變頻器又稱為變流器（Inverter），它是將電壓值固定的直流電，轉(zhuǎn)換為頻率及電壓有效值可變的裝置，在工業(yè)上被廣泛使用，如不斷電系統(tǒng)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速驅(qū)動(dòng)等。
 
二.基本原理
變頻器之功能為將直流輸入電壓轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)流時(shí)間為100～數(shù)百μs，閘流體高頻切換很難，其次是因?yàn)镻WM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(diào)整時(shí)之輸出電壓波形，電壓高和電壓低的情形。 
 

                              圖 1.1 PAM電壓調(diào)整
 
　脈波寬度調(diào)變(Pulse-width Modulation, PWM)，在輸出波形中作成多次之切割，經(jīng)由改變電壓脈波寬度而達(dá)成輸出電壓之改變，如圖1.2所示。依PWM變頻器的電壓調(diào)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(yīng)之波寬調(diào)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(diào)整變化之正弦波的輸出波形。
 
 

                              圖 1.2 PWM電壓調(diào)整
　　　圖1.3為三相變頻器主電路之基本結(jié)構(gòu)，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(jīng)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(gè)電力電子組件組成，其輸出端為U V W，此六個(gè)組件的導(dǎo)通與關(guān)閉時(shí)間可利用正弦式脈波寬度調(diào)變(Sinusoidal Pulse-width Modulation, SPWM)技術(shù)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(chǎn)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(shù)目P則依據(jù)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(jié)構(gòu)
 
在理想的情況下，圖1.3同相輸出之上下開關(guān)，其 PWM波形應(yīng)是互補(bǔ)的，也就是上開則下關(guān)，上關(guān)則下開。但由于功率組件的截止(turn-off)時(shí)間，通常大于導(dǎo)通(turn-on)時(shí)間，因此必須于上下開關(guān)的PWM 訊號之間加入一段延遲時(shí)間，以防止短路的情況發(fā)生。此延遲時(shí)間的設(shè)定主要根據(jù)的功率組件的截止時(shí)間而定，通常設(shè)為截止時(shí)間的2~3倍。
 
三.模塊說明
A.直流電源供應(yīng)器及設(shè)定單元請參考本公司電力電子實(shí)習(xí)手冊。

B.交流電機(jī)寬調(diào)變信號控制器EM5201-3C如圖1.4所示。
主要功能在產(chǎn)生六組PWM控制信號:說明如下
電源供應(yīng)±15V/0.5A，輸入之控制信號±10V。
1.延遲控制器:當(dāng)控制信號輸入后先經(jīng)過延遲控制器，在電機(jī)之機(jī)械負(fù)載慣性較大時(shí)，必須將延遲時(shí)間調(diào)至較慢處，避免因控制信號變動(dòng)太快，而損壞驅(qū)動(dòng)器或機(jī)械結(jié)構(gòu)。
2.命令弦波產(chǎn)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(jīng)延遲后分別送到命令弦波產(chǎn)生器及BOOST調(diào)整控制器，命令弦波產(chǎn)生器依輸入之命令信號，產(chǎn)生二個(gè)相位差為120度之正弦波;當(dāng)輸入命令信號為10V時(shí)，正弦波信號為±10VP/60HZ，當(dāng)輸入命令信號為-10V時(shí)，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(diào)整控制:正弦波寬調(diào)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(guān)系改變，但此方式當(dāng)?shù)皖l時(shí)須作適當(dāng)之電壓提升，以使電機(jī)在低頻操作下有較好之特性。所以在較高頻率下BOOST調(diào)整控制器不動(dòng)作，保持原先輸入之命令電壓，當(dāng)命令電壓約低于4V時(shí)便加入BOOST調(diào)整控制以提高命令電壓。
4.乘法器: 命令弦波產(chǎn)生器，產(chǎn)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(zhuǎn)換，故而將命令電壓及命令弦波產(chǎn)生器送入乘法器，當(dāng)?shù)兔铍妷撼艘缘皖l正弦波時(shí)，輸出便是振幅小且頻率低之命令信號，反之當(dāng)高命令電壓乘以較高頻正弦波時(shí)，輸出便是振幅大且頻率高之命令信號，故而達(dá)成電壓及頻率線性改變之目的。
5.加法器:因乘法器價(jià)格昂貴，且三相平衡時(shí)三組信號相加為零，在實(shí)用上只需產(chǎn)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(chǎn)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(shí)，對系統(tǒng)之影響。
 7.PWM信號產(chǎn)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(chǎn)生器比較，產(chǎn)生三組PWM控制信號，因驅(qū)動(dòng)器之開關(guān)組件(IGBT)導(dǎo)通及截止都有時(shí)間延遲，易造成上下臂IGBT同時(shí)導(dǎo)通而短路，需經(jīng)DEAD-TIME 控制，產(chǎn)生六組PWM控制信號。
 
                     圖1.4交流電機(jī)波寬調(diào)變信號控制器說明圖
 
 
 C.交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器EM5201-3C
將交流電源轉(zhuǎn)成直流，再將直流轉(zhuǎn)成電壓/頻率可變之交流電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
1.       三相整流及濾波電路:將輸入單相或三相之交流電轉(zhuǎn)變成直流電，直流輸出300V/5AMAX。
2.       電流限制器: 當(dāng)直流輸出電流過大，關(guān)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(qū)動(dòng)電路:將控制信號放大以驅(qū)動(dòng)IGBT。
5.輸出單元: 驅(qū)動(dòng)組件IGBT，50A/800V。
6.輸出電流檢測器:由霍爾效應(yīng)組件組成，提供兩組輸出電流信號，當(dāng)電流輸出為1A時(shí)，霍爾組件輸出電壓為0.4V。
 
                                    圖1.5交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器說明圖

 一.延遲控制器
如圖2.1所示，當(dāng)控制信號由I/P端輸入后，經(jīng)OP U1A及U1B所組成之延遲電路作時(shí)間之延遲，當(dāng)可變電阻R10越大時(shí)延遲之時(shí)間越久，由于控制之所需，此延遲后之控制信號再經(jīng)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(fù)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(yuǎn)為正值，而正負(fù)電壓之判斷由比較器U5決定，當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，轉(zhuǎn)向輸出信號DIR為正+5V，當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，DIR為0V，控制器利用DIR之信號決定電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

                                       圖2.1延遲控制器電路圖
 

二.命令弦波產(chǎn)生器
命令弦波產(chǎn)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(zhuǎn)換電路，因此U3輸出信號FO為頻率隨VC改變之脈波。
轉(zhuǎn)向信號DIR與頻率信號FO經(jīng)U10ABC處理，送入由U11 U12 U13 (74193)組成之計(jì)數(shù)器，當(dāng)DIR信號為高電位時(shí)，U11之CU輸入端有脈波信號輸入、計(jì)數(shù)器上數(shù)，當(dāng)DIR信號為低電位時(shí)U11之CD輸入端有脈波信號輸入、計(jì)數(shù)器下數(shù)。
計(jì)數(shù)器之輸出信號送入內(nèi)建值正弦波之EPROM中(U14 SIN0,U15 SIN120)，每一個(gè)地址(address)對應(yīng)一個(gè)輸出，再經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)模擬IC (DAC0800)，及信號處理(OP07)，便可輸出正弦波信號，當(dāng)FO之頻率越高對應(yīng)輸出之信號變化越快，輸出正弦波頻率越高，因EPROM U14及U15內(nèi)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(gè)相位差為120度之正弦波;當(dāng)轉(zhuǎn)速信號DIR高電位，計(jì)數(shù)器上數(shù)時(shí)，輸出信號SIN0領(lǐng)先SIN120 120度，反之當(dāng)轉(zhuǎn)速信號DIR為低電位，計(jì)數(shù)器下數(shù)，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(zhuǎn)換電路，決定正弦波信號之頻率，當(dāng)輸入信號VC為10V時(shí)，應(yīng)調(diào)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(chǎn)生器
三.BOOST調(diào)整控制器
如圖2.3所示，比較器U6之+輸入端，電壓恰為4V，當(dāng)VC輸電壓高于4V時(shí)，U6輸出為低電位，RELAY不動(dòng)作，BOOST輸出B等于VC，當(dāng)VC輸電壓低于4V時(shí)，U6

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

                  圖2.3 BOOST調(diào)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(yùn)算之結(jié)果均相同(兩個(gè)輸入信號相乘除以10)，但AD532只需調(diào)整一個(gè)輸出OFFSET量，而AD533不但需調(diào)整輸出OFFSET亦需調(diào)整兩個(gè)輸入信號之OFFSET量，故使用上AD532較方便，但其價(jià)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(chǎn)生器
 如圖2.6由兩個(gè)OP組成之三角波電路，R62為OFFSET調(diào)整，R27為峰值之調(diào)整，藉由開關(guān)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(chǎn)生器
如圖2.7為PWM信號產(chǎn)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(jīng)史密特觸發(fā)IC(7414)，作波形分相(三組控制信號經(jīng)反相變成六組控制信號)，再經(jīng)DEAD-TIME控制(電阻-電容延遲電路)而產(chǎn)生U+ U- V+ V- W+ W- 六組PWM控制信號。

                   圖2.7 PWM信號產(chǎn)生器電路圖