變頻器工作原理圖

二.基本原理

變頻器之功能為將直流輸入電壓轉換為所需之大小與頻率之交流輸出電壓。若其直流輸入電壓為定值，則稱為電壓源型變頻器(Voltage Source Inverter, VSI)；若直流輸入電流維持定值，則稱為電流源型變頻器(Current Source Inverter, CSI)。變頻器它的輸出電力控制方法有PAM方式與PWM方式兩種。

PAM(Pulse Amplitude Modulation)，由電源電壓變換振幅而進行控制輸出功率的方式，所以在變頻器部位，只有控制頻率，變流器控制輸出電壓。在閘流體變頻器場合，因轉流時間為100～數百μs，閘流體高頻切換很難，其次是因為PWM控制困難，在該變頻器部位的控制頻率采用PAM方式，如圖 1.1所示依PAM電壓調整時之輸出電壓波形，電壓高和電壓低的情形。

圖 1.1 PAM電壓調整

脈波寬度調變(Pulse-width Modulation, PWM)，在輸出波形中作成多次之切割，經由改變電壓脈波寬度而達成輸出電壓之改變，如圖1.2所示。依PWM變頻器的電壓調整原理，圖(A)為三角載波與正弦波型的信號波。圖(B)和圖(C)為所對應之波寬調變波形及輸出信號波之振幅。振幅相同、脈波寬度不同、可獲得調整變化之正弦波的輸出波形。

圖 1.2 PWM電壓調整

圖1.3為三相變頻器主電路之基本結構，其中前級由三相全波整流器組成，三相電源由L1 L2 L3輸入，其直流輸出電壓經過電感L及電容C之濾波后，可獲得幾近無漣波之直流電壓VDC。變頻器之后級由六個電力電子組件組成，其輸出端為U V W，此六個組件的導通與關閉時間可利用正弦式脈波寬度調變(Sinusoidal Pulse-width Modulation, SPWM)技術加以控制，SPWM是由一正弦波參考信號與較高頻三角形載波相比較而產生，同圖1.2所示，參考信號之頻率決定變頻器輸出電壓頻率，而參考信號之峰值則控制了輸出電壓之有效值。而每半周期之脈波數目P則依據載波頻率而定。SPWM方式可消除輸出電壓中所有低于或等于2P-1階之諧波。

圖1.3 三相變頻器主電路結構

在理想的情況下，圖1.3同相輸出之上下開關，其 PWM波形應是互補的，也就是上開則下關，上關則下開。但由于功率組件的截止(turn-off)時間，通常大于導通(turn-on)時間，因此必須于上下開關的PWM 訊號之間加入一段延遲時間，以防止短路的情況發生。此延遲時間的設定主要根據的功率組件的截止時間而定，通常設為截止時間的2~3倍。

三.模塊說明

A.直流電源供應器及設定單元請參考本公司電力電子實習手冊。

B.交流電機寬調變信號控制器EM5201-3C如圖1.4所示。

主要功能在產生六組PWM控制信號:說明如下

電源供應±15V/0.5A，輸入之控制信號±10V。

1.延遲控制器:當控制信號輸入后先經過延遲控制器，在電機之機械負載慣性較大時，必須將延遲時間調至較慢處，避免因控制信號變動太快，而損壞驅動器或機械結構。

2.命令弦波產生器:延遲控制器只將輸入信號延遲并不改變其電壓值，控制信號經延遲后分別送到命令弦波產生器及BOOST調整控制器，命令弦波產生器依輸入之命令信號，產生二個相位差為120度之正弦波；當輸入命令信號為10V時，正弦波信號為±10VP/60HZ，當輸入命令信號為-10V時，正弦波信號依舊為±10VP/60HZ，但兩組正弦波信號相序相反。

3.BOOST調整控制:正弦波寬調變SPWM最簡單之控制方式為VVVF，及亦即輸出電壓及頻率成線性關系改變，但此方式當低頻時須作適當之電壓提升，以使電機在低頻操作下有較好之特性。所以在較高頻率下BOOST調整控制器不動作，保持原先輸入之命令電壓，當命令電壓約低于4V時便加入BOOST調整控制以提高命令電壓。

4.乘法器: 命令弦波產生器，產生之控制信號為隨輸入之命令電壓而改變頻率之正弦波信號，其振幅固定為±10V，

亦只有V/F轉換，故而將命令電壓及命令弦波產生器送入乘法器，當低命令電壓乘以低頻正弦波時，輸出便是振幅小且頻率低之命令信號，反之當高命令電壓乘以較高頻正弦波時，輸出便是振幅大且頻率高之命令信號，故而達成電壓及頻率線性改變之目的。

5.加法器:因乘法器價格昂貴，且三相平衡時三組信號相加為零，在實用上只需產生兩組VVVF控制信號R*及S*，第三組控制信號只需將R*及S*信號相加再反向便可。

6.三角波載波產生器: 可選擇不同頻率之三角波，5KHZ、10KHZ、20KHZ，以了解載波頻率不同時，對系統之影響。

7.PWM信號產生器: 由三組比較器所組成，將三組VVVF命令控制信號R* S*及T*，與三角波載波產生器比較，產生三組PWM控制信號，因驅動器之開關組件(IGBT)導通及截止都有時間延遲，易造成上下臂IGBT同時導通而短路，需經DEAD-TIME 控制，產生六組PWM控制信號。

圖1.4交流電機波寬調變信號控制器說明圖

C.交流電機驅動器EM5201-3C

將交流電源轉成直流，再將直流轉成電壓/頻率可變之交流電源，驅動電機。

1. 三相整流及濾波電路:將輸入單相或三相之交流電轉變成直流電，直流輸出300V/5AMAX。

2. 電流限制器: 當直流輸出電流過大，關閉IGBT以免損壞。

3. 光耦合電路:將控制電路之低電壓信號，利用光耦合方式與高電壓之信號分開。

4. 驅動電路:將控制信號放大以驅動IGBT。

5.輸出單元: 驅動組件IGBT，50A/800V。

6.輸出電流檢測器:由霍爾效應組件組成，提供兩組輸出電流信號，當電流輸出為1A時，霍爾組件輸出電壓為0.4V。

圖1.5交流電機驅動器說明圖

一.延遲控制器

如圖2.1所示，當控制信號由I/P端輸入后，經OP U1A及U1B所組成之延遲電路作時間之延遲，當可變電阻R10越大時延遲之時間越久，由于控制之所需，此延遲后之控制信號再經OP U1C及U1D，所組成之整流電路加以處理，因此無論輸入之控制信號為正電壓或是負電壓，延遲控制器之輸出信號VC大小與輸入信號相同，但永遠為正值，而正負電壓之判斷由比較器U5決定，當輸入電壓為正時，轉向輸出信號DIR為正+5V，當輸入電壓為負時，DIR為0V，控制器利用DIR之信號決定電機正轉或反轉。

圖2.1延遲控制器電路圖

二.命令弦波產生器

命令弦波產生器是本控制器之心臟，如圖2.2所示，延遲控制器之輸出信VC，送入由U3(LM331)所組成之V/F轉換電路，因此U3輸出信號FO為頻率隨VC改變之脈波。

轉向信號DIR與頻率信號FO經U10ABC處理，送入由U11 U12 U13 (74193)組成之計數器，當DIR信號為高電位時，U11之CU輸入端有脈波信號輸入、計數器上數，當DIR信號為低電位時U11之CD輸入端有脈波信號輸入、計數器下數。

計數器之輸出信號送入內建值正弦波之EPROM中(U14 SIN0,U15 SIN120)，每一個地址(address)對應一個輸出，再經數字轉模擬IC (DAC0800)，及信號處理(OP07)，便可輸出正弦波信號，當FO之頻率越高對應輸出之信號變化越快，輸出正弦波頻率越高，因EPROM U14及U15內建正弦波值相差120，因此輸出信號SIN0及SIN120為頻率相同之二個相位差為120度之正弦波；當轉速信號DIR高電位，計數器上數時，輸出信號SIN0SIN120 120度，反之當轉速信號DIR為低電位，計數器下數，輸出信號SIN0落后SIN120 120度，即兩組正弦波信號相序相反。而U3之V/F轉換電路，決定正弦波信號之頻率，當輸入信號VC為10V時，應調整可變電阻R33，使正弦波信號SIN0 SIN120之頻率恰好等于60HZ。

圖2.2命令弦波產生器

三.BOOST調整控制器

如圖2.3所示，比較器U6之+輸入端，電壓恰為4V，當VC輸電壓高于4V時，U6輸出為低電位，RELAY不動作，BOOST輸出B等于VC，當VC輸電壓低于4V時，U6

輸出為高電位，RELAY動作，BOOST輸出B等于VC乘比例K(U2A)+0.8V(U2B)，當R52越大時K值越大BOOST量越大。

圖2.3 BOOST調整控制器電路圖

四.乘法器

圖2.4提供兩種乘法器電路AD532及AD533供使用者參考，其運算之結果均相同(兩個輸入信號相乘除以10)，但AD532只需調整一個輸出OFFSET量，而AD533不但需調整輸出OFFSET亦需調整兩個輸入信號之OFFSET量，故使用上AD532較方便，但其價格相對也較高。

五.加法器

圖2.5為一簡單之反相加法器電路，其輸入電阻及回授電阻，均需使用精密電阻，以將誤差量降至最低。

圖2.4 乘法器電路圖

圖2.5 加法器電路圖

六.三角波載波產生器

如圖2.6由兩個OP組成之三角波電路，R62為OFFSET調整，R27為峰值之調整，藉由開關選擇不同之電阻，可獲得不同頻率之三角波。

圖2.6 三角波電路圖

七．PWM信號產生器

如圖2.7為PWM信號產生器電路，三相之正弦波信號R* S* T*分別與相同之三角波(TRI)比較，得到三組原始之PWM控制信號，再經史密特觸發IC(7414)，作波形分相(三組控制信號經反相變成六組控制信號)，再經DEAD-TIME控制(電阻-電容延遲電路)而產生U+ U- V+ V- W+ W- 六組PWM控制信號。