低壓變頻調速裝置電路設計與實現

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0引言

由于環保意識的抬頭，世界各國均以減少污染與能源損耗作為工業發展的重要參考指標；用變頻器達到節約能源為最直接有效的節能控制方法之一。近年來隨著電力電子技術、微電子技術和控制理論的發展，變頻器的性能不斷提高，應用范圍越來越廣。在當前電子元件的不斷發展中，低壓變頻調速裝置是常用的交流電動機調速控制裝置，是由通用變頻器、抑制諧波設備、一次和二次電器設備組成的柜式裝置，一般獨立布置于配電室內。

1低壓變頻調速裝置的概述

現今多階變頻器技術大多經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，因各輸入電容儲能與釋能不一致產生電壓不平衡效應，此效應在重載時極其明顯，使得輸出合成弦波總諧波失真率上升；同時在組件上的電壓應力也隨之增加，嚴重時可能導致組件毀損[1]。為了解決電容電壓不平衡效應，學者們提出許多調變技術來解決此問題，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，與調變技術相比雖需使用額外的組件，造成電路體積擴大及費用增加，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計

直流至交流變頻器主要用于將直流電源轉換為振幅及頻率均可調控之正弦交流電源，常用于交流馬達驅動及交流不斷電電源供應器，各種電源轉換器架構也逐漸被開發出來。一般電源轉換器籍由控制開關組件之導通與截止，使電路行為模式與成效達到預期。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出來使用于電源轉換電路中。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開關，即使在高電壓的操作環境下導通電阻亦低。高功率組件一般在切換時所需的時間較長，切換過程中之損失也是不容小覷的。多階變頻器其設計目的主要在于改善傳統變頻器輸出電源之諧波失真，隨著階數提升，組件耐壓也隨之減小，進而降低組件損耗使得電路整體效率增加。傳統多階變頻器為了減少輸出總諧波失真率，一般都是通過調高變頻器之切換頻率來改善，但在某些高功率的應用場合下，組件規格及切換損便會成為變頻器的限制。輸入端以電容器串聯分壓，開關以串聯型式連接后，再以二極管提供電流路徑[3]。現今二極管箝位式多階變頻器已被廣泛地運用在許多場合中，但其中性點電壓平衡的控制上仍相當困難。將各模塊以串接之型式連結在一起，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。在輸出相同階數的條件下，和傳統二極管箝位式及飛輪電容式多階變頻器相比，使用組件數是最少的。傳統多階變頻器在實現上一般需使用大量的功率開關及被動組件，造成電路復雜度上升。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即可實現五階變頻器，大幅降低所需之功率開關及電路的復雜度。電壓不平衡效應為多階變頻器所需面臨問題之一，近年來許多學者在變頻器的控制上做了許多討論及研究。雖然控制技術不需要任何的硬件即可實現，且節省電路成本，但可能造成開關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，參考正弦波控制信號可視為一定值，可籍由改變參考正弦信號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。傳統在研制多階變頻器時，會使用輸入直流穩壓電容作為分壓，使輸入電壓平均地分布[4]。伴隨著負載增大，各電容電壓會開始產生明顯差異。當負載增大時，可設計相對較小之電感值，不僅有效地平衡電容電壓，同時也可降低成本，節省電路面積。通過調整切換頻率控制輸出電容能量，最終使輸出電容電壓達到平衡；后級新型的變頻器將平衡后之電容電壓利用不同開關切換組合，使輸出產生一交流正弦電壓波形。為了提升效率，挑選較低順向導通電壓之功率組件有助于降低導通損；亦可從開關驅動電路著手，加速開關導通與截止時間減少切換損。

3結語

低壓變頻裝置的電路設計方法可滿足不同應用場合的需求，不僅可提高變頻裝置的安全性、規范性和實用性，且可為用戶的日常維護和備品備件的統一采購提供方便。該應用實例為變頻調速裝置的電路設計提供了一個良好借鑒。

作者：王宏 單位：吉林廣播電視大學遼源分校