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交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展至今已有幾十年的歷史,。低壓變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)，因其技術(shù)上的不斷創(chuàng)新,，使系統(tǒng)在性能上不斷地完善,，并在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域挑戰(zhàn)直流調(diào)速系統(tǒng)，已得到了廣泛的應(yīng)用,。交-直-交電壓型變頻器是目前市場上低壓變頻器的主要形式,，本文簡要對(duì)該變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析。 1,、電路結(jié)構(gòu)框圖 交直交電壓型變頻器主要由整流單元（交流變直流）,、濾波單元、逆變單元（直流變交流）,、制動(dòng)單元,、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元,、控制單元等部分組成的,。
圖1 變頻器電路結(jié)構(gòu)框圖 3、各單元電路及原理 3.1 整流單元 整流單元用于電網(wǎng)的三相交流電變成直流,?？煞譃榭煽卣骱筒豢煽卣鲀纱箢悺,？煽卣饔捎诖嬖谳敵鲭妷汉休^多的諧波,、輸入功率因數(shù)低、控制部分復(fù)雜,、中間直流大電容造成的調(diào)壓慣性大相應(yīng)緩慢等缺點(diǎn),，隨著PMW技術(shù)的出現(xiàn)可控整流在交直交變頻器中已經(jīng)被淘汰。不可控整流是目前交直交變頻器的主流形式,，它有2種構(gòu)成形式,，6支整流二極管或6支晶閘管組成三相整流橋。
圖2 6支二極管構(gòu)成的三相橋式整流電路 由6支二極管構(gòu)成的三相橋式整流電路,，交流側(cè)有控制主回路通斷的接觸器,。
3.2 濾波單元 濾波單元主要采用大電容濾波,，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波,，這是電壓型變頻器的一個(gè)主要特征,。 3.3 逆變單元由IGBT模塊構(gòu)成
3.5 驅(qū)動(dòng)單元 驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)控制單元的指令對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路有多種形式,。按照驅(qū)動(dòng)電路元件的組成可分為分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路和集成化的驅(qū)動(dòng)電路,。
上圖為用光耦合器、三極管等分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路,。當(dāng)輸入控制信號(hào)時(shí),，光耦VLC導(dǎo)通，晶體管V2截止,，V3導(dǎo)通輸出＋15V驅(qū)動(dòng)電壓,。當(dāng)輸入控制信號(hào)為零時(shí)，VLC截止,，V2,、V4導(dǎo)通，輸出－10V電壓,。 IGBT的集成柵極驅(qū)動(dòng)器種類繁多,幾乎各生產(chǎn)IGBT模塊的公司都推出了自己的配套驅(qū)動(dòng)器,。
上圖為由集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器及TLP250的管腳圖。TLP250內(nèi)置光耦的隔離電壓可達(dá)2500V,，上升和下降時(shí)間均小于0.5μs,，輸出電流達(dá)0.5A，可直接驅(qū)動(dòng)50A/1200V以內(nèi)的IGBT,。外加推挽放大晶體管后,，可驅(qū)動(dòng)電流容量更大的IGBT。TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器體積小,，價(jià)格便宜,，是不帶過流保護(hù)的IGBT驅(qū)動(dòng)器中較理想的選 下圖為由EXB8..Series集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，EXB8..Series集成芯片是一種專用于IGBT的集驅(qū)動(dòng),、保護(hù)等功能于一體的復(fù)合集成電路,。廣泛用于逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器,、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS,、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域,。
圖7 EXB8..Series集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路 3.6 檢測單元 控制系統(tǒng)反饋量檢測的精確程度，從某種意義上說,，很大程度上決定了控制系統(tǒng)所能達(dá)到的控制品質(zhì),。檢測電路是變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，它相當(dāng)于系統(tǒng)的“眼睛和觸覺”,。檢測與保護(hù)電路設(shè)計(jì)的合理與否,，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和控制精度。 3.6.1 電流檢測方法 電流信號(hào)檢測的結(jié)果可以用于變頻器轉(zhuǎn)矩和電流控制以及過流保護(hù)信號(hào),。電流信號(hào)的檢測主要有以下幾種方法,。 （1） 直接串聯(lián)取樣電阻法 這種方法簡單,、可靠,、不失真、速度快,，但是有損耗,，不隔離，只適用于小電流并不需要隔離的情況,，多用于只有幾個(gè)kVA的小容量變頻器中,。 （2）電流互感器法 這種方法損耗小,，與主電路隔離,，使用方便、靈活,、便宜,，但線性度較低，工作頻帶窄(主要用來測工頻),，且有一定滯后,，多用于高壓大電流的場合。
上圖中,，R為取樣電阻,，取樣信號(hào)為: Us=I2R=I1R/M 式中，M為互感器繞組匝數(shù),。 ?。?） 霍爾傳感器法 它具有精度高、線性好、頻帶寬,、響應(yīng)快,、過載能力強(qiáng)和不損失測量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。其原理如下圖所示,。
上圖中,，Ip為被測電流，這是一種磁場平衡測量方式,，精度比較高,，若LEM的變流比為1:M，則取得電壓Us也符合式Us= IpR/M,。在通用變頻器中霍爾傳感器已成為電流檢測的主力,。 3.6.2 電壓檢測方法 電壓信號(hào)檢測的結(jié)果可以用于變頻器輸出轉(zhuǎn)矩和電壓控制以及過壓、欠壓保護(hù)信號(hào),。電壓信號(hào)的檢測可用電阻分壓、線性光耦,、電壓互感器或霍爾傳感器等方法,。 （1） 電阻分壓法:用電阻網(wǎng)絡(luò)將高壓進(jìn)行分壓,，得到按比例縮小的低電壓,。該方法使用簡單，但其精度受外界環(huán)境(主要是溫度)影響較大,，且不能實(shí)現(xiàn)隔離,，如果作為模擬反饋量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，需要加入隔離放大器,。該方法適用于低壓系統(tǒng),。 （2） 電壓互感器法:與電流互感器類似,，只能用于檢測交流電壓,，適用于高壓系統(tǒng)中。 ?。?）霍爾電壓傳感器法:原理與霍爾電流傳感器類似,，如下圖所示。
圖11 用HCNR200/201測量電壓的實(shí)際電路 上圖中，原邊運(yùn)放采用的是單電源供電的LM2904,，副邊運(yùn)放采用精密運(yùn)放OP07,。在測量直流高壓時(shí)，應(yīng)先采用電阻分壓降壓,，以得到一個(gè)未經(jīng)隔離的低壓直流信號(hào),，然后經(jīng)過線性光耦隔離將其變換成與之成正比的直流電壓送入A/D轉(zhuǎn)換測量。另外,，完全可以利用光耦的線性和隔離功能結(jié)合直接串聯(lián)分流器測量電流,。 線性光耦法是一種測量變頻器交流輸出電壓的簡單而有效的方法。高速數(shù)字光耦6N136,，6N137,，HCPL3120，PC900V等具有體積小,、壽命長,、抗干擾性強(qiáng)、隔離電壓高,、高速度,、與TTL電平兼容等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)信號(hào)處理和信號(hào)傳輸中應(yīng)用的十分廣泛,，可用來檢測變頻器交流輸出電壓,。下圖所示為一種簡單實(shí)用的用線性光耦實(shí)現(xiàn)的變頻器輸出電壓檢測的電路。
利用光耦6N137和電阻降壓電路采集逆變器U,、V,、W三相輸出對(duì)直流環(huán)節(jié)負(fù)極N的電壓信號(hào)，這樣三相信號(hào)都變?yōu)閱螛O性SPWM電壓脈沖,，便于與單向光耦匹配,。單極性SPWM脈沖電壓經(jīng)小電容濾波后便成為如下圖所示的比較平滑的正弦半波信號(hào)。
它反映了逆變器交流電壓(半波)的瞬時(shí)值,，然后送相應(yīng)的CPU或 ASIC處理,，根據(jù)需要既可以得到電壓的瞬時(shí)值，也可以計(jì)算出電壓的有效值,。日本Sanken公司研究的電壓矢量控制變頻器就是利用這種電路完成對(duì)交流輸出電壓的測量,，控制效果良好。 4,、控制單元 現(xiàn)代變頻調(diào)速基本是用16位,、32位單片機(jī)或DSP為控制核心,，從而實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。 4.1變頻器中常用的控制方式 在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制,、轉(zhuǎn)差頻率控制,、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等,。 V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性,，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的,，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式,。
V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式,，不能達(dá)到較高的控制性能,，而且，在低頻時(shí),，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式,，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上,，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式,，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器,，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制,，因此,，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性,，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性,。
矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在d,、q,、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的,。
基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標(biāo)變換對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制,，使之滿足一定的條件,，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動(dòng),。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善,。但是,，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器,，因此,，應(yīng)用范圍受到限制。
無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,，然后通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓,、電流辨識(shí)轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬,，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,，工作可靠，操作方便,，但計(jì)算比較復(fù)雜,，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算，因此,，實(shí)時(shí)性不是太理想,，控制精度受到計(jì)算精度的影響。
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