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(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的 調(diào)速驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(chǎng)合，因轉(zhuǎn)流時(shí) 間為100數(shù)百 卩s閘流體高頻切換很難，其次是因?yàn)镻WM 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(shí)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(dá)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(hào)波。圖(B)和圖(C)為所對(duì)應(yīng)之波寬調(diào)變波形及輸出信號(hào)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(jí)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(jí)由六個(gè)電力電子組件組成， 其 輸出端為 U V W ，此六個(gè)組件的導(dǎo)通與關(guān)閉時(shí)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(hào)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(hào)之 頻率決定變頻器輸出電壓頻率，而參考信號(hào)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(bǔ)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(shí)間，通常大于導(dǎo)通 (turn-on) 時(shí)間， 因此必須于上下開關(guān)的 PWM 訊號(hào)之間加入一段延遲

5、時(shí)間， 以防止短路的情況發(fā)生。此延遲時(shí)間的設(shè)定主要根據(jù)的功率 組件的截止時(shí)間而定，通常設(shè)為截止時(shí)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(qǐng)參考本公司電力電子實(shí)習(xí)手冊(cè)。B. 交流電機(jī)寬調(diào)變信號(hào)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(hào) :說明如下 電源供應(yīng) 15V/0.5A ，輸入之控制信號(hào)10V。1. 延遲控制器 :當(dāng)控制信號(hào)輸入后先經(jīng)過延遲控制器，在電機(jī)之機(jī)械負(fù)載慣性較大時(shí)，必須將延遲時(shí)間調(diào)至較慢處，避免 因控制信號(hào)變動(dòng)太快，而損壞驅(qū)動(dòng)器或機(jī)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(hào)延遲并不改變其電壓值，控制信號(hào)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(hào)， 產(chǎn)生二個(gè)相位差為 120 度之正弦波 ;當(dāng)輸入命令信號(hào)為 10V 時(shí)，正弦波信號(hào)為土 10VP/6OHZ,當(dāng)輸入命令信號(hào)為-10V時(shí)， 正弦波信號(hào)依舊為土 10VP/60H Z,但兩組正弦波信號(hào)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(dāng)?shù)皖l時(shí)須作適當(dāng)之電壓提升，以使電機(jī)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(dòng) 作，保持原先輸入之命令電壓，當(dāng)命令電壓約低于 4V 時(shí)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(hào)為隨輸入之命令電壓而改變頻率之正弦波信號(hào)，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(dāng)?shù)兔铍妷撼艘缘皖l正弦波時(shí)，輸出便是振幅小且 頻率低之命令信號(hào)，反之當(dāng)高命令電壓乘以較高頻正弦波時(shí)， 輸出便是振幅大且頻率高之命令信號(hào)，故而達(dá)成電壓及頻率 線性改變之目的。5. 加法器 :因乘法器價(jià)格昂貴， 且三相平衡時(shí)三組信號(hào)相加為 零，在實(shí)用上只需產(chǎn)生兩組 VVVF控制信號(hào)R*及S*，第三 組控制信號(hào)只需將 R*及S*信號(hào)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(shí)，對(duì)系統(tǒng)之影響。7. PWM 信號(hào)產(chǎn)生器 : 由三組比較器所組成，將三組 VVVF 命令控制信號(hào)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(hào)，因驅(qū)動(dòng)器之開關(guān)組件 (IGBT) 導(dǎo)通及截 止都有時(shí)間延遲，易造成上下臂 IGBT 同時(shí)導(dǎo)通而短路，需 經(jīng) DEAD-TIME 控制，產(chǎn)生六組 PWM 控制信號(hào)。圖 1.4 交流電機(jī)波寬調(diào)變信號(hào)控制 器說明圖C. 交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)。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(dāng)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(hào)，利用光耦 合方式與高電壓之信號(hào)分開。4.驅(qū)動(dòng)電路 :將控制信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng) IGBT5.輸出單元 : 驅(qū)動(dòng)組件 IGBT ，50A/800V 。6. 輸出電流檢測(cè)器 :由霍爾效應(yīng)組件組成， 提供兩組輸出電流 信號(hào)，當(dāng)電流輸出為 1A 時(shí)，霍爾組件輸出電壓為 0.4V 。圖 1.5 交流電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器說明圖一.延遲控制器如圖 2.1 所示，當(dāng)控制信號(hào)由 I/P 端輸入后，經(jīng) OP U1A 及 U1B 所組成之延遲電路作時(shí)間之延遲，當(dāng)可變

10、電阻 R10 越 大時(shí)延遲之時(shí)間越久，由于控制之所需，此延遲后之控制信 號(hào)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(hào)為正電壓或是負(fù)電壓，延遲控制器之 輸出信號(hào) VC 大小與輸入信號(hào)相同，但永遠(yuǎn)為正值，而正負(fù) 電壓之判斷由比較器 U5 決定，當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，轉(zhuǎn)向輸 出信號(hào)DIR為正+5V，當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，DIR為0V，控制器利用 DIR 之信號(hào)決定電機(jī)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(hào) FO 為頻率隨 VC 改變之脈波。 轉(zhuǎn)向信號(hào) DIR 與頻率信號(hào) FO 經(jīng) U10ABC 處理，送入由 U11 U12 U13 (74193) 組成之計(jì)數(shù)器，當(dāng) DIR 信號(hào)為高電位時(shí)， U11 之 CU 輸入端有脈波信號(hào)輸入、 計(jì)數(shù)器上數(shù)， 當(dāng) DIR 信 號(hào)為低電位時(shí) U11 之 CD 輸入端有脈波信號(hào)輸入、 計(jì)數(shù)器下 數(shù)。計(jì)數(shù)器之輸出信號(hào)送入內(nèi)建值正弦波之 EPROM 中 (U14 SIN0,U15 SIN120) ，每一個(gè)地址 (address) 對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出， 再經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)模擬 IC (DAC0800) ，及信號(hào)處理 (OP07) ，便可 輸出正弦波信號(hào)，當(dāng) FO

12、 之頻率越高對(duì)應(yīng)輸出之信號(hào)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(hào) SIN0 及 SIN120 為頻率相 同之二個(gè)相位差為 120 度之正弦波 ;當(dāng)轉(zhuǎn)速信號(hào) DIR 高電位， 計(jì)數(shù)器上數(shù)時(shí)，輸出信號(hào) SIN0 領(lǐng)先 SIN120 120 度，反之 當(dāng)轉(zhuǎn)速信號(hào) DIR 為低電位，計(jì)數(shù)器下數(shù)，輸出信號(hào) SIN0 落 后 SIN120 120 度，即兩組正弦波信號(hào)相序相反。而 U3 之 V/F 轉(zhuǎn)換電路，決定正弦波信號(hào)之頻率，當(dāng)輸入信號(hào) VC 為 10V 時(shí)，應(yīng)調(diào)整可變電阻 R33 ，使正弦波信號(hào) 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(dāng)VC 輸電壓高于 4V 時(shí)， U6 輸出為低電位， RELAY 不動(dòng)作， BOOST 輸出 B 等于 VC ，當(dāng) VC 輸電壓低于 4V 時(shí)， U6 輸出為高電位， RELAY 動(dòng)作， BOOST 輸出 B 等于 VC 乘比 例 K(U2A)+0.8V(U2B) ，當(dāng) R52 越大時(shí) 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(yùn)算之結(jié)果均相同 (兩個(gè)輸入信號(hào)相乘除以 10)，但 AD532 只需調(diào)整一個(gè)輸出 OFFSET 量，而 AD533 不但需調(diào)整輸出 OFFSET 亦需調(diào)整兩個(gè)輸入信號(hào)之 OFFSET 量，故使用上 AD532 較方便，但其價(jià)格相對(duì)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(gè) 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