低压变频调速装置电路设计与实现

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0引言

由于环保意识的抬头，世界各国均以减少污染与能源损耗作为工业发展的重要参考指标；用变频器达到节约能源为最直接有效的节能控制方法之一。近年来随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，变频器的性能不断提高，应用范围越来越广。在当前电子元件的不断发展中，低压变频调速装置是常用的交流电动机调速控制装置，是由通用变频器、抑制谐波设备、一次和二次电器设备组成的柜式装置，一般独立布置于配电室内。

1低压变频调速装置的概述

现今多阶变频器技术大多经由多颗电容切割电压，利用硬件电路及控制法将其组合成弦波电源输出。然而，因各输入电容储能与释能不一致产生电压不平衡效应，此效应在重载时极其明显，使得输出合成弦波总谐波失真率上升；同时在组件上的电压应力也随之增加，严重时可能导致组件毁损[1]。为了解决电容电压不平衡效应，学者们提出许多调变技术来解决此问题，但这也造成输出总谐波失真率上升且输出电压的应用范围有限。另一种解决途径是在多阶变频器前加入电压平衡电路，与调变技术相比虽需使用额外的组件，造成电路体积扩大及费用增加，但可明显地降低总谐波失真率[2]。

2低压变频高速装置的电路设计

直流至交流变频器主要用于将直流电源转换为振幅及频率均可调控之正弦交流电源，常用于交流马达驱动及交流不断电电源供应器，各种电源转换器架构也逐渐被开发出来。一般电源转换器籍由控制开关组件之导通与截止，使电路行为模式与成效达到预期。在功率组件的选择上，一般着重于组件之耐压、耐流与操作频率。为了增加电路效率与操作性能，许多新组件也被开发出来使用于电源转换电路中。闸极绝缘双极性晶体管具有闸极之高阻抗特性，仅需些微能量即能触发开关，即使在高电压的操作环境下导通电阻亦低。高功率组件一般在切换时所需的时间较长，切换过程中之损失也是不容小觑的。多阶变频器其设计目的主要在于改善传统变频器输出电源之谐波失真，随着阶数提升，组件耐压也随之减小，进而降低组件损耗使得电路整体效率增加。传统多阶变频器为了减少输出总谐波失真率，一般都是通过调高变频器之切换频率来改善，但在某些高功率的应用场合下，组件规格及切换损便会成为变频器的限制。输入端以电容器串联分压，开关以串联型式连接后，再以二极管提供电流路径[3]。现今二极管箝位式多阶变频器已被广泛地运用在许多场合中，但其中性点电压平衡的控制上仍相当困难。将各模块以串接之型式连结在一起，籍此合成出更多阶层之输出电压。由于在各模块前需使用独立电源，如燃料电池、超电容等，因此没有电压不平衡的问题。在输出相同阶数的条件下，和传统二极管箝位式及飞轮电容式多阶变频器相比，使用组件数是最少的。传统多阶变频器在实现上一般需使用大量的功率开关及被动组件，造成电路复杂度上升。由全桥变频器及一组双向辅助电路所组成，仅使用五颗功率开关即可实现五阶变频器，大幅降低所需之功率开关及电路的复杂度。电压不平衡效应为多阶变频器所需面临问题之一，近年来许多学者在变频器的控制上做了许多讨论及研究。虽然控制技术不需要任何的硬件即可实现，且节省电路成本，但可能造成开关切换损及输出总谐波失真率上升。若三角波的频率足够高，在一周期内，参考正弦波控制信号可视为一定值，可籍由改变参考正弦信号之振幅与频率来控制变频器输出之振幅与频率。切换频率越高，其谐波成份越容易被消除，但其切换损也随之增加。传统在研制多阶变频器时，会使用输入直流稳压电容作为分压，使输入电压平均地分布[4]。伴随着负载增大，各电容电压会开始产生明显差异。当负载增大时，可设计相对较小之电感值，不仅有效地平衡电容电压，同时也可降低成本，节省电路面积。通过调整切换频率控制输出电容能量，最终使输出电容电压达到平衡；后级新型的变频器将平衡后之电容电压利用不同开关切换组合，使输出产生一交流正弦电压波形。为了提升效率，挑选较低顺向导通电压之功率组件有助于降低导通损；亦可从开关驱动电路着手，加速开关导通与截止时间减少切换损。

3结语

低压变频装置的电路设计方法可满足不同应用场合的需求，不仅可提高变频装置的安全性、规范性和实用性，且可为用户的日常维护和备品备件的统一采购提供方便。该应用实例为变频调速装置的电路设计提供了一个良好借鉴。

作者：王宏 单位：吉林广播电视大学辽源分校