变频器的逆变单元是怎么工作的
2022-06-28

上一期我们简单谈了「变频器的整流单元」,而通常母线电压经过电容平滑之后就进入逆变环节了,在这里我们将遇到变频器最重要的部分:PWM 脉宽调制(Pulse Width Modulation)。

PWM 脉宽调制的基本原理,是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

具体来说,当逆变回路中正极输出侧与电机某一相连接的一个开关(如上图右侧上方)闭合时,那么相应的,电机在该相的电压也就为正,而如果与此同时,逆变回路中负极输出侧与电机另一相连接的一个开关(如上图右侧下方)与之同步闭合,那么电机此相的电压也就为负,并且电机两相之间会因此而导通产生电流。这样,通过顺序切换逆变回路中正负极上的多对开关,我们就可以任意切换电机上各相输出的正负极性,并通过调整这些开关通断时间间隔的变化,让其输出产生出我们想要的任何频率特性。

需要注意的是,变频器的逆变输出其实是高频的等幅脉冲方波,而不是真正的正余弦波,我们只是以等效方式将其视为正余弦波。这对于通用配电系统,并不是一个好的选择,但对于电机来说却是非常合适的。正如前文所述,通过调整逆变器输出电流的频率,能够实现对电机转速的灵活控制。

不过,在实际的电机应用中,为了应对运动负载变化,我们还经常需要去控制和调节电机输入端的电压。例如:如果需要将电机频率从 60Hz 降低到 30 Hz,那么只需调慢逆变器各输出晶体管之间的接通时间间隔即可;但是,当输出频率降低到原来的一半以后,为了保持相同的电压/频率(V/Hz)比值,我们该如何在直流母线电压始终为 650VDC 的情况下,将输出电压也从原来的 480V 降到 240V 呢?

想象一下,在流体管道系统中,我们其实是可以通过调节阀门的高速开闭与其打开的时长来控制管路中的流体压力的。尽管在管道系统中这个方法貌似并不怎么实用,但它对变频驱动来说效果却非常之好。只要按一定的规则对各方波脉冲的宽度进行调节,即可改变逆变电路输出电压的大小。打个比方,如果在输出为正的前半个周期中,让电压为 480V 和为 0V 的时间各占一半,那么其等效电压即是 480V 的一半,也就是 240V;同样的道理,我们就可以在变频器的输出上实现任何等效电压;而如果能够让逆变电路正向半个周期中产生的多个脉冲等值电压呈正弦波形,那么所获得的输出将更为平滑且低次谐波更少。

形状不同而冲量相同的脉冲波形

在这其中最重要的原理就是面积等效,即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量,是指窄脉冲的面积;效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同,低频段非常接近,仅在高频段略有差异。

目前逆变环节使用的功率器件主要是 IGBT(Insulated GateBipolar Transistor - 绝缘栅双极性晶体管),由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,同时具有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降的优点。GTR 具有饱和压降低,载流密度大的优点,但是驱动电流较大;MOSFET 具有驱动功率很小,开关速度快的优点,但是导通压降大,载流密度小。而 IGBT 综合了以上两种器件的优点,驱动功率小且饱和压降低。正因为具有以上优点,IGBT 模块被用作变频器逆变电路的开关器件。主控电路通过控制 V1-V6 这 6 个 IGBT 的开通与闭合,达到控制输出侧 UVW 三相电路的 PWM 波形的效果,等效为电压、频率可控的三相交变电压。

絮絮叨叨了这么多,我们不禁要提出这样的疑问,为什么变频器一定要把交流电通过二极管或可控硅整流成直流电然后才能逆变为交流电呢?为什么不能直接将交流电通过某种装置直接变换为频率/电压可调整的交流电呢?

当然是可以的,目前已经进入商用市场的安川 U1000 系列矩阵式变频器就是“交-交“变频器,省去了中间直流变换过程。只是,事物都有两面性,交交转换功率器件目前代价非常高,因此,作为当今市场上唯一一款商用“交交”变频器,安川的 U1000 矩阵式变频器在市场上有点曲高和寡,处于叫好不叫座的境地。

原稿:Mute 图文:麥總

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