随着现代控制和计算机技术的飞速发展，交流变频调速系统的性能指标已达到了完全可以与直流调速相媲美的程度，其卓越性能使其应用范围越来越广[1]。对于变频调速系统的核心部件——变频器，小功率变频器是大公司所不重视的，但小功率电机的应用日益广泛，在工业自动化的运动机构，甚至于日常健康用品中都越来越多地用到轻载变频器。本系统采用了功率因素补偿技术，有效降低了电力负荷对电网的危害，增强了其适应性，达到了谐波控制的目的，节能效果明显，突出了绿色供电的安全性和节能性。

一、功率因素补偿(PFC)

在工业控制应用中，电网往往需要与整流器连接。经典整流器是由二极管或晶闸管组成的非线性电路，在电网中产生大量的电流谐波。pfc的目的是消除这些可能引起频率干扰的狭窄和陡峭的电网脉冲；更严重的是，其有效值大于所要求的负载功率输出，这不仅会导致输入电机的温升过高，而且会改善滤波电容器的温升，降低其可靠性。

功率因数校正技术在升压变换器中的应用。功率因数补偿电路的主要任务是利用升压转换器将沿正弦半波曲线上升和下降的不同输入电压转换成幅度略高于输入正弦电压的稳定DC输出电压。在正弦电压的整个半周内，导通时间由软件脉宽调制控制，软件脉宽调制检测输出电压，并通过误差放大器与内部基准电压进行比较，通过负反馈设置导通时间，从而保持输出电压恒定。

第二个任务是检测输入电网的电流，使其成为与输入电压相同的正弦波，这也需要通过调节Boost变换器的启动时间来实现，提前时间由负反馈回路确定，并采样电网的实际电流与参考正弦电流进行比较，两个正弦波之间的差值是误差电压，调节提前时间，使两个正弦波具有相同的振幅。

最终控制升压变换器导通时间的电压是直流输出电压的误差电压和输入网格电流的误差电压的合成电压。 这种组合通过LPC2148的乘法器来实现，该乘法器与输出电压的误差电压和输入电流的误差电压的乘积成比例。

二、 VF控制系统的实现

1、VF控制的硬件实现

变频器是利用现代电力电子和控制技术的新产品，主要用于各种工业和民用机电设备。其特点是通过改变供电频率来控制电机转速，从而提高机电设备的自动化程度，节约能源。变频控制电路结构简单、成本低、机械特性和硬度好，能够满足一般变速器平稳调速的要求，已广泛应用于工业的各个领域。

所涉及的变频器电路由主电路、驱动控制电路、人机接口、功率因数校正电路、保护电路、RS485通信接口电路和辅助电源电路组成。通过对各个模块的软硬件设计，实现了一种结构简单、功耗低、成本低、动态性能好的低功耗变频器。用户可以通过人机界面设置电机的启动/停止、正转/反转和转速，也可以通过外部终端的输入信号进行控制。系统硬件框图如图1所示。

                                      图1  系统硬件框图

 

                          图2  系统主程序流程

该系统含两个功率部分：带有PFC功能的BOOST电路和三相SPWM逆变桥电路。

第一部分是一个BOOST升压模块，电路中有电压和电流两个闭环回路，采用PID算法实现控制。一方面实现消耗电流对输入电压波形的跟踪，以及消耗电流和输入电压之间的相位同步；另一方面，逆变器桥总线的电压输出恒定在DC 375伏这个设计使市电供应在AC 85~265 V的范围时都可以得到功率因素补偿PF=1的效果。

第二部分由三个独立的半桥组成，它们由具有自升力驱动和保护功能的高低侧半桥驱动器驱动，lpc2148处理器是输出三通双边边调制的spwm波形的主控制器。在系统瞬时过载时，关闭部分驱动脉冲，长期过载可以使系统停止对外输出，待过载消失可以重新启动。逆变桥设计的最大调制比为85%，使母线电压375 V调制三相为220 V交流（375×0.85约大于220 V的峰值电压310 V）。

2、VF控制的软件实现

软件设计主要利用LPC2148自带SPWM发生模块、PFC控制模块和A/D转换电路的特点进行的。软件由主程序和中断程序组成。主程序包括LPC2148的初始化、A/D转换、参数设定、过压过流保护以及转速显示。其主程序流程如图2所示。

中断程序包括串口中断和定时器中断，当串口接收到外部中断后，CPU从串口读取参数，进入系统状态，如图3所示，其状态命令和标志说明如表1所列。

         图3  外部中断状态图

          表1  外部中断命令标志说明

执行完毕后，更新原有参数，然后回到主程序再次等待外部中断。在定时装置里面停止服务程序主要涉及lpc2148的内部spwm生产模块和图4中的中断程序流程。

     图4  内部定时器中断程序流程

三、实验仿真与结果

仿真软件采用matlab中的仿真，具有直接构建模块、缩短开发周期等优点。交流输入端为220 V、50 Hz电压，PFC中电感为1 μH，电容为450 μF，为方便观看输出电流波形，取时间长度为0.03 s，仿真结果如图5所示。同时通过检测消耗电阻两端电压与输入电压，并对电压波形进行比较，得到图6所示的波形。实验结果表明，在功率因数校正后，消耗电阻的电流接近输入电压后的正弦波。

             图5  三相输出电流波形

四、总结

利用功率因数校正技术和变频器控制论，建构低电功耗变频器，以性价比高的LPC2148芯片为控制核心，实现整体控制。 PFC技术的引进，有效减少了功耗对电力网的危害，达到了间歇波治理的目的，同时具有显着的节能效果，使电机运行更加稳定。 同时，LPC2148芯片的高性能使整个操纵系统的算法在数微秒内完成，大幅度提高了操纵系统的实时性能。 该变频器已在生产应用中使用。

         图6  消耗电阻电压与输入电压波形

上述文章是由三科变频器工程部人员所提供的，三相变频器的相关资料后整理编辑的。