晶體管中頻變頻器性能改進(jìn)

楊曉東

【摘 要】中頻變頻器是以晶體管為主要元件的靜止式變頻器，是為中頻電動機(jī)設(shè)計(jì)的專用變頻器，本文通過分析中頻變頻器不同的導(dǎo)通制、輸入輸出電壓波形，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了相關(guān)具體改進(jìn)措施，以改進(jìn)優(yōu)化中頻變頻器性能。

【關(guān)鍵詞】晶體管；變頻器；電壓；波形；改進(jìn)

晶體管中頻變頻器是軸承行業(yè)中的主要設(shè)備，是專用軸承自動磨床中使用的高速電動磨頭驅(qū)動電源，不同程度地取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組做為特殊供電設(shè)備。與其他變頻器不同，它不要求頻繁起、制動，為充分發(fā)揮其電源效率，使其達(dá)到最佳工作效果，下面對逆變器的幾種不同工作方式做簡要介紹。

1.晶體管中頻變頻器

晶體管中頻變頻器工作頻率要求較高，一般為四百赫茲到三千赫茲，這類機(jī)種一般都為交一直一交電壓型（見圖1），其主電路逆變橋較多采用具有自關(guān)斷能力的大功率雙極型晶體管模塊，并且在全控或半控整流后的直流側(cè)，并聯(lián)較大的濾波電容以緩沖無功功率，直流電源阻抗很小，呈恒壓源特性。輸出的電壓比較平直，波形按近于矩形波，屬于電壓強(qiáng)制方式，因感性負(fù)載回路阻抗較大，電流波形是由矩形波電壓與電動機(jī)正弦感應(yīng)電壓之差形成的，所以接近于正弦波。感性負(fù)載的滯后電流經(jīng)續(xù)流二極管（圖1中Dl～D6），反饋到濾波電容器，從而提高了逆變換流工作的穩(wěn)定性。應(yīng)指出的是，所有的電壓型變頻器都必須有反饋二極管。由于這類變頻電源輸出的是接近于正弦波的電流波形，并且電壓為階梯波，其中含有大量的高次諧波。而電動機(jī)變頻調(diào)速總希望電壓和電流的波形畸變最小，盡可能地接近正弦波，提高效率，降低電磁噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動。長期使用發(fā)現(xiàn)拆下修理的磨頭（電主軸），電機(jī)轉(zhuǎn)子表面呈發(fā)蘭狀，這與電源中的高次諧波沒有直接關(guān)系。電機(jī)線包使用壽命也受到影響，高次諧波的輻射還一定程度地污染電網(wǎng)及其他鄰近的電子設(shè)備。

2.不同的導(dǎo)通制與輸出電壓波形

做為三相逆變器，依據(jù)裝置的使用目的，如最高使用頻率，是否經(jīng)常起、制動及快速性等，選擇不同的導(dǎo)通制，常用的有120°、150°和180°三種，其輸出電壓的波形不同。

（l）圖1逆變器直流端輸入電壓為Ud，由于是三相逆變輸出，所以一個(gè)周期內(nèi)每隔60（這是共同的），橋臂中有一個(gè)功率管換流導(dǎo)通，因此當(dāng)為180導(dǎo)通制時(shí)，任何時(shí)刻有不同相的三只功率管同時(shí)工作（上橋兩個(gè)、下橋一個(gè)或反之），所以輸出的相電壓為Ud/3或±2Ud/3；當(dāng)為120°導(dǎo)通制時(shí)，任何時(shí)刻只有不同相的兩個(gè)功率管工作（上橋一個(gè)、下橋一個(gè)），在一個(gè)周期中每個(gè)功率管導(dǎo)通120°，關(guān)斷240°，因此輸出相電壓大小為±Ud/2或零；當(dāng)為150°導(dǎo)通制時(shí)，在一個(gè)周期中每個(gè)功率管導(dǎo)通150°，關(guān)斷210°。也就是有180°區(qū)間三個(gè)功率管同時(shí)工作，180°區(qū)間只有兩個(gè)功率管同時(shí)工作。因此輸出相電壓大小為±Ud/3或±2Ud/3和±Ud/2或零。

圖2為三相逆變器在電阻性負(fù)載下不同導(dǎo)通制時(shí)的輸出相電壓、線電壓的波形。由圖可知，180°導(dǎo)通制三相逆變器輸出相電壓為六階梯波，線電壓為四階梯波。這種方式做為開頭器件的功率管獲得充分利用，效率最高，因存在著在幾乎同一橋臂上開、關(guān)換流，有直通短路的危險(xiǎn)，因此裝置的上限工作頻率不能做得很高。同時(shí)必須采取觸發(fā)脈沖延遲等措施。

150°導(dǎo)通制輸出電壓波形最接近正弦波，輸出相電壓為十二階梯波，線電壓為八階梯波。其上下橋臂的導(dǎo)通延遲互鎖時(shí)間大于180°導(dǎo)通型，因此使用的上限頻率相對提高。

120°導(dǎo)通制輸出相電壓為四階梯波，線電壓為六階梯波，這種導(dǎo)通制開關(guān)器件的利用率最低，但可以安全換流，是目前中、高頻變頻電源采用最多的一種方式，按目前功率（GTR）模塊的制造水平，裝置的上限頻率可做到3kHz。根據(jù)諧波分析表明（本文略），三種導(dǎo)通制中，150°導(dǎo)通制時(shí)輸出電壓的晴變率最小，諧波干擾最低。

（2）輸出電壓有效值

根據(jù)有效值的定義，從圖2的波形可求出翰出電壓有效值和直流電壓的關(guān)系。

3.具體改進(jìn)措施

以MFI型4KVA中頻變頻器為例，該機(jī)原設(shè)計(jì)考慮使用廠家的中頻電機(jī)不同，輸出頻率為O～3KHz，因上限頻率較高，設(shè)計(jì)為120°導(dǎo)通型，PAM（Pulse Amplitude-Modulation）脈幅調(diào)制，相控型。設(shè)計(jì)均為雙面印刷電路，緊湊合理，全密封機(jī)箱，做整板改動顯然不現(xiàn)實(shí)且不經(jīng)濟(jì)。因此，改動從環(huán)形脈沖分配器人手，重新設(shè)計(jì)原脈沖的分配與相加電路，原板中由U14環(huán)分電路輸出脈寬為60的六分頻脈沖，由U15、U16。將相鄰的兩個(gè)脈沖相加，形成寬度為120°的觸發(fā)脈沖，經(jīng)延時(shí)、緩沖等電路送至光藕，最后經(jīng)隔離、脈沖放大去驅(qū)動模塊。所以只需在此環(huán)節(jié)重新設(shè)計(jì)一塊電路板置人其中，原機(jī)基本不動其他各處，只是去掉了脈沖延遲、緩沖電路，原理參見圖3。由4片電路完成脈寬的相加。

顯然，改進(jìn)后的變頻電源，輸出的電壓、電流波形大為改觀，減輕了高次諧波的干擾，特別是影響最大的五、七次諧波干擾，提高了開關(guān)器件的利用效率，因模塊得以充分利用，所以也提高了裝機(jī)容量。通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用，裝置的拉載能力明顯提高，降低了電機(jī)的電磁噪聲。因目前行業(yè)內(nèi)各型磨床的實(shí)際使用頻率均不超過1500Hz，所以不必?fù)?dān)心逆變橋臂的直通短路。如配合其他電路的改進(jìn)，還可大大延長裝置的無故障運(yùn)行時(shí)間，更主要的是改進(jìn)后可延長電主軸的使用壽命，提高轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行更趨平穩(wěn)、更具實(shí)用性。采用本措施改進(jìn)的數(shù)臺變頻電源至今已無故障運(yùn)行了兩年以上。經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果實(shí)為可觀。

4.結(jié)語

總之，變頻器的使用過程中有很多復(fù)雜的問題，為改進(jìn)中頻變頻器的性能，在往后的使用中，我們必須對變頻器有更加深入的了解，也希望通過以后能夠在實(shí)踐過程中有更好的認(rèn)識。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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[2]常曉玲.小功率高速電機(jī)變頻器的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，1996（02）.