晶体管中频变频器性能改进

杨晓东

【摘 要】中频变频器是以晶体管为主要元件的静止式变频器，是为中频电动机设计的专用变频器，本文通过分析中频变频器不同的导通制、输入输出电压波形，结合试验数据，提出了相关具体改进措施，以改进优化中频变频器性能。

【关键词】晶体管；变频器；电压；波形；改进

晶体管中频变频器是轴承行业中的主要设备，是专用轴承自动磨床中使用的高速电动磨头驱动电源，不同程度地取代了传统的中频发电机组做为特殊供电设备。与其他变频器不同，它不要求频繁起、制动，为充分发挥其电源效率，使其达到最佳工作效果，下面对逆变器的几种不同工作方式做简要介绍。

1.晶体管中频变频器

晶体管中频变频器工作频率要求较高，一般为四百赫兹到三千赫兹，这类机种一般都为交一直一交电压型（见图1），其主电路逆变桥较多采用具有自关断能力的大功率双极型晶体管模块，并且在全控或半控整流后的直流侧，并联较大的滤波电容以缓冲无功功率，直流电源阻抗很小，呈恒压源特性。输出的电压比较平直，波形按近于矩形波，属于电压强制方式，因感性负载回路阻抗较大，电流波形是由矩形波电压与电动机正弦感应电压之差形成的，所以接近于正弦波。感性负载的滞后电流经续流二极管（图1中Dl～D6），反馈到滤波电容器，从而提高了逆变换流工作的稳定性。应指出的是，所有的电压型变频器都必须有反馈二极管。由于这类变频电源输出的是接近于正弦波的电流波形，并且电压为阶梯波，其中含有大量的高次谐波。而电动机变频调速总希望电压和电流的波形畸变最小，尽可能地接近正弦波，提高效率，降低电磁噪声和转矩脉动。长期使用发现拆下修理的磨头（电主轴），电机转子表面呈发兰状，这与电源中的高次谐波没有直接关系。电机线包使用寿命也受到影响，高次谐波的辐射还一定程度地污染电网及其他邻近的电子设备。

2.不同的导通制与输出电压波形

做为三相逆变器，依据装置的使用目的，如最高使用频率，是否经常起、制动及快速性等，选择不同的导通制，常用的有120°、150°和180°三种，其输出电压的波形不同。

（l）图1逆变器直流端输入电压为Ud，由于是三相逆变输出，所以一个周期内每隔60（这是共同的），桥臂中有一个功率管换流导通，因此当为180导通制时，任何时刻有不同相的三只功率管同时工作（上桥两个、下桥一个或反之），所以输出的相电压为Ud/3或±2Ud/3；当为120°导通制时，任何时刻只有不同相的两个功率管工作（上桥一个、下桥一个），在一个周期中每个功率管导通120°，关断240°，因此输出相电压大小为±Ud/2或零；当为150°导通制时，在一个周期中每个功率管导通150°，关断210°。也就是有180°区间三个功率管同时工作，180°区间只有两个功率管同时工作。因此输出相电压大小为±Ud/3或±2Ud/3和±Ud/2或零。

图2为三相逆变器在电阻性负载下不同导通制时的输出相电压、线电压的波形。由图可知，180°导通制三相逆变器输出相电压为六阶梯波，线电压为四阶梯波。这种方式做为开头器件的功率管获得充分利用，效率最高，因存在着在几乎同一桥臂上开、关换流，有直通短路的危险，因此装置的上限工作频率不能做得很高。同时必须采取触发脉冲延迟等措施。

150°导通制输出电压波形最接近正弦波，输出相电压为十二阶梯波，线电压为八阶梯波。其上下桥臂的导通延迟互锁时间大于180°导通型，因此使用的上限频率相对提高。

120°导通制输出相电压为四阶梯波，线电压为六阶梯波，这种导通制开关器件的利用率最低，但可以安全换流，是目前中、高频变频电源采用最多的一种方式，按目前功率（GTR）模块的制造水平，装置的上限频率可做到3kHz。根据谐波分析表明（本文略），三种导通制中，150°导通制时输出电压的晴变率最小，谐波干扰最低。

（2）输出电压有效值

根据有效值的定义，从图2的波形可求出翰出电压有效值和直流电压的关系。

3.具体改进措施

以MFI型4KVA中频变频器为例，该机原设计考虑使用厂家的中频电机不同，输出频率为O～3KHz，因上限频率较高，设计为120°导通型，PAM（Pulse Amplitude-Modulation）脉幅调制，相控型。设计均为双面印刷电路，紧凑合理，全密封机箱，做整板改动显然不现实且不经济。因此，改动从环形脉冲分配器人手，重新设计原脉冲的分配与相加电路，原板中由U14环分电路输出脉宽为60的六分频脉冲，由U15、U16。将相邻的两个脉冲相加，形成宽度为120°的触发脉冲，经延时、缓冲等电路送至光藕，最后经隔离、脉冲放大去驱动模块。所以只需在此环节重新设计一块电路板置人其中，原机基本不动其他各处，只是去掉了脉冲延迟、缓冲电路，原理参见图3。由4片电路完成脉宽的相加。

显然，改进后的变频电源，输出的电压、电流波形大为改观，减轻了高次谐波的干扰，特别是影响最大的五、七次谐波干扰，提高了开关器件的利用效率，因模块得以充分利用，所以也提高了装机容量。通过实验和实际使用，装置的拉载能力明显提高，降低了电机的电磁噪声。因目前行业内各型磨床的实际使用频率均不超过1500Hz，所以不必担心逆变桥臂的直通短路。如配合其他电路的改进，还可大大延长装置的无故障运行时间，更主要的是改进后可延长电主轴的使用寿命，提高转矩，运行更趋平稳、更具实用性。采用本措施改进的数台变频电源至今已无故障运行了两年以上。经济技术效果实为可观。

4.结语

总之，变频器的使用过程中有很多复杂的问题，为改进中频变频器的性能，在往后的使用中，我们必须对变频器有更加深入的了解，也希望通过以后能够在实践过程中有更好的认识。 [科]

【参考文献】

[1]李凯，刘爽.高压变频器功率单元电磁兼容性能的改进[J].中国科协年会论文，2007.

[2]常晓玲.小功率高速电机变频器的研制[J].现代电子技术，1996（02）.