變頻器的工作原理-變頻調(diào)速器原理-

1、變頻器的工作原理 -變頻調(diào)速器原理 -變頻器又稱為變流器( Inverter )，它是將電壓值固定的 直流電，轉(zhuǎn)換為頻率及電壓有效值可變的裝置，在工業(yè)上被 廣泛使用，如不斷電系統(tǒng)、感應(yīng)電動機與交流伺服電動機的 調(diào)速驅(qū)動等。二.基本原理 變頻器之功能為將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需之大小與頻率 之交流輸出電壓。若其直流輸入電壓為定值，則稱為電壓源 型變頻器 (Voltage Source Inverter, VSI) ；若直流輸入電流維 持定值，則稱為電流源型變頻器 (Current Source Inverter, CSI) 。變頻器它的輸出電力控制方法有 PAM 方式與 PWM 方式兩種。PAM(

2、Pulse Amplitude Modulation) ，由電源電壓變換振幅而 進行控制輸出功率的方式，所以在變頻器部位，只有控制頻 率，變流器控制輸出電壓。在閘流體變頻器場合，因轉(zhuǎn)流時 間為100數(shù)百 卩s閘流體高頻切換很難，其次是因為PWM 控制困難，在該變頻器部位的控制頻率采用 PAM 方式，如 圖 1.1 所示依 PAM 電壓調(diào)整時之輸出電壓波形，電壓高和 電壓低的情形。圖 1.1 PAM 電壓調(diào)整脈波寬度調(diào)變 (Pulse-width Modulation, PWM) ，在輸出波 形中作成多次之切割，經(jīng)由改變電壓脈波寬度而達成輸出電 壓之改變， 如圖 1.2 所示。依 PWM 變頻器

3、的電壓調(diào)整原理， 圖(A)為三角載波與正弦波型的信號波。圖(B)和圖(C)為所對應(yīng)之波寬調(diào)變波形及輸出信號波之振幅。振幅相同、脈波寬 度不同、可獲得調(diào)整變化之正弦波的輸出波形。圖 1.2 PWM 電壓調(diào)整圖 1.3 為三相變頻器主電路之基本結(jié)構(gòu)，其中前級由 三相全波整流器組成， 三相電源由 L1 L2 L3 輸入， 其直流輸 出電壓經(jīng)過電感 L 及電容 C 之濾波后， 可獲得幾近無漣波之 直流電壓 VDC 。變頻器之后級由六個電力電子組件組成， 其 輸出端為 U V W ，此六個組件的導通與關(guān)閉時間可利用正弦 式脈波寬度調(diào)變 (Sinusoidal Pulse-width Modulation

4、, SPWM) 技術(shù)加以控制， SPWM 是由一正弦波參考信號與較 高頻三角形載波相比較而產(chǎn)生，同圖 1.2 所示，參考信號之 頻率決定變頻器輸出電壓頻率，而參考信號之峰值則控制了 輸出電壓之有效值。 而每半周期之脈波數(shù)目 P 則依據(jù)載波頻 率而定。 SPWM 方式可消除輸出電壓中所有低于或等于2P-1 階之諧波圖 1.3 三相變頻器 主電路結(jié)構(gòu)在理想的情況下，圖 1.3 同相輸出之上下開關(guān)，其 PWM 波 形應(yīng)是互補的，也就是上開則下關(guān)，上關(guān)則下開。但由于功 率組件的截止 (turn-off) 時間，通常大于導通 (turn-on) 時間， 因此必須于上下開關(guān)的 PWM 訊號之間加入一段延遲

5、時間， 以防止短路的情況發(fā)生。此延遲時間的設(shè)定主要根據(jù)的功率 組件的截止時間而定，通常設(shè)為截止時間的 23 倍。三.模塊說明A. 直流電源供應(yīng)器及設(shè)定單元請參考本公司電力電子實習手冊。B. 交流電機寬調(diào)變信號控制器EM5201-3C如圖1.4所示。主要功能在產(chǎn)生六組 PWM 控制信號 :說明如下 電源供應(yīng) 15V/0.5A ，輸入之控制信號10V。1. 延遲控制器 :當控制信號輸入后先經(jīng)過延遲控制器，在電機之機械負載慣性較大時，必須將延遲時間調(diào)至較慢處，避免 因控制信號變動太快，而損壞驅(qū)動器或機械結(jié)構(gòu)。2. 命令弦波產(chǎn)生器 :延遲控制器只將輸入信號延遲并不改變其電壓值，控制信號經(jīng)延遲后分別送到

6、命令弦波產(chǎn)生器及BOOST 調(diào)整控制器，命令弦波產(chǎn)生器依輸入之命令信號， 產(chǎn)生二個相位差為 120 度之正弦波 ;當輸入命令信號為 10V 時，正弦波信號為土 10VP/6OHZ,當輸入命令信號為-10V時， 正弦波信號依舊為土 10VP/60H Z,但兩組正弦波信號相序相 反。3. BOOST 調(diào)整控制 :正弦波寬調(diào)變 SPWM 最簡單之控制方 式為 VVVF ，及亦即輸出電壓及頻率成線性關(guān)系改變，但此 方式當?shù)皖l時須作適當之電壓提升，以使電機在低頻操作下 有較好之特性。所以在較高頻率下 BOOST 調(diào)整控制器不動 作，保持原先輸入之命令電壓，當命令電壓約低于 4V 時便 加入 BOOST

7、調(diào)整控制以提高命令電壓。4. 乘法器 : 命令弦波產(chǎn)生器，產(chǎn)生之控制信號為隨輸入之命令電壓而改變頻率之正弦波信號，其振幅固定為10V，亦只有 V/F 轉(zhuǎn)換，故而將命令電壓及命令弦波產(chǎn)生器送入乘 法器，當?shù)兔铍妷撼艘缘皖l正弦波時，輸出便是振幅小且 頻率低之命令信號，反之當高命令電壓乘以較高頻正弦波時， 輸出便是振幅大且頻率高之命令信號，故而達成電壓及頻率 線性改變之目的。5. 加法器 :因乘法器價格昂貴， 且三相平衡時三組信號相加為 零，在實用上只需產(chǎn)生兩組 VVVF控制信號R*及S*，第三 組控制信號只需將 R*及S*信號相加再反向便可。6. 三角波載波產(chǎn)生器 : 可選擇不同頻率之三角波，

8、5KHZ 、10KHZ 、 20KHZ ，以了解載波頻率不同時，對系統(tǒng)之影響。7. PWM 信號產(chǎn)生器 : 由三組比較器所組成，將三組 VVVF 命令控制信號R* S*及T*，與三角波載波產(chǎn)生器比較，產(chǎn)生 三組 PWM 控制信號，因驅(qū)動器之開關(guān)組件 (IGBT) 導通及截 止都有時間延遲，易造成上下臂 IGBT 同時導通而短路，需 經(jīng) DEAD-TIME 控制，產(chǎn)生六組 PWM 控制信號。圖 1.4 交流電機波寬調(diào)變信號控制 器說明圖C. 交流電機驅(qū)動器 EM5201-3C 將交流電源轉(zhuǎn)成直流， 再將直流轉(zhuǎn)成電壓 /頻率可變之交流電 源，驅(qū)動電機。1. 三相整流及濾波電路 :將輸入單相或三相之

9、交流電 轉(zhuǎn)變成直流電，直流輸出 300V/5AMAX 。2. 電流限制器 : 當直流輸出電流過大，關(guān)閉 IGBT以免損壞。3. 光耦合電路 :將控制電路之低電壓信號，利用光耦 合方式與高電壓之信號分開。4.驅(qū)動電路 :將控制信號放大以驅(qū)動 IGBT5.輸出單元 : 驅(qū)動組件 IGBT ，50A/800V 。6. 輸出電流檢測器 :由霍爾效應(yīng)組件組成， 提供兩組輸出電流 信號，當電流輸出為 1A 時，霍爾組件輸出電壓為 0.4V 。圖 1.5 交流電機驅(qū) 動器說明圖一.延遲控制器如圖 2.1 所示，當控制信號由 I/P 端輸入后，經(jīng) OP U1A 及 U1B 所組成之延遲電路作時間之延遲，當可變

10、電阻 R10 越 大時延遲之時間越久，由于控制之所需，此延遲后之控制信 號再經(jīng) OP U1C 及 U1D ，所組成之整流電路加以處理，因 此無論輸入之控制信號為正電壓或是負電壓，延遲控制器之 輸出信號 VC 大小與輸入信號相同，但永遠為正值，而正負 電壓之判斷由比較器 U5 決定，當輸入電壓為正時，轉(zhuǎn)向輸 出信號DIR為正+5V，當輸入電壓為負時，DIR為0V，控制器利用 DIR 之信號決定電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。圖 2.1 延遲控 制器電路圖二.命令弦波產(chǎn)生器 命令弦波產(chǎn)生器是本控制器之心臟，如圖 2.2 所示，延遲控 制器之輸出信 VC ，送入由 U3(LM331) 所組成之 V/F 轉(zhuǎn)換電 路，

11、因此 U3 輸出信號 FO 為頻率隨 VC 改變之脈波。 轉(zhuǎn)向信號 DIR 與頻率信號 FO 經(jīng) U10ABC 處理，送入由 U11 U12 U13 (74193) 組成之計數(shù)器，當 DIR 信號為高電位時， U11 之 CU 輸入端有脈波信號輸入、 計數(shù)器上數(shù)， 當 DIR 信 號為低電位時 U11 之 CD 輸入端有脈波信號輸入、 計數(shù)器下 數(shù)。計數(shù)器之輸出信號送入內(nèi)建值正弦波之 EPROM 中 (U14 SIN0,U15 SIN120) ，每一個地址 (address) 對應(yīng)一個輸出， 再經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)模擬 IC (DAC0800) ，及信號處理 (OP07) ，便可 輸出正弦波信號，當 FO

12、 之頻率越高對應(yīng)輸出之信號變化越 快，輸出正弦波頻率越高，因 EPROM U14 及 U15 內(nèi)建正 弦波值相差 120 ，因此輸出信號 SIN0 及 SIN120 為頻率相 同之二個相位差為 120 度之正弦波 ;當轉(zhuǎn)速信號 DIR 高電位， 計數(shù)器上數(shù)時，輸出信號 SIN0 領(lǐng)先 SIN120 120 度，反之 當轉(zhuǎn)速信號 DIR 為低電位，計數(shù)器下數(shù)，輸出信號 SIN0 落 后 SIN120 120 度，即兩組正弦波信號相序相反。而 U3 之 V/F 轉(zhuǎn)換電路，決定正弦波信號之頻率，當輸入信號 VC 為 10V 時，應(yīng)調(diào)整可變電阻 R33 ，使正弦波信號 SIN0 SIN120 之頻率恰

13、好等于 60HZ 。圖 2.2 命令弦波產(chǎn)生器三 .BOOST 調(diào)整控制器如圖2.3所示，比較器U6之+輸入端，電壓恰為4V ,當VC 輸電壓高于 4V 時， U6 輸出為低電位， RELAY 不動作， BOOST 輸出 B 等于 VC ，當 VC 輸電壓低于 4V 時， U6 輸出為高電位， RELAY 動作， BOOST 輸出 B 等于 VC 乘比 例 K(U2A)+0.8V(U2B) ，當 R52 越大時 K 值越大 BOOST 量 越大。圖 2.3 BOOST 調(diào)整控制器電路圖四 . 乘法器圖 2.4 提供兩種乘法器電路 AD532 及 AD533 供使用者參考， 其運算之結(jié)果均相同 (兩個輸入信號相乘除以 10)，但 AD532 只需調(diào)整一個輸出 OFFSET 量，而 AD533 不但需調(diào)整輸出 OFFSET 亦需調(diào)整兩個輸入信號之 OFFSET 量，故使用上 AD532 較方便，但其價格相對也較高。五.加法器圖 2.5 為一簡單之反相加法器電路， 其輸入電阻及回授電阻， 均需使用精密電阻，以將誤差量降至最低。圖 2.4 乘法器電路圖圖 2.5 加法器電路圖六.三角波載波產(chǎn)生器如圖 2.6 由兩個 OP 組成之三角波電路， R62 為 OFFSET 調(diào)整， R27 為峰值之調(diào)整，藉由開關(guān)選擇不同之電阻，可獲 得不同頻率之三角波。圖