管栅极提供足够的电荷，所以C1取1 μF。二极管D1在高侧导通时阻断直流干线上的高压，所以二极管选用MUR160，额定电压为600 V，恢复时间为35 ns，可减少自举电容向电源回馈电荷。电流传感器采集三相电机相电流数据，转换后送至电机保护电路。电机保护系统可以对过流、短路、缺相、过热等情况进行检测，必要时切断电源，并通过RS触发器对故障状态锁存，直至故障排除后复位。
4.1 传感器及转换电路
本系统采用三个CSNP661电流传感器检测电机的相电流，如图6所示。CSNP661为霍尼韦尔公司生产的闭环非接触式霍尔电流传感器，具有响应时间快、精度高、体积小、抗干扰能力强等特点。采用双电源±12 V供电，将被测电流以1 000:1输出，故输出为电流量[11-12]。
将传感器输出电流量转换成电压量，便于后续保护电路比较处理。电流电压转换电路由运算放大器和反馈电阻组成，反馈电阻取1 kΩ，可将传感器输出电流量转换成放大1 000倍的电压量。
4.2 过流保护电路
当电动机负荷过大，电流会超过额定电流，这时过流保护电路应当延迟一定时间发出信号，切断电源。考虑到电机相电流有正负之分，应将传感器输出电压送至窗口比较器比较，三相电流都在额定电流的正负范围内，输出高电平；有一相电流超出额定电流的正负范围，输出低电平。窗口比较器中比较器采用LM339，输出方式为集电极开路输出，可以进行线与运算。窗口比较器输出结果输入过流保护延迟电路，电机电流过大，延迟一定时间再切断电源。延迟电路由运算放大器LM339和单稳态触发器MC14538组成，延迟时间由RX和CX之积决定，本系统延迟时间t为3.3 s，原理图如图7所示。
当电机电流正常，窗口比较器输出高电平，单稳态触发器输出低电平，比较器1输出高电平，比较器2输出低电平，相与后输出低电平，无拉闸动作。当电机电流超出额定电流时间小于3.3 s，窗口比较器输出低电平，单稳态触发器输出高电平，比较器1输出低电平，比较器2输出高电平，相与后输出低电平，无拉闸动作。当电机电流超出额定电流时间大于3.3 s时，窗口比较器仍输出低电平，单稳态触发器输出转变为低电平，比较器1输出高电平，比较器2输出高电平，相与后输出高电平，控制继电器切断电机电源。
4.3 短路保护电路
三相电机单相接地短路会烧毁电机，相间短路会烧毁MOSFET管，所以一旦发生短路，应立即切断电源。相比于过流保护电路，短路保护电路提高了窗口比较器的阈值电压，并去掉了延迟电路。
4.4 缺相保护电路
缺相时，三相电机转速下降，噪声大，运行无力，温度上升，最终电机烧毁。所以电机一旦缺相，应切断电源。电流传感器输出信号经转换后得到的电压值送至窗口比较器，比较器的正负阈值应设定较小。当电流绝对值小于阈值电流时，窗口比较器输出0，表示该相无电流；当电流绝对值大于阈值电流时，窗口比较器输出1，表示该相有电流。三个窗口比较器输出结果送至组合逻辑电路进行缺相判断，缺相判断逻辑如表2所示。
三相均有电流，表明电机正常运转，缺相判断电路输出高电平，无保护动作。三相中任意一相或两相无电流，表明电机缺相，缺相判断电路输出低电平，控制继电器切断电机电源。三相均无电流时，表明电机未启动或已经触发其他保护停止运转，缺相判断电路输出高电平，无保护动作[13]。由于电机在换相过程中会出现极短时间电流为零的情况，因此缺相判断电路后应接延迟电路，某一相电流为零一段时间后再触发缺相保护。
4.5 过热保护电路
过热保护采用热电阻测温方法，热敏电阻R选用铜热电阻，安装在电机表面。铜热电阻随温度升高阻值增大，所以温度升高，运算放大器负输入端电压升高，运放输出低电平，表示电机过热，控制继电器切断电机电源[14]。反馈电阻的引入是为增加滞回特性[15]。过热保护电路原理如图8所示。
本文完成了模型变频器的原理设计，开发了三相异步电机控制电路、驱动电路、保护电路。通过功能测试与应用，系统运转正常，达到了预期的要求，可以应用于相关教学实验。系统实物图如图9和图10所示。
该课程实验有助于提高学生动手操作的能力，加深学生对于专业知识的理解，培养学生的创新能力和工程实践能力。
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作者信息:
刘敬猛，李思琦
(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京100191)
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