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变频器的工作原理
时间：2009-06-15 21:14:11来源：转载作者：西安未央区 张同江
变频器又称为变流器（Inverter），它是将电压值固定的直流电，转换为频率及电压有效值可变的装置，在工业上被广泛使用，如不断电系统、感应电动机与交流伺服电动机的调速驱动等。
二.基本原理
变频器之功能为将直流输入电压转换为所需之大小与频率之交流输出电压。若其直流输入电压为定值，则称为电压源型变频器(Voltage Source Inverter, VSI)；若直流输入电流维持定值，则称为电流源型变频器(Current Source Inverter, CSI)。变频器它的输出电力控制方法有PAM方式与PWM方式两种。
PAM(Pulse Amplitude Modulation)，由电源电压变换振幅而进行控制输出功率的方式，所以在变频器部位，只有控制频率，变流器控制输出电压。在闸流体变频器场合，因转流时间为100～数百μs，闸流体高频切换很难，其次是因为PWM控制困难，在该变频器部位的控制频率采用PAM方式，如图 1.1所示依PAM电压调整时之输出电压波形，电压高和电压低的情形。
图 1.1 PAM电压调整
脉波宽度调变(Pulse-width Modulation, PWM)，在输出波形中作成多次之切割，经由改变电压脉波宽度而达成输出电压之改变，如图1.2所示。依PWM变频器的电压调整原理，图(A)为三角载波与正弦波型的信号波。图(B)和图(C)为所对应之波宽调变波形及输出信号波之振幅。振幅相同、脉波宽度不同、可获得调整变化之正弦波的输出波形。
图 1.2 PWM电压调整
图1.3为三相变频器主电路之基本结构，其中前级由三相全波整流器组成，三相电源由L1 L2 L3输入，其直流输出电压经过电感L及电容C之滤波后，可获得几近无涟波之直流电压VDC。变频器之后级由六个电力电子组件组成，其输出端为U V W，此六个组件的导通与关闭时间可利用正弦式脉波宽度调变(Sinusoidal Pulse-width Modulation, SPWM)技术加以控制，SPWM是由一正弦波参考信号与较高频三角形载波相比较而产生，同图1.2所示，参考信号之频率决定变频器输出电压频率，而参考信号之峰值则控制了输出电压之有效值。而每半周期之脉波数目P则依据载波频率而定。SPWM方式可消除输出电压中所有低于或等于2P-1阶之谐波。
图1.3 三相变频器主电路结构
在理想的情况下，图1.3同相输出之上下开关，其 PWM波形应是互补的，也就是上开则下关，上关则下开。但由于功率组件的截止(turn-off)时间，通常大于导通(turn-on)时间，因此必须于上下开关的PWM 讯号之间加入一段延迟时间，以防止短路的情况发生。此延迟时间的设定主要根据的功率组件的截止时间而定，通常设为截止时间的2~3倍。
三.模块说明
A.直流电源供应器及设定单元请参考本公司电力电子实习手册。
B.交流电机宽调变信号控制器EM5201-3C如图1.4所示。
主要功能在产生六组PWM控制信号:说明如下
电源供应±15V/0.5A，输入之控制信号±10V。
1.延迟控制器:当控制信号输入后先经过延迟控制器，在电机之机械负载惯性较大时，必须将延迟时间调至较慢处，避免因控制信号变动太快，而损坏驱动器或机械结构。
2.命令弦波产生器:延迟控制器只将输入信号延迟并不改变其电压值，控制信号经延迟后分别送到命令弦波产生器及BOOST调整控制器，命令弦波产生器依输入之命令信号，产生二个相位差为120度之正弦波;当输入命令信号为10V时，正弦波信号为±10VP/60HZ，当输入命令信号为-10V时，正弦波信号依旧为±10VP/60HZ，但两组正弦波信号相序相反。
3.BOOST调整控制:正弦波宽调变SPWM最简单之控制方式为VVVF，及亦即输出电压及频率成线性关系改变，但此方式当低频时须作适当之电压提升，以使电机在低频操作下有较好之特性。所以在较高频率下BOOST调整控制器不动作，保持原先输入之命令电压，当命令电压约低于4V时便加入BOOST调整控制以提高命令电压。
4.乘法器: 命令弦波产生器，产生之控制信号为随输入之命令电压而改变频率之正弦波信号，其振幅固定为±10V，
亦只有V/F转换，故而将命令电压及命令弦波产生器送入乘法器，当低命令电压乘以低频正弦波时，输出便是振幅小且频率低之命令信号，反之当高命令电压乘以较高频正弦波时，输出便是振幅大且频率高之命令信号，故而达成电压及频率线性改变之目的。
5.加法器:因乘法器价格昂贵，且三相平衡时三组信号相加为零，在实用上只需产生两组VVVF控制信号R*及S*，第三组控制信号只需将R*及S*信号相加再反向便可。
6.三角波载波产生器: 可选择不同频率之三角波，5KHZ、10KHZ、20KHZ，以了解载波频率不同时，对系统之影响。
7.PWM信号产生器: 由三组比较器所组成，将三组VVVF命令控制信号R* S*及T*，与三角波载波产生器比较，产生三组PWM控制信号，因驱动器之开关组件(IGBT)导通及截止都有时间延迟，易造成上下臂IGBT同时导通而短路，需经DEAD-TIME 控制，产生六组PWM控制信号。
图1.4交流电机波宽调变信号控制器说明图
C.交流电机驱动器EM5201-3C
将交流电源转成直流，再将直流转成电压/频率可变之交流电源，驱动电机。
1. 三相整流及滤波电路:将输入单相或三相之交流电转变成直流电，直流输出300V/5AMAX。
2. 电流限制器: 当直流输出电流过大，关闭IGBT以免损坏。
3. 光耦合电路:将控制电路之低电压信号，利用光耦合方式与高电压之信号分开。
4. 驱动电路:将控制信号放大以驱动IGBT。
5.输出单元: 驱动组件IGBT，50A/800V。
6.输出电流检测器:由霍尔效应组件组成，提供两组输出电流信号，当电流输出为1A时，霍尔组件输出电压为0.4V。
图1.5交流电机驱动器说明图
一.延迟控制器
如图2.1所示，当控制信号由I/P端输入后，经OP U1A及U1B所组成之延迟电路作时间之延迟，当可变电阻R10越大时延迟之时间越久，由于控制之所需，此延迟后之控制信号再经OP U1C及U1D，所组成之整流电路加以处理，因此无论输入之控制信号为正电压或是负电压，延迟控制器之输出信号VC大小与输入信号相同，但永远为正值，而正负电压之判断由比较器U5决定，当输入电压为正时，转向输出信号DIR为正+5V，当输入电压为负时，DIR为0V，控制器利用DIR之信号决定电机正转或反转。
图2.1延迟控制器电路图
二.命令弦波产生器
命令弦波产生器是本控制器之心脏，如图2.2所示，延迟控制器之输出信VC，送入由U3(LM331)所组成之V/F转换电路，因此U3输出信号FO为频率随VC改变之脉波。
转向信号DIR与频率信号FO经U10ABC处理，送入由U11 U12 U13 (74193)组成之计数器，当DIR信号为高电位时，U11之CU输入端有脉波信号输入、计数器上数，当DIR信号为低电位时U11之CD输入端有脉波信号输入、计数器下数。
计数器之输出信号送入内建值正弦波之EPROM中(U14 SIN0,U15 SIN120)，每一个地址(address)对应一个输出，再经数字转模拟IC (DAC0800)，及信号处理(OP07)，便可输出正弦波信号，当FO之频率越高对应输出之信号变化越快，输出正弦波频率越高，因EPROM U14及U15内建正弦波值相差120，因此输出信号SIN0及SIN120为频率相同之二个相位差为120度之正弦波;当转速信号DIR高电位，计数器上数时，输出信号SIN0领先SIN120 120度，反之当转速信号DIR为低电位，计数器下数，输出信号SIN0落后SIN120 120度，即两组正弦波信号相序相反。而U3之V/F转换电路，决定正弦波信号之频率，当输入信号VC为10V时，应调整可变电阻R33，使正弦波信号SIN0 SIN120之频率恰好等于60HZ。
图2.2命令弦波产生器
三.BOOST调整控制器
如图2.3所示，比较器U6之+输入端，电压恰为4V，当VC输电压高于4V时，U6输出为低电位，RELAY不动作，BOOST输出B等于VC，当VC输电压低于4V时，U6
输出为高电位，RELAY动作，BOOST输出B等于VC乘比例K(U2A)+0.8V(U2B)，当R52越大时K值越大BOOST量越大。
图2.3 BOOST调整控制器电路图
四.乘法器
图2.4提供两种乘法器电路AD532及AD533供使用者参考，其运算之结果均相同(两个输入信号相乘除以10)，但AD532只需调整一个输出OFFSET量，而AD533不但需调整输出OFFSET亦需调整两个输入信号之OFFSET量，故使用上AD532较方便，但其价格相对也较高。
五.加法器
图2.5为一简单之反相加法器电路，其输入电阻及回授电阻，均需使用精密电阻，以将误差量降至最低。
图2.4 乘法器电路图
图2.5 加法器电路图
六.三角波载波产生器
如图2.6由两个OP组成之三角波电路，R62为OFFSET调整，R27为峰值之调整，藉由开关选择不同之电阻，可获得不同频率之三角波。
图2.6 三角波电路图
七．PWM信号产生器
如图2.7为PWM信号产生器电路，三相之正弦波信号R* S* T*分别与相同之三角波(TRI)比较，得到三组原始之PWM控制信号，再经史密特触发IC(7414)，作波形分相(三组控制信号经反相变成六组控制信号)，再经DEAD-TIME控制(电阻-电容延迟电路)而产生U+ U- V+ V- W+ W- 六组PWM控制信号。
图2.7 PWM信号产生器电路图
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