新型工業振動棒變頻電源的研制

摘要：介紹了一種新型的應用于工業振動棒的變頻電源，它大大改進了現有振動棒電源體積和重量大的缺陷，詳細介紹了幾個重要部分電路的設計，并通過各部分的分析和實驗說明本設計具有體積小，重量輕，高性能等多方面優點。

關鍵詞：有源功率因數校正；正激變換器；振動棒；變頻調速

0 引言

隨著電力電子技術，微型計算機和大規模集成電路的飛速發展，使得由變頻器組成的交流電機變頻調速系統迅速發展成熟起來，并得到了越來越廣泛的應用。

現有的振動棒產品基本上都是一種電動機帶發電機，再由發電機提供200Hz交流電，帶動高速振動棒電機運行的工作狀態。其突出的缺點是體積和重量都比較大，對現場施工造成使用和移動上的很大不便。本文研究的重點是將交流變頻調速技術，應用在振動棒這一種小型建筑用機械上，開發一種新型變頻電源。在實現振動棒功能的同時使整機的體積和重量都大幅減小，并提高輸入端的功率因數，穩定輸出端的電壓和頻率，還能降低產品的成本。該變頻電源基本性能指標如下：供振動器的內置式異步偏心式振動電機的電源頻率為200Hz，單相輸入，三相輸出，電機的線電壓為42V，單機功率為350W，要求能帶雙機運行。

1 電壓型逆變器的主電路

變頻電源不但要實現變壓和變頻功能，還要使輸入與輸出實現電氣隔離，并且還要滿足電網的諧波要求，其基本結構一般均包括 AC/DC， DC/DC和DC/AC等幾個重要部分。

本電源主電路由APFC前級，DC/DC和三相逆變3個部分構成。輸入經全橋不控整流后，用Boost電路作為APFC的電路拓撲進行電壓預調節。DC/DC部分采用單端正激變換器實現降壓和隔離的功能。三相逆變部分則采用SPWM控制方式，其基本結構如圖1所示。由于采用了功率因數校正技術，因此輸入功率因數高，電網側電流諧波小，對電網的諧波污染很小；而且當電網電壓波動或負載變化時，由于DC/DC環節的控制可以保持三相逆變部分的直流側電壓穩定，從而使系統的輸出電壓穩定，而不需要通過調節三相逆變部分的調制深度來改變輸出電壓的大小，因此，對逆變部分的控制芯片的要求就可以降低，可以采用比較廉價的CPU。另外，由于是低壓逆變，則可采用低壓MOS管作為逆變電路的功率開關管。

圖1 逆變電源的基本原理框圖

2 有源功率因數校正（APFC）電路

采用平均電流控制的Boost電路來實現APFC，是目前在高頻開關電源中使用最廣泛的一種APFC控制方法。應用平均電流控制法的功率因數校正器的控制電路在市場上已有很多種集成電路芯片可供選擇，其中美國Unitrode公司的UC3854是很有代表性的一種，并在實際中得到了較廣泛的應用。在本方案中，就是采用Unitrode公司的UC3854芯片來實現的，其電路原理圖如圖2所示，輸入端電壓電流實驗結果如圖3所示。實際電壓和圖中電壓對應關系為為1V∶1V，實際電流和圖中電流對應關系為4A∶1V。

圖2 UC3854功率因數校正電路原理圖

圖3 校正電路實驗波形

3 正激（Forward）變換器的設計

振動棒是一種手持式電動產品，為了操作人員的人身安全，輸入與輸出之間要實現電氣隔離。APFC前級的輸入與輸出是沒有隔離的，實現隔離的功能是由DC/DC部分完成的。由于采用的是高頻DC/DC變換電路，因此變壓器的體積可以做得很小。另外，由于APFC的輸出電壓大約為350～400V，考慮到后面逆變電路開關管的電壓應力問題，DC/DC部分應該還具有降壓的功能?；谶@種考慮，在本方案中，DC/DC部分采用的是正激變換電路（Forward Converter）。正激變換器的最大優點是結構簡單，可靠性高，減少了成本和重量?？紤]變壓器的磁復位問題，本方案采用如圖4所示的電路。在開關管導通時，變壓器傳輸能量，在開關管關斷時，輸出二極管D₁反偏沒有能量泄放回路，磁化能量將引起較大的反壓加在MOS管的漏極和源極之間。采用N₂線圈的作用就在于經二極管D可以把儲存的能量返回到電源中。只要N₂和N₁的匝數相同，開關管承受的漏－源電壓就為2V_s。采用N₁與N₂兩個繞組雙線并繞的方法，可以減小漏感。在圖4電路中，功率開關的控制芯片采用的是Unitrode公司的UC3844。

圖4 帶去磁復位的Forward電路原理圖