CN1009983B - “比较-跟踪-放大”式变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在交流变频调速系统中应用的交-直-交型变频器，该变频器中的逆变器主电路由比较-跟踪自振荡电源和传统乙类功率放大电路再配置一些适应高压大电流运行要求的工作环节而构成，从而得到了高效逆变的效用。该类变频器可使笼型异步机获得准正弦供电波形，且系统效率与SPWM变频系统相当。本发明还揭示了一个典型实施例。

Description

本装置属电气传动领域，是变流技术在交流变频调速系统中的应用。目前实现变频调速的方式主要分为两大类：交-交变频和交-直-交变频。本装置属于后一大类。

在交流变频电气传动系统中，对变频器提出下列要求：①装置本身效率高;②对电网功率因数高、谐波污染小;③输出电压、电流波形尽可能满足负载要求;④线路简单、控制方便。近年来，各类交-直-交变频器按上述要求发展迅速，却难于复盖全部要求，常以突出满足其中两、三点而获得适当的应用范围。例如：以普通可控硅为主要换流元件的各类电压型、电流型变频器和才发展的SPWM变频器（文献①）。该变频器较其它变频器主要进步在于SPWM型逆变器的逆变效率和正弦度有很大提高，但其对笼型异步机的供电波形还仅为正弦调制波，并非真正的正弦波，这与负载的要求还有一定的差距。本发明根据文献②创新。

附对比文献：

①交流电机的变频调速    臧英杰    吴守箴编著1984年第11页～第18页

①A    High-Efficiency    Audio    Power    Amplifier    Using    a    SeifOscillating    Switching    Regulator，SEIGOHKASHIWAGI

IEEE    TRANSACTIONS    ON    INDUSTRY    APPLICATIONS.VOL.IA-21，NO.4，JULY/AUGUST1985，pp.906～911

本发明的宗旨是：谋求100KVA以下交流变频调速系统中的新型变频器方案，该变频器较SPWM变频器在输出的波形指标上有突破，可使笼型异步机获得准正弦的供电波形，而又基本不降低系统效率，从而工业应用价值提高。

本发明从几个方面予以阐明。

1.本发明逆变控制思想：

按前述对变频器性能指标的要求，着眼于高效时使变频器中的逆变器向开关型发展，SPWM型逆变器属此类，其波形指标尚不理想;若着眼于传统的功率放大电路，可以得到放大的不失真优质波形，但电路效率低，经典功率电子学理论证明，即使是乙类功率放大电路，其效率也不会超过78.5%，因此在高压、大电流电气传动领域中无工业应用价值。本发明人提出使开关电路与传统的乙类功率放大电路相结合，这样便产生了效率指标和输出波形指标兼优的新颖逆变控制思想及其相应的装置-比较（Compare）-跟踪（Track）-放大（Amplify）式逆变器，即本发明装置中的CTA逆变器。其结合示意图如图一所示。其中主电路由比较-跟踪式自振荡电源〔E〕与传统乙类功率放大电路〔F〕构成，前者f-f′端输出相位差180°的两个反相半波，作 为后者的供电电源;两者由同一正弦信号源〔7〕控制，输出端产生不失真被放大的电压波形Vo。由于f-f′端不是直流电源，故后级损耗很少。该基本模型起源于文献②，按作者名在本说明书中将图-虚线框内命名为S-K模型，将文献②中的基本电路命名为S-K电路，将本发明人根据逆变需要和适应高压大电流运行要求而引入其它环节后形成的电路称为变形S-K电路。这里申明：文献②作者应用S-K电路和本发明人应用变形S-K电路的宗旨是完全不同的，前者是为了高效放大音频信号，而后者是为了高效逆变。后者高效逆变的原因在于：加在后级功率放大电路〔F〕三极管上的电源电压是与正弦信号源〔7〕同频率的微锯齿正弦波，从而管压降最小，避免了加直流电源那样的高管压降情况，如图二所示，从而使乙类功率放大电路的效率突破了不超过78.5%的理论禁区。控制〔7〕电压频率的比值便可实现变频调速。

CTA变频器与SPWM变频器相比有如下突出性能指标：

理论分析和实验均证明了它的高效率和优质波形。它的静功率转换效率可达95%左右，仅略低于SPWM变频器，但由于为优质准正弦电压供电，电机效率不再降低，因此系统总效率将与SPWM系统总效率相当，并且不会有低速转矩脉动现象。显而易见，CTA变频器将在交流电气传动领域内获得广泛的工业应用。

本发明的附图图面说明：

图1：CTA逆变器示意图，〔E〕为比较-跟踪式自振荡电源，〔F〕为传统乙类功率放大电路。

图2：CTA逆变器的功率放大电路管压降与传统的功率放大电路管压降对比图。

图3：本发明装置的一典型实施例，其中〔A〕、〔B〕、〔C〕三个逆变器组成CTA三相逆变器，〔7〕为发明人设计的CTA信号源，〔A〕、〔B〕、〔C〕、〔7〕组成CTA变频器，〔P〕为二极管整流滤波器，〔M〕为笼型异步机。

图4：是图3中B相逆变器的具体化。图4中开关S₁、S₁′，自振荡电感L、L′，续流二极管D、D′，自振荡电容C₂、C₂′，功率放大三极管T₁、T₁′和比较器〔3〕、〔3′〕组成与文献②类同的S-K电路;本发明根据高压大电流特点和对信号源的特殊要求，在基本S-K电路上增设了下列环节：比例检测器〔1〕、〔1′〕，线性光电隔离取样器〔2〕、〔2′〕，开关式光电隔离器〔4〕、〔4′〕和软起动器〔8〕以此构成了变形S-K电路，并为此配置了CTA三相正弦信号源〔7〕。

另外，为减小回环特性的环宽，本变形S-K电路的比较器〔3〕、〔3′〕采用反相输入，无正反馈电路，与基本S-K电路有所区别。〔17〕、〔17′〕为电流极限信号控制的门电路，起保护开关S₁、S₁′的作用。

图5：图中V^′ _ff为自振荡电路的输出波形，将其对传统的乙类功率放大电路〔F〕供电，则乙类功放电路在负载上产生参考正弦量不失真放大的准正弦波形V₀。T₁、T₁′管工作在临界饱和与放大状态之间，其阴隐部分为管压降，由此产生的管耗比直流供电的传统乙类功放电路小得多。〔6〕、〔6′〕为隔离驱动器（内有T₁、T₁′的互补对称复合级）。

图6：本发明典型实施例中的CTA信号源，〔A′〕〔B′〕〔C′〕分别为信号源的三相;〔9〕、〔9′〕、〔9″〕为5G8038单片，〔10〕、〔10′〕、〔10″〕为比较器;〔11〕、〔11′〕、〔11″〕为窄脉冲发生器;〔12〕、〔12′〕、〔12″〕为光电耦合器;〔13〕、〔13′〕、〔13″〕为去方尖电路;〔14〕、〔14′〕、〔14″〕为模拟乘法器;〔15〕为函数发生器;S₂′、S′₂、S₂″为开关。

图7：CTA信号源典型输出波形：

图7①为信号源A′相5G8038单片〔9〕的h脚波形;

图7②为信号源A′相比较器〔10〕输出波形;

图7③为信号源A′相窄脉冲发生器输出波形;

图7④为信号源B′相5G8038单片〔9′〕的h脚波形;图7⑤为信号源B′相5G8038单片〔9′〕的g脚波形。

本发明装置的一典型实施例：

1.图3B相逆变器的工作过程如下：

经三相二极管整流滤波后的不可调直流电压加于自振荡电路的e-e′两端，可调正弦信号加于比较器〔3〕、〔3′〕Vref端。在Vref端为正弦波正半周时，该相电路的上半部分工作而下半部分不工作。上半部分工作过程是：与f端电压成正比的取样信号即〔3〕的入端电压〔通过〔1〕、〔2〕）小于参考正弦电压的幅值时，比较器〔3〕输出一正电平，经开关式光电隔离器〔4〕和驱动器〔5〕使开关S₁闭合;电流经L、C₂充电，f端电压升高，〔3〕 的入端电压亦同时升高，当其高于参考正弦电压瞬时值时，比较器〔3〕输出一负电平，经〔4〕、〔5〕使开关S₁截止，L上的能量经C₂、D续流，f端输出电压下降。如此往复循环，在参考正弦电压的正半周内，S₁交替通断，f端得到骑在标准正弦信号上的半个振荡波形（如图五所示），其振荡频率即S₁的切换频率应远远高于正弦参考信号的频率。同理，在Vref端为正弦波负半周时，可得到f′端输出电压波形。

A相、C相逆变器情况与B相逆变器相同。三相对称的正弦输出电压对三相笼型异步机供电，改变速度给定值可改变供电频率和电压，实现变频调速。由于本装置有一个由比较环节到开关器件的控制链，产生跟随参考信号而不失真放大的输出电压波形V₀，因此得名“比较-跟踪-放大”式变频器，简称CTA变频器。

2.本发明典型实施例中的CTA信号源：

本实施例中的CTA信号源是在满足基频50HZ以下，V_s/f_s＝const（V_s为正弦信号电压幅值，f_s为信号频率）且具有低频补偿，基频50HZ以上，V_s＝const仅f_s改变的统调要求下的一特殊三相正弦信号源。考虑到调频范围、失真度等性能指标和抗扰能力等多方面要求，实施例中的CTA信号源以5G8038精密函数发生器单片为核心环节，再配置其它元件，实现了由单相、恒幅、频率可控正弦信号到三相幅频统调正弦信号源的演变。

下面结合图6CTA信号源的原理图对其说明：

以A相逆变器的信号源A′相为例，精密函数发生器5G8038单片〔9〕的g脚产生等幅正弦信号，经隔直电容C_4a、去方尖电路〔13〕去掉负半周的“同步方尖”，在模拟乘法器〔14〕的入端a′得到标准的等幅正弦信号。5G8038单片〔9〕的i脚为频率压控端，作为函数发生器〔15〕的输入端，“低频补偿”通过〔15〕内部的偏移电路解决，基频50HZ以上，V_s＝const，由〔15〕内部的限幅环节解决。〔15〕的输出为三个模拟乘法器〔14〕、〔14′〕、〔14″〕同时提供相乘因子信号-具有低频补偿和基频限幅输出特性的电压信号，相乘的结果会在〔14〕、〔14′〕、〔14″〕的输出端得到满足变频调速要求的三相正弦波。这里a、b、c相信号波形应相差120°电角度。其实现方法是：利用信号源A′相5G8038单片〔9〕的h脚输出的三角波信号与2/3倍“三角波高”电压〔16〕在比较器〔10〕进行比较，从而产生一系列方波信号，该信号经窄脉冲发生器〔11〕产生与该方波上升沿对准的窄脉冲，再经光电耦合器〔12〕实现电平转换后加到信号源B′相开关S₂′的控制极，使B′相5628038单片〔9′〕的充电过程只能在A′相充电120°电角度后开始，从而正弦波也滞后120°。〔11〕的窄脉冲可以调至很窄，S₂′开关速度很高，对充放电过程影响不大。同步过程可每周期重复一次，避免了累积误差，只是在B′相5G8038单片〔9′〕的g脚产生的正弦信号负半周多了一叠加的“小方尖”去方尖电路〔13′〕可以去掉该“方尖”而得到标准正弦信号。这一过程可由图7的波形得到说明。

Claims (2)

1、一种交-直-交型变频器，它由一个三相逆变器[A]、[B]、[C]和一个三相正弦信号源[7]组成。三相逆变器中的每一相逆变器是由一个比较-跟踪式自振荡电源[E]和一个传统乙类功率放大电路[F]组成，其中[E]构成如下：

1).直流电压输入端e经开关S₁接于电感L左端，电容C₂连接电感L右端f和三相四线制中性线“O”之间，续流二极管D反接于电感L左端和中性线“O”之间；

2).主回路下半部与上半部结构对称；e′、S₁′、L′、C₂′、D′、f′、“O”分别对应于e、S₁、L、C₂、D、f、“O”；

3).、本发明的一相为，自振荡电源[E]的输出端f-f′接于晶体管T₁、T₁′的正负电源端，向传统乙类功率放大电路供电，隔离驱动器[6]、[6′](内有T₁、T₁′的互补对称复合级)，其输出分别接于晶体管T₁、T₁′的基极，T₁管射极与T₁′管集电极的节点与中性线“O”之间接笼型电机的一相绕组负载；其它两相类同，本发明的特征在于：CTA变频器的自振荡电源[E]的控制回路中比例检测器[1]检测端与电源L右端f相接，输出端经线性光电隔离器[2]将取样电压信号送入比较器[3]，来自信号源[7]的一相幅频可调正弦参考电压信号送入[6]、[6′]，亦送入比较器[3]的另一端，由[3]比较后产生的开关信号经限流门电路[17]，控制光电隔离器[4]的通断，再经驱动器[5]接于开关S₁的控制端，另一半电路的[1′]、[2′]、[3′]、[4′]、[5′]、[17′]和开关S₁分别与[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[17]和开关S₁的功能一样。

2、根据权利要求1所述的变频器，其特征是三相正弦信号源〔7〕是以5G8038精密函数发生器单片为核心环节按循环结构组成〔A′〕、〔B′〕、〔C′〕三相，充电电阻R₁外经开关S₂、S₂′、S₂″至单片〔9〕、〔9′〕、〔9″〕再经电容C_3a、C_3b、C_3c至负电源。

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