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变频器的逆变、变频原理

  图中的1,2,3,4是IGBT,它有一个特点,我们只要在它的“栅极G”上加上信号,它就可以执行“开”的动作,即CE之间导通。如果把这个信号拿走,它就可以执行“关”的动作,即CE之间关断。

  再说上面的原理图,在上半周内,如果我们让信号将1和4的IGBT开通,但2和3的IGBT关闭,那么母线上的电压就会通过负载R,从正极指向负极,实现了R上有一个向下的电流通过。在接下来的下半周,让信号将1和4的IGBT关闭,同时信号将2和3的IGBT开通,那么R上就会有向上的电流通过。这样负载R上的电压就如下图所示。

  这样,就实现在了电流的“交流”变换。上面的演示能够准确的看出,R上的电压是一个“方波”。这个电压是不可以驱动我们普通的“感应”电机的。

  要能驱动电机,就得想办法把这个“方波”电压,变成“正弦”电压,怎么变呢?

  如果在一个“半周期”内,我们通过技术,将这个“方波”变成半个周期(0-π)的“正弦”波,就完成了全部“逆变”的工作了。

  就是利用三角波(载波),然后把正弦波(信号波,调制波)调制到这个载波上面。经过这么一调制,就能够获得一个宽窄有规律的方波信号。这样的一个过程就是叫PWM。

  如下面图所示:蓝色的三角波,就是载波,红色的正弦波就是信号波。经过如图所示的二者重合后,然后通过信号波和载波的交叉点来决定调制后的信号波的宽度和高度。

  具体地说:以信号的正半周为例,信号波与载波有一系列的相交点,在相邻相交点之间,如果信号波的信号大于载波,调制的输出信号为1。反之,则输出0。最后就得到了上图中,下面的一系列宽窄有序的红色方波信号。

  得到这个红色的方波信号后,就可以把这个信号接到IGBT的栅极G上,让调制波的半个周半个周期地分别对IGBT的栅极加信号, IGBT就会按这个信号进行“开”、“关”操作。按一定的规律有序控制1/4 和2/3在一个周期内这样做相关操作,负载R上就会得到一个与那个红色方波信号相似的“方波”电压波形。

  上图就是用示波器抓获的这种波形。(注意:这个抓的是三相输出的二相之间的电压波形,如果要得到图3所示的那种波形,则要将示波器接在相和地之间。三相变频器输出没有“地”,就没有很好的方法抓到那种波形了。)

  照片分上下二个部分,上半区是波形全局,中间有二根竖线。下半区,就是二根竖线之间的波形的局部放大,可以看一下它的细节。

  通过这个PWM技术,载波的频率不变,信号波的频率是可以变的。通过上面第二步的分析,输出电压的频率和这个信号波的频率是一样的。通过调整信号波的频率,就实现了输出电压的频率变化,即“变频”。

  细心的朋友会说:这个实际的波形照片,与我们仿真出来的那个波形看上去不一样,差得太多。

  我的答案是:仿真波形用的基波的频率太低。数一数一个信号波周期内载波的尖峰,12个,如果信号波是50Hz,则这个载波的信号是600Hz。为得到一个近似“等效”的正弦波,载波的频率要越高越好。这个也好理解。但这个载波的频率不能太高,为什么不能太高?我还没有想好答案。等想好了,我另写一篇文章。

  现在的IGBT的开关频率选择是满足实用的前提下一个妥协的结果。我看到的变频器,IGBT的开关频率有2kHz,3kHz,5kHz的。

  有朋友会说,电机驱动,要“正弦”波电压,但我们正真看到变频器输出是“PWM方波”,怎么就能使电机工作呢?

  这个问题,就涉及到数学上的“傅立叶”变换。理论上,我们现在看到的PWM波和正弦波的区别是差一个“谐波”,即“谐波”和基波合成后,能够获得一个“PWM波”。由于基波的有效值占大头,谐波的有效值占少数部分,我们说这个PWM波“等效”为一个“正弦”波。

  因为是“等效”,不是相同,这个变频器产生的变频电源就会产生一些其它想不到的麻烦。参见后面的“用途二”中的一个案例。

  这个PWM技术,除了实现变频外,还有其它用处。通过调整信号波的幅度,还能轻松实现变频器输出电压的“变压”。如下图仿真所示。能够正常的看到,它与图5比起来,显得很“瘦”。

  下面是一个动态示意图。能够正常的看到,得到的调制波的宽度随着幅度的变化而变化。

  我们平时说的“220V”电压是正弦波电压的有效值,它的定义:把直流电和交流电分别通过两个相同的电阻器件,如果在交流电的一个周期时间内它们产生的热量相等,那么就把此直流电的电压作为此交流电的有效值。

  当我们信号幅度降低时,得到的调制信号的宽度就变窄,等效的正弦波就显得“瘦”了。这样就降低了电压的有效值,但它的峰值不变。

  电机内流过的电流的大小,与磁通量有关。在加在电机上的电压一定的情况下,如果降低电机的转速,则电机的“磁通量”会增加直到“饱和”。磁通量增加时,电机的电流也会增加,直至过流。这解释了我们观察到的现象:如果电机的负载过大,电机带不动,只能在低速运转,时间长了电机烧毁。极端情况,想办法把电机轴固定,通电不久,电机就会烧毁。

  变频器启动电机时,在最初时,频率低,为避免过流烧电机,就要保持电机内的磁通量一定,就得降低加在电机上的电压。这个降低电压的办法,是通过降低信号波的幅值来实现的。

  当系统要求输出功率减少时,比如:办公大楼晚间的空调需求少,希望空调机组减少制冷量,采用变频机组的空调就能够最终靠降低变频器的输出频率来使得电机的转速降低,从而使得空调的制冷量降低。这种工况是长时间运行的,如果不降低电机上的电压,就会导致电机在长时间的过流下工作,烧毁电机。这样一个时间段就要降低电机上的电压,或者说降低变频器的输出电压。这个降低电压的办法,就是采用这个降低信号波幅度来实现。

  我曾经观察过一部变频器的开机过程,从0-50Hz,它的电压/频率比在7左右。

  如果在变频器初始开机的时候,频率低,扭矩就大,同时,电机内的阻抗也低,导致电机内的电流大,这个会造成电机过流,烧毁电机。大功率电机,会拉低电网的电压,进而影响了电网上其它用电器的正常工作。解决的办法是同时也降低启动时的电压。这个降低电压的办法,是通过调整信号波的幅度来实现的。

  变频器起动方式中有一个“频率电压比”指标。电机开始的时候转速低,利用变频器,就能够给大家提供一个较低的频率。在走动过程中,保持“频率电压比在一个固定的值”。

  在我们公司,这个调整电压的工作,是通过软件来实现。把软件烧在一个存贮芯片上,安装在控制板上。控制板读取存贮芯片内的内容后,执行软件程序。这样,同一块主板,就可以用在不同的机型上。不同的机型,要用不同的电压,就是烧不同的软件。具体原理呢,我也不懂了;具体的软件算法,我不懂;具体的软件编写,参数的修改,我也不懂,我的印象中,都是老外送给我们软件。

  另外,有的企业,产品销往世界各地,使用的电压规格也不一样,测试时,为了获得这种不同的电压,可以用传统的铁芯变压器实现调压,但也有的单位用变频器当变压器进行调压,这样,它能调的电压就很宽了,档数也多,适合使用的范围很广。

  我也是无意中了解这一个“变频调压”实际应用的。我们的客户,就采用这个变频调压的技术。我们做的产品交给他测试时,若遇到外国的产品,它的额定电压就不一样,这样一个时间段就要调电压。有一次,我们交货的产品,在它的测试台测试时,发生了“相序保护器”烧毁的故障。最初我们以为是相序保护器质量不行。就重新换了一个,上去一测试,马上就烧了。我们就觉得奇怪了,启动柜在家里测试合格,上面的接线什么的都是对的。为什么到了客户的测试台上就烧相序保护器?连烧二个相序保护器就不正常了。后来,客户测试主管想起来了:可能与他们的电源有关,他们用的是“变频电源”----利用“变频器”进行调压。为什么“变频电源”就能烧“相序保护器”?后来找到相序保护器厂家,研究之后发现:供电电源里的“谐波”导致了相序保护器里面的电路发热过大。处理方法:重新设计“相序保护器”里面的电路。当时我对变频器不懂,有了这一次的教训,我个人对“变频器变压”技术就有了心里阴影。

  另外,如果信号波的峰值大于载波的峰值,这样得到的方波,就比正常的正弦波“胖”一点,它能大大的提升逆变后的电压有效值。这个技术就是“过调制”。这个技术,对于使用“交流电抗”的变频器很重要,参见这一篇文章中的讲述。

  变频技术的出现,是由于微电子技术发展的结果。有了集成芯片,控制电路、元件体积就可以做得很小,可靠性也大幅度提高。

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