变频器的工作原理-变频调速器原理-

1、变频器的工作原理 -变频调速器原理 -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(

2、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 卩s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

3、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

4、, 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

5、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 23 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

6、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，正弦波信号为土 10VP/6OHZ,当输入命令信号为-10V时， 正弦波信号依旧为土 10VP/60H Z,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

7、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，

8、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

9、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 IGBT5.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

10、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，

11、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

12、 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

13、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