專利名稱：無高頻變換通用變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通用變頻器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)通用變頻器的核心技術(shù)之一，是PWM控制技術(shù)。最初采用模擬電路，把三角調(diào) 制波和參考正弦波進(jìn)行比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號，控制功率器件的開關(guān)；時至今 日，采用的是全數(shù)字化方案，產(chǎn)生優(yōu)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(shù)在通用變頻器中仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點。采用PWM控制技術(shù)，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(guān)技術(shù)，功率變換的工作頻繁越來越高，結(jié)構(gòu)更加緊湊，但同時元器件產(chǎn)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(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)本身的性能下降，而且影響其他 設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重惡化的電磁環(huán)境對人類生活日益依賴的電子與電 氣系統(tǒng)造成了災(zāi)難性的危害。高頻變換中的功率器件產(chǎn)生的另一個問題是能源的浪費(fèi)。功率變換器中功率器件 的工作時間由三部份組成，導(dǎo)通時間、截止時間和開關(guān)時間，導(dǎo)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(guān) 損耗可以忽略；高頻變換中功率器件的開關(guān)頻率增加了幾千倍，其開關(guān)損耗也就增加了幾 千倍，由于功率器件工作時的開關(guān)速度極高，開關(guān)次數(shù)或開關(guān)時間的增加，相對導(dǎo)通和截止 時間來講并不明顯，因此并不能明顯減少導(dǎo)通和截止的時間，也就是說，開關(guān)損耗的增加， 并不能明顯減少導(dǎo)通和截止損耗?？傊?，高頻變換中，開關(guān)損耗增加了，而導(dǎo)通和截止損耗 并沒有減少。高頻變換還會產(chǎn)生安全方面的問題。傳統(tǒng)通用變頻器中的直-交電路，一個三相 星形連接串聯(lián)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(fù)雜程度可想而知。電路的復(fù)雜性，毫無例外地會產(chǎn)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(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)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(shù)。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(bǔ)償取代SPWM 控制技術(shù)，實現(xiàn)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(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢崿F(xiàn)電壓和頻率變換，取 代傳統(tǒng)通用變頻器中的SPWM控制技術(shù)。該方法只對電壓波形本身進(jìn)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(bǔ)償是補(bǔ)足輸出電壓波形中缺少的部份，使得輸出電壓是整的正弦波。該變頻器電路簡單，主功率器件工作在工頻范圍，整機(jī)開關(guān)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(jié)能環(huán)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(jī)振蕩信號，下同)的包絡(luò)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(bǔ)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。


圖1，主電路框圖；圖2，電壓切割級原理電路及各點電壓仿真波形；圖3，電壓補(bǔ)償級原理電路及各點電壓仿真波形；圖4，整機(jī)原理電路圖；圖5，2倍頻各級各點電壓仿真波形；圖6，4倍頻各級各點電壓仿真波形；圖7，11倍頻各級各點電壓仿真波形；圖8，50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(jī)由電壓切割級、電壓補(bǔ)償級和換向級依次串聯(lián)而成。圖2的電壓切割級由M0S管Q1等組成，二極管D1、D2的陰極、電阻R1的一端、M0S 管Q1的漏極都接在一起，組成端點Va，二極管D3、D4的陽極、電阻R1的另一端、電阻R2的 一端都接地，M0S管Q1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M0S管Q1的柵極，形成端點Vb，其負(fù)極接地，二極管D1的陽極和二極管D3的陰極接在一 起，同時接市電VI的火線，二極管D1的陽極和二極管D4的陰極接在一起，同時接市電VI 的零線。市電VI = sinx經(jīng)D1-D4組成的橋式整流電路后，在電阻R1上得到正弦饅頭波 Va，此電壓加在M0S管Q1的漏極，在Q1的柵極加饅頭波電壓V2 = sin2x(V2是機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的 與輸出電壓同頻同相的信號電壓)，V2的幅值比VI的幅值高一個Vgs。由于Q1接成跟隨 器的電路，當(dāng)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(dāng)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 sinx,即sinx和sin2X的共同部份，相當(dāng)于用柵極電壓sin2x去切割漏極電壓sinx。電壓 切割級各點電壓請參考圖2右邊的仿真波形，從上到下分別是輸入市電VI = sinx, sinx 饅頭波電壓Va、sin2x的饅頭波電壓Vb、sinx和sin2x電壓的共同部份Vc。
圖3的電壓補(bǔ)償級由補(bǔ)償電壓V3等組成，補(bǔ)償電壓V3的正極通過電阻R3接地， 其負(fù)極通過電阻R2接地，正極是端點Vd,負(fù)極是端點Vc。補(bǔ)償電壓V3的負(fù)極接Q1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(dāng)于補(bǔ)償電壓V3與Vc串聯(lián)。當(dāng)補(bǔ)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(bǔ)償級各點電壓請參考圖3右 邊的仿真波形，最下面的電壓d是sin2X的饅頭波電壓。圖4的換向級由M0S管Q2-Q5等組成，M0S管Q2、Q3的漏極接端點Vd，它們的源極 分別接M0S管Q5、Q4的漏極，M0S管Q5、Q4的源極接地，M0S管Q2、Q3、Q4、Q5的柵、源極分 別接信號源V5、V4、V6、V7的正、負(fù)極，電容C1和電阻R4跨接在M0S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Sin2x輸出電壓。組成橋臂的M0S 管的驅(qū)動電壓V4-V7都是周期為10ms的方波電壓，其中V5、V6延時5ms，當(dāng)?shù)谝粋€饅頭波到 來的時候，Q3、Q5導(dǎo)通，Vd通過Q3、R4、Q5，在R4上形成正半周電壓，當(dāng)?shù)诙€饅頭波到來 的時候，Q5、Q4導(dǎo)通，乂(1通過02、1 4、04，在1 4上形成負(fù)半周電壓。圖5、圖6、圖7、圖8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VI = sinx、市電sinx饅頭波電壓Va、機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的信號sin2x的饅頭波電壓Vb、sinx、sin2x共同 部份電壓Vc、經(jīng)過電壓補(bǔ)償后的sin2X饅頭波電壓Vd、輸出變頻電壓Vo = sin2x0圖9是本發(fā)明的實際電路，與圖4不同的地方是，在Q1的漏極接有變壓器TX1，輸 入電壓Va由柵極電壓Vb切割下來的電壓經(jīng)過TX1進(jìn)行傳統(tǒng)功率變換，TX1的付邊產(chǎn)生補(bǔ) 償電壓Vb-Vc，相當(dāng)于圖4中的補(bǔ)償電壓V3。補(bǔ)償電壓產(chǎn)生的方法如下V2是包絡(luò)為Sin2x 的方波信號電壓，其幅值比Vc大一個Vgs，經(jīng)過D3、D4、D7、D8組成的橋后，成為包絡(luò)為饅頭 波的方波電壓，此電壓加在Q1的柵極，切割漏極電壓Va，在源極電阻R4上得到包絡(luò)為Vc的 方波電壓，切割后的剩余部份，在TX1的付邊產(chǎn)生雙邊帶方波電壓，此電壓與電阻R4上的電 壓Vc迭加。Q1的漏極電路是一個典型的開關(guān)電源電路，其參考電壓是標(biāo)準(zhǔn)sin2X波形，檢 測電壓是Vd，PWM調(diào)制的結(jié)果，輸出電壓Vd就是Sin2x饅頭波。圖10是電壓切割的原理示意圖，設(shè)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(luò)，去切割|sin x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(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟糠?。設(shè)A、B、C三部份面積分別為Sa、Sb、Sc, | sin x |和| sin 2x |交點的橫坐標(biāo)分別 為xl、x2，則有sin 2x|-sinx = 0xl =π/3{x 0, 3i }(1)x2 = 2π/3 上式說明，切割面積Sc等于補(bǔ)償面積Sa。幅度相等、頻率不同的正弦函數(shù)的絕對值，在相同時間的整周期內(nèi)的定積分，即在 X軸上方的總面積(Sz)是相等的，即有 對比(2)、(3)兩式可知，在2倍頻的情況下，切割部份Sc、補(bǔ)償部份Sa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(jīng)過功率變 換，直接進(jìn)入輸出級。
7t定積分加
當(dāng)n大于2時，其值并不等于1，當(dāng)n = 3時 解(4)、(5)聯(lián)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Sa和補(bǔ)償面積Sc相等。
7T定積分辦
，當(dāng)n大于2時，其值并不等于1，當(dāng)n = 3時 n為偶數(shù)，定積分Syn隨n遞增，n為奇數(shù)，定積分Syn隨n遞減，例如當(dāng)n等于4 和5時 =1.09017 Sy50 = 1. 09326Sy51 = 1. 09305(9)這里Sy50 > Sy4 > Sy2, Sy51 < Sy5 < Sy3,因此，Sy2 = 1 < Syn < Sy3 = 1. 10457。計算可知(出自Wolfram Mathematica 6. 0，計算過程從略)，倍頻或分頻為任意 整數(shù)、時間軸為任意長時，(1)"(4)式仍成立，考慮到(7)、(8)、(9)式的情況，(5)、(6)兩式的結(jié)果僅略有不同。由圖10可知，如果輸出電壓和輸入電壓的幅度相等，進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟糠軦的面積，等 于被切割下來的部份C的面積，即在頻率變換的全過程中，輸入電壓的能量等于輸出電壓 的能量，外界不必對變換系統(tǒng)補(bǔ)充能量。如果輸出電壓高于輸入電壓，進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟糠軦的 面積，大于被切割下來的部份C的面積，即在頻率變換的全過程中，輸入電壓的能量大于輸 出電壓的能量，外界必須對變換系統(tǒng)補(bǔ)充能量。如果輸出電壓低于輸入電壓，進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟?份A的面積，小于被切割下來的部份C的面積，即在頻率變換的全過程中，輸入電壓的能量 小于輸出電壓的能量，外界對變換系統(tǒng)吸收能量。設(shè)輸入電壓是sin(2X)，輸出電壓是sin(X)，即輸出電壓的頻率低于輸入電壓的 頻率(分頻)，用sin(x)波形的邊緣，去切割sin (2x)的電壓波形，把圖1的波形分成A、B、 C三個部份，其中A是輸入電壓sin (2x)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，C是用輔助電源進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟糠荨７诸l時，輸出電壓和輸入電壓的能量關(guān)系亦 如前述。在頻率的變換過程中，倍頻和分頻的工作過程完全相同，只不過交換輸入電壓和 輸出電壓，交換切割電壓和補(bǔ)償電壓。圖9、圖10、圖11分別是4、11、50倍頻或分頻的電壓波形，工作過程和能量關(guān)系與 2倍頻或分頻的情況相同。以上討論了倍頻和分頻是整數(shù)倍的情況，但在實際工作過程中，頻率的調(diào)節(jié)是連 續(xù)的，對于倍頻和分頻不是整數(shù)倍的情況，可以假設(shè)在充分長的時間里，輸出電壓和輸入電 壓的頻率總可以找到一個公倍數(shù)，因此處理的方法和整數(shù)倍的情況相同。在頻率連續(xù)調(diào)節(jié)、任意時間間隔的情況下，切割面積Sc和補(bǔ)償面積Sa相等，其面 積都等于總面積Sz的25%，共同面積Sc是總面積Sz的75%，以上“面積”所蘊(yùn)涵的意思 是電功率，電能。
具體實施例方式圖4是無高頻變換通用變頻器的原理電路，圖5是各點電壓的仿真波形，這里以2 倍頻為例(即輸入50Hz交流電壓，輸出100Hz交流電壓)進(jìn)行討論50Hz正弦波輸入電壓VI經(jīng)過由D1-D4組成的整流橋后，成為100Hz的饅頭波電 壓，M0S管Q1、高頻變壓器TX1、電阻R2等組成電壓切割級，Q1的漏極的工作電壓是100Hz 的饅頭波電壓Va，基極加100Hz交流電壓通過整流后的200Hz的正向饅頭波電壓Vb,從Q1 源極輸出的是Va經(jīng)過Vb切割后剩下的波形，即兩種電壓的公共部份Vc。補(bǔ)償電壓V3和電阻R3組成電壓補(bǔ)償級，電壓補(bǔ)償級實際上是一個輔助電源，它產(chǎn) 生一個輸出電壓，當(dāng)這個電壓和Vc疊加之后，產(chǎn)生完整的正弦波輸出電壓，即輔助電源產(chǎn) 生的電壓是輸出正弦電壓與Vc之差。輔助電源的輸出電壓與Q1發(fā)射極輸出的電壓疊加， 檢測電路(圖中未畫出)把此電壓反饋，與基準(zhǔn)電壓(sin2x饅頭波)進(jìn)行比較，輸出200Hz 的單向饅頭波電壓。由Q2-Q5組成的換向級把饅頭波變成完整的正弦波電壓。圖5是對應(yīng)圖4各點電壓的仿真波形，VI是輸入的50Hz交流電壓波形，Va是整 流后100Hz的饅頭波電壓，Vb是Q1基極200Hz饅頭波控制信號，Vc輸入和輸出電壓波形 的共同部份，即不必進(jìn)行功率變換的部份，Vd是變頻輸出的200Hz饅頭波電壓，V0 = sin2x
7是經(jīng)過換向后、最后輸出的100Hz正弦波電壓。100Hz交流電壓是本機(jī)產(chǎn)生的參考信號，由于變頻過程中頻率的變化是連續(xù)的，所 以本機(jī)產(chǎn)生的參考正弦波信號的頻率變化也是連續(xù)的。兩倍頻(輸出頻率是輸入頻率的2倍)的仿真電路和兩分頻(輸入頻率是輸出頻 率的2倍)的仿真電路的拓樸結(jié)構(gòu)相同，只需交換仿真電源VI和V2的位置，改變換向電路 中四個功率器件的控制頻率即可倍頻輸出的控制頻率是100Hz，分頻輸出的控制頻率是 50Hz。此電路圖不必修改，可在電力電子仿真軟件SIMertix 5. 60的環(huán)境下直接運(yùn)行，獲得 所有仿真波形。無高頻變換通用變頻器除輔助電源外，主電路不進(jìn)行任何功率變換，具有如下特點.1)整個電路沒有電容和電感，對于電網(wǎng)而言，是一個純電阻負(fù)載，其功率因數(shù)等于 1，而THD為零，對電網(wǎng)無污染。2)輸入交流電壓中的75%電功率不必進(jìn)行功率變換，功耗極小，EMS干擾極小。3)輸入交流電壓超過或者低于額定值15%時，經(jīng)過單端正激變換器(效率85% ) 回授到輸入端，這部份功率損耗為2. 25%，總效率可達(dá)97. 75%。4)免除了傳統(tǒng)變頻器中的功率因數(shù)校正和PWM功率變換兩部份，成本、體積、重 量、功耗大大減少。
權(quán)利要求
一種通用變頻器，不采用PWM控制技術(shù)和高頻功率變換，其特征是整機(jī)由電壓切割級(1)、電壓補(bǔ)償級(2)和換向級(3)依次串聯(lián)而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用變頻器，其特征是電壓切割級(1)由第一M0S管(Q1) 等組成，第一、第二二極管(D1、D2)的陰極、第一電阻(R1)的一端、第一 M0S管(Q1)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(R1)的另一端、第 二電阻(R2)的一端都接地，第一 M0S管(Q1)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 M0S管(Q1)的柵極，形成端點(Vb)，其負(fù)極 接地，第一二極管(D1)的陽極和第三二極管(D3)的陰極接在一起，同時接市電(VI)的火 線，第二二極管(D1)的陽極和第四二極管(D4)的陰極接在一起，同時接市電(VI)的零線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用變頻器，其特征是電壓補(bǔ)償級(2)由補(bǔ)償電壓(V3)等 組成，補(bǔ)償電壓(V3)的正極通過第三電阻(R3)接地，其負(fù)極通過第二電阻(R2)接地，其正 極是端點(Vd)，其負(fù)極是端點(Vc)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用變頻器，其特征是換向級(3)由第二到第五M0S管 (Q2-Q5)等組成，第二、第三M0S管(Q2、Q3)的漏極接端點(Vd)，它們的源極分別接第五、第 四M0S管(Q5、Q4)的漏極，第五、第四M0S管(Q5、Q4)的源極接地，第二、第三、第四、第五 M0S管(Q2、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(fù)極，電容(C1)和第四電阻(R4)跨接在第二、第三M0S管(Q2、Q3)的源極之間。
全文摘要
無高頻變換通用變頻器采用電壓切割和電壓補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢崿F(xiàn)電壓和頻率變換，取代傳統(tǒng)通用變頻器中的SPWM控制技術(shù)。該方法只對電壓波形本身進(jìn)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(bǔ)償是補(bǔ)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(jī)開關(guān)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(jié)能環(huán)保，又安全可靠。
文檔編號H02M5/451GK101867301SQ20101010766
公開日2010年10月20日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者郁百超 申請人:郁百超