專利名稱：無高頻變換通用變頻器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種通用變頻器。
背景技術：
傳統通用變頻器的核心技術之一，是PWM控制技術。最初采用模擬電路，把三角調制波和參考正弦波進行比較，產生正弦脈寬調制SPWM信號，控制功率器件的開關；時至今日，采用的是全數字化方案，產生優化的實時在線SPWM控制信號，使得工作方式更靈活，頻率范圍更寬。PWM控制技術在通用變頻器中仍占主導地位，并一直是人們研究的熱點。采用PWM控制技術，必定采用高頻變換。由于廣泛采用MOSFET、IGBT等功率器件和軟開關技術，功率變換的工作頻繁越來越高，結構更加緊湊，但同時元器件產生的寄生振蕩和電磁干擾(EMI)加劇，一種明顯不傳送信息的寄生電磁波和有用信號疊加或組合，形成電磁噪聲，這種電磁干擾不但引起設備、傳輸通道或系統本身的性能下降，而且影響其他設備、傳輸通道或系統的正常工作，嚴重惡化的電磁環境對人類生活日益依賴的電子與電氣系統造成了災難性的危害。高頻變換中的功率器件產生的另一個問題是能源的浪費。功率變換器中功率器件的工作時間由三部份組成，導通時間、截止時間和開關時間，導通時工作電壓極低，截止時工作電流極小，兩者的功率損耗都比較小。低頻變換中的功率器件，由于工作頻率低，開關損耗可以忽略；高頻變換中功率器件的開關頻率增加了幾千倍，其開關損耗也就增加了幾千倍，由于功率器件工作時的開關速度極高，開關次數或開關時間的增加，相對導通和截止時間來講并不明顯，因此并不能明顯減少導通和截止的時間，也就是說，開關損耗的增加， 并不能明顯減少導通和截止損耗。總之，高頻變換中，開關損耗增加了，而導通和截止損耗并沒有減少。高頻變換還會產生安全方面的問題。傳統通用變頻器中的直-交電路，一個三相星形連接串聯式5電平逆變器，包括了 15個獨立的橋式電路，每個橋式電路的控制信號都是相互獨立的，控制的復雜程度可想而知。電路的復雜性，毫無例外地會產生安全和可靠性方面的問題，原因是器件和電路的故障率增加。
發明內容傳統通用變頻器由交-直、直-交兩部份組成，交-直部份是整流濾波電路，直-交部份是逆變電路，即SPWM控制技術。無高頻變換通用變頻器也由交-直、直-交兩部份組成，交-直部份只整流，不濾波，輸出饅頭波，直-交部份以電壓切割和電壓補償取代SPWM 控制技術，實現電壓和頻率的變換。無高頻變換通用頻器采用電壓切割和電壓補償的方法，實現電壓和頻率變換，取代傳統通用變頻器中的SPWM控制技術。該方法只對電壓波形本身進行操作，除輔助電源外，不包括任何高頻功率變換。電壓切割是保留輸出電壓和輸入電壓的共同部份，切去輸入電壓波形中的多余部份，電壓補償是補足輸出電壓波形中缺少的部份，使得輸出電壓是完整的正弦波。該變頻器電路簡單，主功率器件工作在工頻范圍，整機開關損耗和射頻干擾都降至極低，平均無故障時間大大提高，既節能環保，又安全可靠。無高頻變換通用變頻器除輔助電源外，其功率器件都工作在工頻范圍。輸出電壓和輸入電壓的頻率一般是不相同的，其電壓幅度也不相同。第一步是用輸出電壓(與輸出電壓同頻同相的本機振蕩信號，下同)的包絡去切割輸入電壓的波形，切去輸入電壓波形中的多余部份，剩下來的是輸入電壓和輸出電壓波形的共同部份，這時候獲得的只是輸出電壓的部份波形，并不是完整的正弦波；第二步是以輔助電源去補齊輸出電壓波形中的缺失或不足的部份，使得輸出電壓成為與輸入電壓的幅度和頻率都不相同的、用戶所要求的、 完整的正弦波。這時候的輸出電壓是饅頭波，再通過換向電路，把饅頭波還原成正弦波。一種通用變頻器，由電壓切割級、電壓補償級和換向級依次串聯而成。電壓切割級由MOS管Ql等組成，二極管D1、D2的陰極、電阻Rl的一端、MOS管Ql 的漏極都接在一起，組成端點Va，二極管D3、D4的陽極、電阻Rl的另一端、電阻R2的一端都接地，MOS管Ql的源極和電阻R2的另一端接在一起，組成端點Ne’電壓源V2的正極接MOS 管Ql的柵極，形成端點Vb，其負極接地，二極管Dl的陽極和二極管D3的陰極接在一起，同時接市電Vl的火線，二極管Dl的陽極和二極管D4的陰極接在一起，同時接市電Vl的零線。電壓補償級由補償電壓V3等組成，補償電壓V3的正極通過電阻R3接地，其負極通過電阻R2接地，其正極是端點Vd，其負極是端點Vc。換向級由MOS管Q2-Q5等組成，MOS管Q2、Q3的漏極接端點Vd,它們的源極分別接 MOS管Q5、Q4的漏極，MOS管Q5、Q4的源極接地，MOS管Q2、Q3、Q4、Q5的柵、源極分別接第信號源V5、V4、V6、V7的正、負極，電容Cl和電阻R4跨接在MOS管Q2、Q3的源極之間

圖1，主電路框圖；圖2，圖2A是電壓切割級原理電路，圖2B是各點電壓仿真波形；圖3，圖3A是電壓補償級原理電路，圖:3B是各點電壓仿真波形；圖4，整機原理電路圖；圖5，圖5A到圖5F是2倍頻各級各點電壓仿真波形；圖6，圖6A到圖6F是4倍頻各級各點電壓仿真波形；圖7，圖7A到圖7F是11倍頻各級各點電壓仿真波形；圖8，圖8A到圖8F是50倍頻各級各點電壓仿真波形；圖9，實際電路；圖10，2倍頻或分頻電壓切割示意圖；圖11，4倍頻或分頻電壓切割示意圖；圖12，11倍頻或分頻電壓切割示意圖；圖13，50倍頻或分頻電壓切割示意圖；圖1的主電路圖中，整機由電壓切割級、電壓補償級和換向級依次串聯而成。圖2A的電壓切割級由MOS管Ql等組成，二極管Dl、D2的陰極、電阻Rl的一端、 MOS管Ql的漏極都接在一起，組成端點Va，二極管D3、D4的陽極、電阻Rl的另一端、電阻R2
4的一端都接地，MOS管Ql的源極和電阻R2的另一端接在一起，組成端點Vc，電壓源V2的正極接MOS管Ql的柵極，形成端點Vb，其負極接地，二極管Dl的陽極和二極管D3的陰極接在一起，同時接市電Vl的火線，二極管Dl的陽極和二極管D4的陰極接在一起，同時接市電 Vl的零線。市電Vl = sinx經D1-D4組成的橋式整流電路后，在電阻Rl上得到正弦饅頭波 Va，此電壓加在MOS管Ql的漏極，在Ql的柵極加饅頭波電壓V2 = sin2x(V2是機內產生的與輸出電壓同頻同相的信號電壓)，V2的幅值比Vl的幅值高一個Vgs。由于Ql接成跟隨器的電路，當柵極電壓Vb小于漏極電壓Va時，跟隨器輸出電壓Vc的波形是柵極電壓的波形sin2X，當柵極電壓Vb大于漏極電壓Va時，跟隨器輸出電壓Vc的波形是漏極電壓的波形 sinxjP sinx和sinh的共同部份，相當于用柵極電壓sinh去切割漏極電壓sinx。電壓切割級各點電壓請參考圖2B的仿真波形，從上到下分別是輸入市電Vl = siruusinx饅頭波電壓Va、sinh的饅頭波電壓Vb、sinx和siMx電壓的共同部份Vc。圖3A的電壓補償級由補償電壓V3等組成，補償電壓V3的正極通過電阻R3接地， 其負極通過電阻R2接地，正極是端點Vd,負極是端點Vc。補償電壓V3的負極接Ql的源極，其正極接Vd，在電阻R3上得到的電壓Vd是V3 和Vc之和，相當于補償電壓V3與Vc串聯。當補償電壓V3等于Vb-Vc時，則電壓Vd就是 sin2x饅頭波電壓Vd = V3+Vc = (Vb-Vc)+Vc = Vb。電壓補償級各點電壓請參考圖的仿真波形，最下面的電壓d是sin2X的饅頭波電壓。圖4的換向級由MOS管Q2-Q5等組成，MOS管Q2、Q3的漏極接端點Vd，它們的源極分別接MOS管Q5、Q4的漏極，MOS管Q5、Q4的源極接地，MOS管Q2、Q3、Q4、Q5的柵、源極分別接信號源V5、V4、V6、V7的正、負極，電容Cl和電阻R4跨接在MOS管Q2、Q3的源極之間。饅頭波電壓Vd接入逆變橋后，在電阻R4上得到Sir^x輸出電壓。組成橋臂的MOS 管的驅動電壓V4-V7都是周期為IOms的方波電壓，其中V5、V6延時5ms，當第一個饅頭波到來的時候，Q3、Q5導通，Vd通過Q3、R4、Q5，在R4上形成正半周電壓，當第二個饅頭波到來的時候，Q5、Q4導通，Vd通過Q2、R4、Q4，在R4上形成負半周電壓。圖5A到圖5F、圖6A 到圖6F、圖7A到圖7F、圖8A到圖8F是2倍頻、4倍頻、11倍頻、50倍頻各點工作電壓的仿真波形從上到下分別是輸入電壓Vl = sinx、市電sinx饅頭波電壓Va、機內產生的信號 sin2x的饅頭波電壓Vb、sinx、sin2x共同部份電壓Vc、經過電壓補償后的siMx饅頭波電壓VcU輸出變頻電壓Vo = sinh。圖9是本實用新型的實際電路，與圖4不同的地方是，在Ql的漏極接有變壓器 TXi，輸入電壓Va由柵極電壓Vb切割下來的電壓經過TXl進行傳統功率變換，TXl的付邊產生補償電壓Vb-Vc，相當于圖4中的補償電壓V3。補償電壓產生的方法如下V2是包絡為SiMx的方波信號電壓，其幅值比Vc大一個Vgs，經過D3、D4、D7、D8組成的橋后，成為包絡為饅頭波的方波電壓，此電壓加在Ql的柵極，切割漏極電壓Va，在源極電阻R4上得到包絡為Vc的方波電壓，切割后的剩余部份，在TXl的付邊產生雙邊帶方波電壓，此電壓與電阻 R4上的電壓Vc迭加。Ql的漏極電路是一個典型的開關電源電路，其參考電壓是標準sin2X 波形，檢測電壓是Vd，PWM調制的結果，輸出電壓Vd就是Sir^x饅頭波。圖10是電壓切割的原理示意圖，設輸入電壓是sinx，輸出電壓是Sin2x，即輸出電壓的頻率高于輸入電壓的頻率(倍頻)，用Isin 2x|波形的包絡，去切割Isin χ的電壓波形，得到A、B、C三部份，其中C是輸入電壓的波形被切割下來的多余部份，B是輸入、輸出電壓的共同部份，A是將要用輔助電源進行補償的部份。設A、B、C三部份面積分別為Sa、Sb、Sc, | sin χ |和| sin 2x |交點的橫坐標分別為xl、x2，則有sin 2x|-sin χ = 0xl = Ji /3{χ :0, π }(1)x2 = 2 π /3
π/3π5α= J (sin2x-sinx)i&+ J (|sin 2x\ - sin x)dx = 0.5
O2 r/3
π/32πΠπ56= J (sinx)dx + J |sin2x\k + J (sinx)dx = \.5 {x 0，π)(2)
0π/32π/3
2π/3-Sc= J (sinx-|sin2x|)fi6c = 0.5
π/3上式說明，切割面積&等于補償面積Μ。幅度相等、頻率不同的正弦函數的絕對值，在相同時間的整周期內的定積分，即在 X軸上方的總面積(Sz)是相等的，即有
πππππ^z = J |sin x\dx = j\sin 2x\dx = ^ |sin Ilx丨由=J |sin 50x| dx = J|sin nx\ dx =2(3)
00O00對比(2)、(3)兩式可知，在2倍頻的情況下，切割部份&、補償部份M的面積都占總面積的25%，而共同部份的面積Sb占總面積的75%，這里75%的電能不必經過功率變換，直接進入輸出級。
π定積分_ = J]|sin(mO|-|sinx||辦，當n大于2時，其值并不等于！，當n = 3時
ο
πSyl = J(|sin2x\-sinx)dx = Sa-Sc = O{χ O, π](4)
ο
π辦 2 = J ||sin 2x\ - [sin x\\dx = Sa-\-Sc = l(5)
ο解(4)、(5)聯立方程，可得Sa= Sc = 0. 5(6)即2倍頻或2分頻的情況下，切割面積M和補償面積&相等。
η定積分辦《 = ]"||—(狀)|-|3丨1^||辦，當11大于2時，其值并不等于1，當11 = 3時
OSy3 = J ||sin(3x)|-|sin= -(^2-1) = 1.10457
ο3η為偶數，定積分Syn隨η遞增，η為奇數，定積分Syn隨η遞減，例如當η等于4 和5時
權利要求1.一種通用變頻器，其特征是整機由電壓切割級(1)、電壓補償級( 和換向級(3) 依次串聯而成。
2.根據權利要求1所述的通用變頻器，其特征是電壓切割級⑴包括第一MOS管 (Q1)，第一、第二二極管(D1、D2)的陰極、第一電阻(Rl)的一端、第一 MOS管Oil)的漏極都接在一起，組成端點Va，第三、第四二極管(D3、D4)的陽極、第一電阻(Rl)的另一端、第二電阻(R2)的一端都接地，第一 MOS管Oil)的源極和第二電阻(R2)的另一端接在一起，組成端點Vc，第二電壓源(V2)的正極接第一 MOS管Oil)的柵極，形成端點Vb，其負極接地， 第一二極管(Dl)的陽極和第三二極管(D!3)的陰極接在一起，同時接市電(Vl)的火線，第二二極管(Dl)的陽極和第四二極管(D4)的陰極接在一起，同時接市電(Vl)的零線。
3.根據權利要求2所述的通用變頻器，其特征是電壓補償級( 包括補償電壓(V3)， 補償電壓(V3)的正極通過第三電阻(R3)接地，其負極通過第二電阻(R2)接地，其正極是端點Vd，其負極是端點Vc。
4.根據權利要求3所述的通用變頻器，其特征是換向級(3)包括第二到第五MOS管 0i2-Q5)，第二、第三MOS管0i2、Q3)的漏極接端點Vd，它們的源極分別接第五、第四MOS管 (Q5、Q4)的漏極，第五、第四MOS管(Q5、Q4)的源極接地，第二、第三、第四、第五MOS管0)2、 Q3、Q4、Q5)的柵、源極分別接第五、第四、第六、第七信號源(V5、V4、V6、V7)的正、負極，電容(Cl)和第四電阻(R4)跨接在第二、第三MOS管0i2、Q3)的源極之間。
專利摘要一種通用變頻器，整機由電壓切割級(1)、電壓補償級(2)和換向級(3)依次串聯而成。無高頻變換通用頻器采用電壓切割和電壓補償的方法，實現電壓和頻率變換，取代傳統通用變頻器中的SPWM控制技術。該方法只對電壓波形本身進行操作，除輔助電源外，不包括任何高頻功率變換。電壓切割是保留輸出電壓和輸入電壓的共同部份，切去輸入電壓波形中的多余部份，電壓補償是補足輸出電壓波形中缺少的部份，使得輸出電壓是完整的正弦波。該變頻器電路簡單，主功率器件工作在工頻范圍，整機開關損耗和射頻干擾都降至極低，平均無故障時間大大增加，既節能環保，又安全可靠。
文檔編號H02M3/156GK201947174SQ20102014504
公開日2011年8月24日 申請日期2010年3月29日 優先權日2010年3月29日
發明者郁百超 申請人:郁百超