摘要：随着人们个人理念与我国科技的进步，每一个关于变频器的研发都拥有非凡的意义。本文主要针对一种新型的变频器硬件系统进行设计，这一系统主要包括整流滤波电路、逆变电路，电压、电流检测电路和控制电路等，设计过程复杂多样，具有完善的设计方案，其中MCU所采用的是瑞萨的16位单片机R5F21258SNFP。在设计中也要对新型变频器存在的不足进行改进和优化，为了促进硬件系统的长期稳定性。
关键词：变频器；硬件系统；电压电流
引言：随着我国科技技术的进步，工业自动化生产在我国迅速发展，变频器开始广泛运用于人们的日常生活中，它带来的积极作用特别多，既能提高劳动生产率又可减少能源消耗，既能改善产品质量又能降低生产成本，除此之外，还可以提高设备自动化程度。现如今，变频器产品发展迅速，它在交流调速中呈现较好的控制性，可以实现软启动，进行加减速控制，将电机的高性能展现出来。变频器利用电力半导体器件将工频交流电转变为电压、频率可调节的交流电[1]。我们现在常常采用的变频器依旧是直流电，首先通过整流器把工频的交流电源转换成直流电，之后再将直流电转换成电压、频率可调节、可控制的交流电，最后把交流电提供给电动机。变频器运行中会出现过压、欠压，过载、过流等多种问题，是变频器硬件系统中最容易出现的故障，我们针对这些问题要进行保护和改进，确保它的稳定性。
一、组成结构
整个硬件系统的组成结构是由整流滤波电路、逆变电路、控制电路、电流电压检测电路、驱动电路这几个部分组成。
通过输入380V交流电经过整流滤波电路变成直流电，再通过控制电路将直流电逆变生成交流电。这个过程中需要经过一系列的检测，像母线电压检测、逆变输出的电流检测、IGBT模块的温度检测，每一个的检测结果都需要送给MCU，MCU经过信号处理，一方面，通过调整PWM波来控制驱动电路来控制IGBT的开关，生成我们需要的交流电，另一方面，MCU跟进收集到的信号处理各种问题，反馈故障信息，保护驱动器。
二、整流滤波电路
工业上使用的380V交流电源需经过接触器、电抗器、滤波器输入给变频器，这样有能效改善输入交流电的质量，改善EMC。变频器输入端接上压敏电阻，防止雷击过电压保护整流电路，吸收雷击浪涌的能量。
变频器在进行刚通电的那一时刻，容易产生冲击电流，可能会对整流桥和滤波电容造成破坏，会导致输入电压骤降干扰电网。需在整流输出与滤波电容间加入限流电阻与之并联的继电器，变频器一上电，输入电流因限流电阻的作用，减少了冲击电流，保护了整流桥。当母线电压达到一定值时，MCU输出控制信号控制继电器的开通把限流电阻旁路。这样电路才进入正常运行状态，完全实现了电的“软启动”。
由于现代技术的进步与发展，新型变频器整流滤波电路的方式多种多样，需要的元件数量也很多，因为技术的限制，在某些紧急情况下并不能及时反应，无法尽快实施保护措施。与其他方式相比较，以上这种方式靠纯粹的硬件控制，结构紧凑、稳定可靠，在作为产品这一方面生产成本低。
输入的380V交流电首先经过上述整流电路输入给滤波电容这样才能产生稳定的直流电，滤波电容通常情况下为两个串联电解电电容，这样可以提高电解电容的耐压能力。为了平衡两个电解电容承受的电压，需在两个电容间分别并联阻值在十千欧姆的分压电阻，然而，在它带来优势的同时也存在着不足，假设一个分压电阻突然失效或者坏掉，很容易出现因均压误差过大引起的电容被烧坏现象[2]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为了避免这一现象的发生，我们采用两个单元电阻串联，每个电阻单元包括两组并联分压电阻，这样的话，当某个电阻失效时，电压不会产生明显变化，反而不会造成太大程度的损坏，能够有效地保护电容，确保电路正常的运行工作，也提供了充足的时间维护电路。
三、控制电路
新型变频器的控制核心采用的是瑞萨的16位单片机R5F21258SNFP，它一共包括两个UART口，它是用来与控制面板和上位机通信的。控制电路最重要的部分是MCU，它的作用是处理数据信号，保存数据信息，可以通过I2C与E2PROM通信，也可以产生控制驱动电路所需的PWM波，凭借电压、电流、温度信号控制IGBT模块的开关。在一些变频器产品中，完全可以结合软件的功能，实现产品的丰富多样性。
四、电压的检测
硬件系统在额定电压下工作，无论母线电压是过压还是欠压状态都会影响逆变电路的控制，甚至损坏电机，所以对母线电压的监控显得尤其重要。在母线电压检测电路中，母线直流电压通过电阻的分压，用MCU的IO口进行采样。在应用中，在母线电压的允许范围内，分压电阻的分压值有一定的合理范围，当MCU检测到寄存器值超出范围时，驱动电路输出被信号关断，从而保护了电机，防止电机的损坏。MCU的IO口承受电压有一定的要求，分压电阻失效可能会将MCU的IO口损坏，所以在母线电压检测电路中，输出的电压值，要一直处于MCU的承受范围之中。
五、输出电流的检测
在电流检测电路中，输出电流通过霍尔电流传感器输出电压值，通过运放电路调理输出给MCU。从而可以推断出输出电流值。如果霍尔电流传感器输出电压值超出限度范围，如果被MCU检测到时会关闭驱动电路的输出并发出报警信号，防止电机过流工作。
六、逆变电路
在通常六合一IGBT逆变电路中，逆变模块采用的是内部拥有六只IGBT，每只IGBT都有并联二极管。其中，二极管的作用是为IGBT反向电流提供通路的[3]。逆变模块内带有热敏电阻，可以用来当做IGBT模块温度的传感器，经过A/D采样后，通过端口将温度采样值送达至MCU的IGBT温度采样引脚，实时准确的读出IGBT模块温度，相应的软件还可以依据热故障做出相应的反应。
在有PWM功能的MCU可以控制UH、VH、WH、UL、VL、WL6路控制信号的输出，促使IGBT模块输出的频率和电压是确定好的。如果MCU检测到过流、过压等报警信号，当报警信号传给MCU后，控制UH、VH、WH、UL、VL、WL6路控制信号为高电平，IGBT关闭了电压的输出，从而保护了电机。
总结：本文简要介绍了一种新型变频器硬件系统的设计，结合相应的产品，清晰的设计方法和思路以及电路，变频技术完全可以运用到各行各业，特别是在一些类似于空调、冰箱、洗衣机之类的大家电中作用非常大、意义非凡。通过本文的研究和分析，我们可以保证新型变频器的电路系统安全可靠，应用灵活，在家电中的运用最为广泛。在具体的应用中，产品丰富的功能需要软件的支持，硬件作为基础，软件作为核心。科技与时俱进不断发展的同时，变频技术在各行各业中的运用越来越广泛，与传统的定频技术相比，变频技术存在一定的弊端：电路复杂，故障重复出现率高，维修成本高。针对这一系列问题，我们要进一步研究变频技术，增强变频技术的稳定性和可靠性。
参考文献：
[1]节能变频器研究与结构设计方式分析[J].李元月，孙艳兵.现代制造技术与装备.2017（01）
[2]高压变频器散热系统设计分析[J].韩飞，杨斌.山东工业技术.2017（03）
[3]高压变频器[J].变频器世界.2017（03）
论文作者:虞乾恒,周兵兵,张晓峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/13
标签：变频器论文; 电路论文; 电压论文; 交流电论文; 母线论文; 电流论文; 直流电论文; 《电力设备》2018年第8期论文;