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详解变频器变压技术

关键词:变频器 变压技术 PWM

时间:2020-03-11 10:47:45      来源:网络

这个就是 PWM 技术 PWM(pulse width modulation)脉冲宽度调制。就是利用三角波(载波),然后把正弦波(信号波,也叫调制波)调制到这个载波上面。经过这么一调制,就可以得到一个宽窄有规律的方波信号。这个过程就是叫 PWM。

这个就是 PWM 技术 PWM(pulse width modulation)脉冲宽度调制。

就是利用三角波(载波),然后把正弦波(信号波,也叫调制波)调制到这个载波上面。经过这么一调制,就可以得到一个宽窄有规律的方波信号。这个过程就是叫 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,就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,下面的一系列的红色方波信号。

得到这个信号后,经过放大器放大,信号强度增强。就可以用这个放大的信号去驱动 IGBT 的栅极(G)。IGBT 的栅极就会按这个信号的时序将 CE 极之间进行关断操作。

 

结合一个单相的 IGBT 逆变电路:

 

 

在信号的上半周,接到 1 和 4 的栅极上,那么 R 上就会有向下的电流通过。


在信号的下半周,接到 2 和 3 的栅极上,那么 R 上就会有向上的电流通过。

电阻 R 上的电压和电流的波形和那个调制信号的波形一样。它们频率就和信号波的频率一样。


在《变频器的逆变电路》中,出现的这个波形,就是这么的来的。

 


PWM 调制,信号放大,控制 1/4,2/3 的通断,都要通过电路实现。在我们公司,是有一块电路板。具体的电路板设计,我也不懂。

有了这个 PWM 技术,载波的频率不变。信号波的频率是可以变的,它决定了输出电压的频率。通过调整信号波的频率,就实现了“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。为了得到一个近似“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,太高了,会有其它麻烦。后面再解释。

我们公司不同系列的变频器,载波的频率不一样,有 2000Hz, 3000Hz, 5000Hz 几种。

另外,通过调整信号波的幅度,还可以实现变频器输出电压的“变压”。如下图仿真所示。

 

下面是一个动态示意图。可以看到,得到的调制波的宽度随首幅度的变化而变化。

 

 

这个原理就要从电压的有效值说起。

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。


当我们信号幅值降低时,得到的调制信号的宽度就变窄,这样就降低了电压的有效值。

这个功能的有什么用处呢?

电机内流过的电流大小,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。


这个磁通量与什么有关呢?它与电机上的电压成正比,与频率成反比。

 

 

变频器启动电机时,在最初时,频率低,为了防止过流烧电机,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,就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可以通过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。这个时候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。


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,适用范围很广。

我也是无意中知道这个“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,如果遇到外国的产品,它的额定电压就不一样,这个时候就要调电压。有一次,我们交出去的产品,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,研究发现:供电电源里的“谐波”导致了相序保护器里的电路发热过大。解决办法: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。

变频技术的出现,是由于微电子行业发展的结果。那些控制电路的实现,有了集成芯片,体积就可以做得很少,可靠性也提高。

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