CUK变换器下的变频器设计

谢棋斌

（黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨150022）

0 引言

普通变频器可分为交-交变频器、交-直-交变频器，后者比较常用，前者在矩阵变频器中使用较广。

国内变频技术已得到较快的发展，变频调速技术已涉及电子、机械、石化、冶炼、纺织、汽车等多种行业和领域，应用范围覆盖注塑机、空压机、空调、恒压供水、纺织机等各种交流电机设备。在发达国家，变频器在电机投用的普及率已达到80%，而我国变频器的运用还在起步阶段，普及率不到10%。因此，变频调速系统在我国有着非常巨大的市场需求，应当引起重视。

1 变频器原理

1.1 交-直-交变频器

交-直-交变频器使用先整流后逆变的方式实现频率的转换，其简单原理图如图1所示。

图1 交-直-交变频器原理图

该结构由交流电源、整流器、滤波电容、逆变器、负载构成，分别实现整流、稳压、逆变（变频）功能。

1.2 交-交变频器

如图2所示，改变电路工作时的触发延迟角，就可以改变电压输出值，控制两组（正向导通为一组，反向导通为一组）的工作时间，就能控制输出的电压频率，以此实现频率变换。

该结构由交流电源、移相开关部件、负载组成，通过改变移相相角来控制输出幅值与频率。

图2 交-交变频器原理图

2 CUK变换器原理

图3所示为CUK斩波电路MATLAB仿真图，其输入、输出关系为：

输出电流波形如图4所示。

图4 CUK变换器输出电流图

3 CUK变换器下变频器原理

3.1 变频原理电路

CUK变换器下变频器MATLAB仿真图如图5所示。

可见，该电路由直流电源（可整流产生）、CUK电路、逆变电路、负载模块等组成，电路功能是：先将直流电源升压或降压为某一特定幅值的直流电源，再用逆变电流将其转换为某一特定频率的交流电压，本系统用三角波与特定频率的正弦波产生控制信号SPWM波，输出电流波形如图6所示。

由图6可见，输出电压含有大量高次谐波。

图5 CUK变换器下变频器原理仿真图

图6 CUK变换器下变频器输出电流图

图8 滤波后输出电流图

3.2 变频参数设置

由实验数据得：CUK电路中储能电感L1取0.01 H，电容C取0.000 1 F，稳压电抗器L2取0.1 H。由实验结果可知，输出电流与电压中含有大量高次谐波，且波形总畸变率很高，这样的输出电压会使得使用中的负载运行噪声增大，并缩短负载使用寿命。因此，在负载端加入LC滤波器是不错的选择，要求系统输出电压畸变率小于3%，如图7所示。

图7 带滤波器的CUK变换器下变频器原理仿真图

滤波器参数设置为：L=0.000 01 H，C=0.000 12 F，输出波形如图8所示。谐波分析如图9所示。

波形畸变率THD=2.55%，达到了设计要求。

4 结语

用CUK变换器实现电压调节，用变频器实现频率改变，用LC滤波器实现输出波形为正弦形，在逆变控制时采用SPWM控制方法，输入电压（有效值）为17V，输出电压（有效值）为18.3 V，

图9 滤波后输出电流谐波分析

波形畸变率为2.55%，畸变率与波形基本符合设计要求。