低壓變頻調(diào)速裝置電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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0引言

由于環(huán)保意識(shí)的抬頭，世界各國(guó)均以減少污染與能源損耗作為工業(yè)發(fā)展的重要參考指標(biāo)；用變頻器達(dá)到節(jié)約能源為最直接有效的節(jié)能控制方法之一。近年來隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，變頻器的性能不斷提高，應(yīng)用范圍越來越廣。在當(dāng)前電子元件的不斷發(fā)展中，低壓變頻調(diào)速裝置是常用的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置，是由通用變頻器、抑制諧波設(shè)備、一次和二次電器設(shè)備組成的柜式裝置，一般獨(dú)立布置于配電室內(nèi)。

1低壓變頻調(diào)速裝置的概述

現(xiàn)今多階變頻器技術(shù)大多經(jīng)由多顆電容切割電壓，利用硬件電路及控制法將其組合成弦波電源輸出。然而，因各輸入電容儲(chǔ)能與釋能不一致產(chǎn)生電壓不平衡效應(yīng)，此效應(yīng)在重載時(shí)極其明顯，使得輸出合成弦波總諧波失真率上升；同時(shí)在組件上的電壓應(yīng)力也隨之增加，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致組件毀損[1]。為了解決電容電壓不平衡效應(yīng)，學(xué)者們提出許多調(diào)變技術(shù)來解決此問題，但這也造成輸出總諧波失真率上升且輸出電壓的應(yīng)用范圍有限。另一種解決途徑是在多階變頻器前加入電壓平衡電路，與調(diào)變技術(shù)相比雖需使用額外的組件，造成電路體積擴(kuò)大及費(fèi)用增加，但可明顯地降低總諧波失真率[2]。

2低壓變頻高速裝置的電路設(shè)計(jì)

直流至交流變頻器主要用于將直流電源轉(zhuǎn)換為振幅及頻率均可調(diào)控之正弦交流電源，常用于交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)及交流不斷電電源供應(yīng)器，各種電源轉(zhuǎn)換器架構(gòu)也逐漸被開發(fā)出來。一般電源轉(zhuǎn)換器籍由控制開關(guān)組件之導(dǎo)通與截止，使電路行為模式與成效達(dá)到預(yù)期。在功率組件的選擇上，一般著重于組件之耐壓、耐流與操作頻率。為了增加電路效率與操作性能，許多新組件也被開發(fā)出來使用于電源轉(zhuǎn)換電路中。閘極絕緣雙極性晶體管具有閘極之高阻抗特性，僅需些微能量即能觸發(fā)開關(guān)，即使在高電壓的操作環(huán)境下導(dǎo)通電阻亦低。高功率組件一般在切換時(shí)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，切換過程中之損失也是不容小覷的。多階變頻器其設(shè)計(jì)目的主要在于改善傳統(tǒng)變頻器輸出電源之諧波失真，隨著階數(shù)提升，組件耐壓也隨之減小，進(jìn)而降低組件損耗使得電路整體效率增加。傳統(tǒng)多階變頻器為了減少輸出總諧波失真率，一般都是通過調(diào)高變頻器之切換頻率來改善，但在某些高功率的應(yīng)用場(chǎng)合下，組件規(guī)格及切換損便會(huì)成為變頻器的限制。輸入端以電容器串聯(lián)分壓，開關(guān)以串聯(lián)型式連接后，再以二極管提供電流路徑[3]。現(xiàn)今二極管箝位式多階變頻器已被廣泛地運(yùn)用在許多場(chǎng)合中，但其中性點(diǎn)電壓平衡的控制上仍相當(dāng)困難。將各模塊以串接之型式連結(jié)在一起，籍此合成出更多階層之輸出電壓。由于在各模塊前需使用獨(dú)立電源，如燃料電池、超電容等，因此沒有電壓不平衡的問題。在輸出相同階數(shù)的條件下，和傳統(tǒng)二極管箝位式及飛輪電容式多階變頻器相比，使用組件數(shù)是最少的。傳統(tǒng)多階變頻器在實(shí)現(xiàn)上一般需使用大量的功率開關(guān)及被動(dòng)組件，造成電路復(fù)雜度上升。由全橋變頻器及一組雙向輔助電路所組成，僅使用五顆功率開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)五階變頻器，大幅降低所需之功率開關(guān)及電路的復(fù)雜度。電壓不平衡效應(yīng)為多階變頻器所需面臨問題之一，近年來許多學(xué)者在變頻器的控制上做了許多討論及研究。雖然控制技術(shù)不需要任何的硬件即可實(shí)現(xiàn)，且節(jié)省電路成本，但可能造成開關(guān)切換損及輸出總諧波失真率上升。若三角波的頻率足夠高，在一周期內(nèi)，參考正弦波控制信號(hào)可視為一定值，可籍由改變參考正弦信號(hào)之振幅與頻率來控制變頻器輸出之振幅與頻率。切換頻率越高，其諧波成份越容易被消除，但其切換損也隨之增加。傳統(tǒng)在研制多階變頻器時(shí)，會(huì)使用輸入直流穩(wěn)壓電容作為分壓，使輸入電壓平均地分布[4]。伴隨著負(fù)載增大，各電容電壓會(huì)開始產(chǎn)生明顯差異。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，可設(shè)計(jì)相對(duì)較小之電感值，不僅有效地平衡電容電壓，同時(shí)也可降低成本，節(jié)省電路面積。通過調(diào)整切換頻率控制輸出電容能量，最終使輸出電容電壓達(dá)到平衡；后級(jí)新型的變頻器將平衡后之電容電壓利用不同開關(guān)切換組合，使輸出產(chǎn)生一交流正弦電壓波形。為了提升效率，挑選較低順向?qū)妷褐β式M件有助于降低導(dǎo)通損；亦可從開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路著手，加速開關(guān)導(dǎo)通與截止時(shí)間減少切換損。

3結(jié)語(yǔ)

低壓變頻裝置的電路設(shè)計(jì)方法可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，不僅可提高變頻裝置的安全性、規(guī)范性和實(shí)用性，且可為用戶的日常維護(hù)和備品備件的統(tǒng)一采購(gòu)提供方便。該應(yīng)用實(shí)例為變頻調(diào)速裝置的電路設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好借鑒。

作者：王宏 單位：吉林廣播電視大學(xué)遼源分校