变频器的工作原理 - 图文

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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/05jf.html