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TWI787845B - 變頻器 - Google Patents

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TWI787845B
TWI787845B TW110119289A TW110119289A TWI787845B TW I787845 B TWI787845 B TW I787845B TW 110119289 A TW110119289 A TW 110119289A TW 110119289 A TW110119289 A TW 110119289A TW I787845 B TWI787845 B TW I787845B
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Abstract

一種變頻器包含一整流單元、一逆變單元、一電容單元、及一控制單元。該整流單元接收來自一交流電源的一交流電壓，並將該交流電壓轉換為一直流輸入電壓。該電容單元包括至少一超級電容，並電連接於該整流單元與該逆變單元之間，以對該直流輸入電壓進行濾波與穩壓。該控制單元電連接該逆變單元，以控制該逆變單元將該直流輸入電壓轉換為一交流輸出電壓，進而將該交流輸出電壓輸出至一電感性負載，且還控制該交流輸出電壓的一頻率的大小或一振幅的大小。該電容單元能夠吸收並儲存來自該電感性負載的一反向電動勢的能量。

Description

變頻器
本發明是有關於一種變頻器，特別是指一種不需要洩放電阻的變頻器。
變頻器(Variable-frequency Drive，VFD)，也稱為變頻驅動器或驅動控制器或驅動器，是應用變頻驅動技術以改變交流馬達的工作電壓的頻率或振幅，而能夠平滑地控制交流馬達的速度及轉矩。參閱圖1，習知的變頻器適用於一交流電源98及一電感性負載99，並包含一整流單元91、一逆變單元92、一濾波電容94、一控制單元93、及一制動單元95。該整流單元91接收來自該交流電源98的一交流電壓V1，並將該交流電壓V1轉換為一直流輸入電壓V2。該逆變單元92電連接該整流單元91及該電感性負載99。該控制單元93電連接該逆變單元92，以控制該逆變單元92將來自該整流單元91的該直流輸入電壓V2轉換為一交流輸出電壓V3，進而將該交流輸出電壓V3輸出至該電感性負載99，且還控制該交流輸出電壓V3的一頻率的大小或一振幅的大小。
該濾波電容94是一種電解電容，並電連接於該整流單元91及該逆變單元92之間，以對該直流輸入電壓V2進行濾波與穩壓。該制動單元95包含一洩壓開關952及一洩壓電阻951。該洩壓開關952與該洩壓電路串聯於該濾波電容94的一端與接地點之間，該洩壓電阻951是一種功率電阻，該洩壓開關952受到其他偵測電路或元件的控制，當該電感性負載99沒有產生該反向電動勢時，該洩壓開關952不導通。而當該電感性負載99產生一反向電動勢時，該洩壓開關952受到控制而導通，使得該反向電動勢所產生的能量經由該洩放開關及該洩放電阻的導通路徑而宣洩，以避免損壞該逆變單元92、該濾波電容94、或該整流單元91之其中任一者。因此，在習知的變頻器之中，只要所採用的該濾波電容94勢一種電解電容，則該變頻器必定需要包含該制動單元95，以避免該電感性負載99所產生的該反向電動勢破壞該變頻器的元件。
因此，本發明的目的，即在提供一種不需要洩放電阻的變頻器。
於是，本發明提供一種變頻器，適用於一交流電源及一電感性負載，並包含一整流單元、一逆變單元、一電容單元、及一控制單元。
該整流單元接收來自該交流電源的一交流電壓，並將該交流電壓轉換為一直流輸入電壓。該逆變單元電連接該整流單元以接收該直流輸入電壓，並受控制以將該直流輸入電壓轉換為一交流輸出電壓，該逆變單元還電連接該電感性負載，以將該交流輸出電壓輸出至該電感性負載。
該電容單元包括至少一超級電容，並電連接於該整流單元與該逆變單元之間，以對該直流輸入電壓進行濾波與穩壓。該控制單元電連接該逆變單元，以控制該逆變單元產生該交流輸出電壓，且還控制該交流輸出電壓的一頻率的大小或一振幅的大小。
在一些實施態樣中，其中，當該電感性負載產生一反向電動勢時，該電容單元的該至少一超級電容能夠吸收並儲存該反向電動勢的能量，使得該直流輸入電壓仍然保持穩定，而不損壞該整流單元或該逆變單元。
在一些實施態樣中，其中，當該電感性負載產生該反向電動勢之後，且該控制單元再次控制該逆變單元產生該交流輸出電壓時，該電容單元所儲存的該反向電動勢的能量能夠經由該逆變單元傳送至該電感性負載。
在一些實施態樣中，其中，該電感性負載是一馬達，該交流輸出電壓驅動該馬達運轉，當該馬達減速或煞車時，該馬達產生該反向電動勢。
本發明的功效在於：藉由電連接於該整流單元及該逆變單元之間的該電容單元是包含至少一超級電容，使得該變頻器能夠不需要使用習知的制動單元，即能夠利用超級電容的元件特性，有效地吸收並儲存該電感性負載所產生的該反向電動勢的能量。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明變頻器之一實施例，適用於一交流電源8及一電感性負載9，並包含一整流單元1、一逆變單元2、一電容單元4、及一控制單元3。在本實施例中，該電感性負載9是一個或多個馬達，且都是一種交流馬達。該交流電源8例如是一市電。該變頻器(VFD)用於將來自該交流電源8的一交流電壓V1，轉換為一直流輸入電壓V2，再轉換為一交流輸出電壓V3，以能夠平滑地控制該馬達的速度及轉矩。
該整流單元1電連接該交流電源8以接收該交流電壓V1，並將該交流電壓V1轉換為該直流輸入電壓V2。該整流單元1例如是一種橋式整流器，也就是一種交流直流轉換器。
該逆變單元2電連接該整流單元1以接收該直流輸入電壓V2，並受到該控制單元3的控制以將該直流輸入電壓V2轉換為該交流輸出電壓V3，也就是一種直流交流轉換器，且用於對所輸出的該交流輸出電壓V3作振幅(即電壓大小)的改變及相位調變(或頻率調變)。該逆變單元2還電連接該電感性負載9，以將該交流輸出電壓V3輸出至該電感性負載9。
該電容單元4包括至少一超級電容，例如是一個超級電容，並電連接於該整流單元1與該逆變單元2之間，以對該直流輸入電壓V2進行濾波與穩壓。該超級電容又稱雙電層電容(EDLC)，是一種擁有高能量密度的電化學電容器，相較於傳統的電解電容的容量往往高上數百倍至數千倍不等。舉例來說，先前技術所採用的電解電容形式的濾波電容的數值大約是幾百微法拉(uF)，而本案的該超級電容的數值例如是2.65法拉(F)，但不以此大小為限。
該控制單元3電連接該逆變單元2，以控制該逆變單元2產生該交流輸出電壓V3，且還控制該交流輸出電壓V3的一相位(或頻率)的大小及一振幅的大小，以藉由相位(或頻率)的不同控制例如該馬達的轉速大小，及藉由電壓的大小控制例如該馬達的扭力大小。該控制單元3例如是一種微控制器(MCU)，或是其他已知用於控制逆變單元2的控制電路。
舉例來說，該馬達應用於驅動一電梯的上升或下降。當該電梯上升時，該變頻器的該控制單元3藉由控制該交流輸出電壓V3的該頻率或該振幅的大小，而能夠平滑地控制該馬達的速度及轉矩，使得該電梯平穩地上升。而當該電梯下降時，該馬達(即該電感性負載9)產生一反向電動勢，此時，該電容單元4的該超級電容能夠吸收並儲存該反向電動勢的能量，使得該直流輸入電壓V2仍然保持穩定，而不損壞該整流單元1或該逆變單元2。
再者，當該馬達產生該反向電動勢之後，且該控制單元3再次控制該逆變單元2產生該交流輸出電壓V3時，如該電梯再次上升時，該電容單元4所儲存的該反向電動勢的能量能夠經由該逆變單元2傳送至該電感性負載9，而達到節省來自該交流電源98所需要的電力。舉例來說，本案變頻器應用於電梯時，即該電感性負載9是驅動電梯上升與下降的馬達時，相較於先前技術(採用傳統電容)能夠節省能源達到百分之六十甚至更多的效果。
換句話說，當該馬達減速或煞車時，該馬達所產生的該反向電動勢的能量，能夠儲存於該電容單元4的該超級電容中，且還能夠再作為該馬達下次運轉的能量。相較於先前技術是利用一制動單元的一洩放電阻單純地將該反向電動勢的能量作消耗以避免損壞變頻器，本案藉由超級電容不但能夠保護變頻器的其他元件避免損壞，還能夠將該反向電動勢的能量加以儲存與再利用。此外，由於超級電容相較於電解電容的體積更小，都能夠有效地簡化變頻器的設計與體積。
另外要特別補充說明的是：為使圖式簡單說明起見，圖1與圖2都僅繪出單一迴路，事實上，該交流電壓V1及該交流輸出電壓V3都是一種三相電壓，並具備對應的三相迴路。
綜上所述，藉由電連接於該整流單元1及該逆變單元2之間的該電容單元4是包含至少一超級電容，使得該變頻器能夠不需要使用習知的制動單元，即能夠利用超級電容的元件特性，有效地吸收並儲存該電感性負載9所產生的該反向電動勢的能量，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:整流單元 2:逆變單元 3:控制單元 4:電容單元 8:交流電源 9:電感性負載 91:整流單元 92:逆變單元 93:控制單元 94:濾波電容 95:制動單元 951:洩壓電阻 952:洩壓開關 98:交流電源 99:電感性負載 V1:交流電壓 V2:直流輸入電壓 V3:交流輸出電壓
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一方塊圖，說明習知的一種變頻器；及 圖2是一方塊圖，說明本發明變頻器的一實施例。
1:整流單元 2:逆變單元 3:控制單元 4:電容單元 8:交流電源 9:電感性負載 V1:交流電壓 V2:直流輸入電壓 V3:交流輸出電壓

Claims (4)

  1. 一種變頻器，適用於一交流電源及一電感性負載，並包含：一整流單元，接收來自該交流電源的一交流電壓，並將該交流電壓轉換為一直流輸入電壓；一逆變單元，電連接該整流單元以接收該直流輸入電壓，並受控制以將該直流輸入電壓轉換為一交流輸出電壓，該逆變單元還電連接該電感性負載，以將該交流輸出電壓輸出至該電感性負載；一電容單元，包括至少一超級電容，並直接電連接於該整流單元與該逆變單元之間，以對該直流輸入電壓進行濾波與穩壓；及一控制單元，電連接該逆變單元，以控制該逆變單元產生該交流輸出電壓，且還控制該交流輸出電壓的一頻率的大小或一振幅的大小。
  2. 如請求項1所述的變頻器，其中，當該電感性負載產生一反向電動勢時，該電容單元的該至少一超級電容能夠吸收並儲存該反向電動勢的能量，使得該直流輸入電壓仍然保持穩定，而不損壞該整流單元或該逆變單元。
  3. 如請求項2所述的變頻器，其中，當該電感性負載產生該反向電動勢之後，且該控制單元再次控制該逆變單元產生該交流輸出電壓時，該電容單元所儲存的該反向電動勢的能量能夠經由該逆變單元傳送至該電感性負載。
  4. 如請求項3所述的變頻器，其中，該電感性負載是一馬達，該交流輸出電壓驅動該馬達運轉，當該馬達減速或煞車 時，該馬達產生該反向電動勢。
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