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變頻器的逆變單元是怎么工作的

 回家的夢(mèng)想 2019-10-07

而通常母線電壓經(jīng)過(guò)電容平滑之后就進(jìn)入逆變環(huán)節(jié)了,在這里我們將遇到變頻器最重要的部分:PWM 脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation)。

PWM 脈寬調(diào)制的基本原理,是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖,用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。

變頻器的逆變單元是怎么工作的

PicSource:vfds.com

具體來(lái)說(shuō),當(dāng)逆變回路中正極輸出側(cè)與電機(jī)某一相連接的一個(gè)開(kāi)關(guān)(如上圖右側(cè)上方)閉合時(shí),那么相應(yīng)的,電機(jī)在該相的電壓也就為正,而如果與此同時(shí),逆變回路中負(fù)極輸出側(cè)與電機(jī)另一相連接的一個(gè)開(kāi)關(guān)(如上圖右側(cè)下方)與之同步閉合,那么電機(jī)此相的電壓也就為負(fù),并且電機(jī)兩相之間會(huì)因此而導(dǎo)通產(chǎn)生電流。這樣,通過(guò)順序切換逆變回路中正負(fù)極上的多對(duì)開(kāi)關(guān),我們就可以任意切換電機(jī)上各相輸出的正負(fù)極性,并通過(guò)調(diào)整這些開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間間隔的變化,讓其輸出產(chǎn)生出我們想要的任何頻率特性。

變頻器的逆變單元是怎么工作的

PicSource:nrcan.gc.ca

需要注意的是,變頻器的逆變輸出其實(shí)是高頻的等幅脈沖方波,而不是真正的正余弦波,我們只是以等效方式將其視為正余弦波。這對(duì)于通用配電系統(tǒng),并不是一個(gè)好的選擇,但對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)卻是非常合適的。正如前文所述,通過(guò)調(diào)整逆變器輸出電流的頻率,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的靈活控制。

變頻器的逆變單元是怎么工作的

PicSource:vfds.com

不過(guò),在實(shí)際的電機(jī)應(yīng)用中,為了應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)載變化,我們還經(jīng)常需要去控制和調(diào)節(jié)電機(jī)輸入端的電壓。例如:如果需要將電機(jī)頻率從 60Hz 降低到 30 Hz,那么只需調(diào)慢逆變器各輸出晶體管之間的接通時(shí)間間隔即可;但是,當(dāng)輸出頻率降低到原來(lái)的一半以后,為了保持相同的電壓/頻率(V/Hz)比值,我們?cè)撊绾卧谥绷髂妇€電壓始終為 650VDC 的情況下,將輸出電壓也從原來(lái)的 480V 降到 240V 呢?

變頻器的逆變單元是怎么工作的

PicSource:MyElectrical

想象一下,在流體管道系統(tǒng)中,我們其實(shí)是可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的高速開(kāi)閉與其打開(kāi)的時(shí)長(zhǎng)來(lái)控制管路中的流體壓力的。盡管在管道系統(tǒng)中這個(gè)方法貌似并不怎么實(shí)用,但它對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)效果卻非常之好。只要按一定的規(guī)則對(duì)各方波脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié),即可改變逆變電路輸出電壓的大小。打個(gè)比方,如果在輸出為正的前半個(gè)周期中,讓電壓為 480V 和為 0V 的時(shí)間各占一半,那么其等效電壓即是 480V 的一半,也就是 240V;同樣的道理,我們就可以在變頻器的輸出上實(shí)現(xiàn)任何等效電壓;而如果能夠讓逆變電路正向半個(gè)周期中產(chǎn)生的多個(gè)脈沖等值電壓呈正弦波形,那么所獲得的輸出將更為平滑且低次諧波更少。

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形狀不同而沖量相同的脈沖波形

在這其中最重要的原理就是面積等效,即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。沖量,是指窄脈沖的面積;效果基本相同,是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同,低頻段非常接近,僅在高頻段略有差異。

變頻器的逆變單元是怎么工作的

PicSource:Mitsubishi Electric

目前逆變環(huán)節(jié)使用的功率器件主要是 IGBT(Insulated GateBipolar Transistor - 絕緣柵雙極性晶體管),由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,同時(shí)具有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。GTR 具有飽和壓降低,載流密度大的優(yōu)點(diǎn),但是驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET 具有驅(qū)動(dòng)功率很小,開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn),但是導(dǎo)通壓降大,載流密度小。而 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率小且飽和壓降低。正因?yàn)榫哂幸陨蟽?yōu)點(diǎn),IGBT 模塊被用作變頻器逆變電路的開(kāi)關(guān)器件。主控電路通過(guò)控制 V1-V6 這 6 個(gè) IGBT 的開(kāi)通與閉合,達(dá)到控制輸出側(cè) UVW 三相電路的 PWM 波形的效果,等效為電壓、頻率可控的三相交變電壓。

變頻器的逆變單元是怎么工作的

PicSource:Yaskawa

絮絮叨叨了這么多,我們不禁要提出這樣的疑問(wèn),為什么變頻器一定要把交流電通過(guò)二極管或可控硅整流成直流電然后才能逆變?yōu)榻涣麟娔??為什么不能直接將交流電通過(guò)某種裝置直接變換為頻率/電壓可調(diào)整的交流電呢?

變頻器的逆變單元是怎么工作的

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