CUK變換器下的變頻器設(shè)計(jì)

謝棋斌

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱150022）

0 引言

普通變頻器可分為交-交變頻器、交-直-交變頻器，后者比較常用，前者在矩陣變頻器中使用較廣。

國(guó)內(nèi)變頻技術(shù)已得到較快的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已涉及電子、機(jī)械、石化、冶煉、紡織、汽車等多種行業(yè)和領(lǐng)域，應(yīng)用范圍覆蓋注塑機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)、恒壓供水、紡織機(jī)等各種交流電機(jī)設(shè)備。在發(fā)達(dá)國(guó)家，變頻器在電機(jī)投用的普及率已達(dá)到80%，而我國(guó)變頻器的運(yùn)用還在起步階段，普及率不到10%。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)有著非常巨大的市場(chǎng)需求，應(yīng)當(dāng)引起重視。

1 變頻器原理

1.1 交-直-交變頻器

交-直-交變頻器使用先整流后逆變的方式實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，其簡(jiǎn)單原理圖如圖1所示。

圖1 交-直-交變頻器原理圖

該結(jié)構(gòu)由交流電源、整流器、濾波電容、逆變器、負(fù)載構(gòu)成，分別實(shí)現(xiàn)整流、穩(wěn)壓、逆變（變頻）功能。

1.2 交-交變頻器

如圖2所示，改變電路工作時(shí)的觸發(fā)延遲角，就可以改變電壓輸出值，控制兩組（正向?qū)橐唤M，反向?qū)橐唤M）的工作時(shí)間，就能控制輸出的電壓頻率，以此實(shí)現(xiàn)頻率變換。

該結(jié)構(gòu)由交流電源、移相開關(guān)部件、負(fù)載組成，通過(guò)改變移相相角來(lái)控制輸出幅值與頻率。

圖2 交-交變頻器原理圖

2 CUK變換器原理

圖3所示為CUK斬波電路MATLAB仿真圖，其輸入、輸出關(guān)系為：

輸出電流波形如圖4所示。

圖4 CUK變換器輸出電流圖

3 CUK變換器下變頻器原理

3.1 變頻原理電路

CUK變換器下變頻器MATLAB仿真圖如圖5所示。

可見，該電路由直流電源（可整流產(chǎn)生）、CUK電路、逆變電路、負(fù)載模塊等組成，電路功能是：先將直流電源升壓或降壓為某一特定幅值的直流電源，再用逆變電流將其轉(zhuǎn)換為某一特定頻率的交流電壓，本系統(tǒng)用三角波與特定頻率的正弦波產(chǎn)生控制信號(hào)SPWM波，輸出電流波形如圖6所示。

由圖6可見，輸出電壓含有大量高次諧波。

圖5 CUK變換器下變頻器原理仿真圖

圖6 CUK變換器下變頻器輸出電流圖

圖8 濾波后輸出電流圖

3.2 變頻參數(shù)設(shè)置

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得：CUK電路中儲(chǔ)能電感L1取0.01 H，電容C取0.000 1 F，穩(wěn)壓電抗器L2取0.1 H。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，輸出電流與電壓中含有大量高次諧波，且波形總畸變率很高，這樣的輸出電壓會(huì)使得使用中的負(fù)載運(yùn)行噪聲增大，并縮短負(fù)載使用壽命。因此，在負(fù)載端加入LC濾波器是不錯(cuò)的選擇，要求系統(tǒng)輸出電壓畸變率小于3%，如圖7所示。

圖7 帶濾波器的CUK變換器下變頻器原理仿真圖

濾波器參數(shù)設(shè)置為：L=0.000 01 H，C=0.000 12 F，輸出波形如圖8所示。諧波分析如圖9所示。

波形畸變率THD=2.55%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

用CUK變換器實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，用變頻器實(shí)現(xiàn)頻率改變，用LC濾波器實(shí)現(xiàn)輸出波形為正弦形，在逆變控制時(shí)采用SPWM控制方法，輸入電壓（有效值）為17V，輸出電壓（有效值）為18.3 V，

圖9 濾波后輸出電流諧波分析

波形畸變率為2.55%，畸變率與波形基本符合設(shè)計(jì)要求。