CUK變換器下的變頻器設計

謝棋斌

（黑龍江科技大學，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。

國內變頻技術已得到較快的發展，變頻調速技術已涉及電子、機械、石化、冶煉、紡織、汽車等多種行業和領域，應用范圍覆蓋注塑機、空壓機、空調、恒壓供水、紡織機等各種交流電機設備。在發達國家，變頻器在電機投用的普及率已達到80%，而我國變頻器的運用還在起步階段，普及率不到10%。因此，變頻調速系統在我國有著非常巨大的市場需求，應當引起重視。

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現頻率的轉換，其簡單原理圖如圖1所示。

圖1 交-直-交變頻器原理圖

該結構由交流電源、整流器、濾波電容、逆變器、負載構成，分別實現整流、穩壓、逆變（變頻）功能。

1.2 交-交變頻器

如圖2所示，改變電路工作時的觸發延遲角，就可以改變電壓輸出值，控制兩組（正向導通為一組，反向導通為一組）的工作時間，就能控制輸出的電壓頻率，以此實現頻率變換。

該結構由交流電源、移相開關部件、負載組成，通過改變移相相角來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（可整流產生）、CUK電路、逆變電路、負載模塊等組成，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換為某一特定頻率的交流電壓，本系統用三角波與特定頻率的正弦波產生控制信號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 變頻參數設置

由實驗數據得：CUK電路中儲能電感L1取0.01 H，電容C取0.000 1 F，穩壓電抗器L2取0.1 H。由實驗結果可知，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，這樣的輸出電壓會使得使用中的負載運行噪聲增大，并縮短負載使用壽命。因此，在負載端加入LC濾波器是不錯的選擇，要求系統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

濾波器參數設置為：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%，達到了設計要求。

4 結語

用CUK變換器實現電壓調節，用變頻器實現頻率改變，用LC濾波器實現輸出波形為正弦形，在逆變控制時采用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計要求。