如何在變頻驅(qū)動(dòng)器中使用脈寬調(diào)制

在本文中，了解變頻驅(qū)動(dòng)器如何利用脈寬調(diào)制原理從數(shù)字源（例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）創(chuàng)建模擬信號(hào)。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種常用的策略，用于從數(shù)字源創(chuàng)建模擬類型的信號(hào)。當(dāng)試圖從由分立晶體管控制的源驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，這是一種常見的方法，無法提供特定的可變電流輸出。變頻驅(qū)動(dòng)器利用這一原理進(jìn)行操作。

許多控制器輸出使用脈沖開/關(guān)信號(hào)的策略來向負(fù)載設(shè)備提供有限量的電流。這種電壓脈沖過程允許離散數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)模擬設(shè)備，但仍不能產(chǎn)生真正的模擬輸出電壓。

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載所需的功率，這種方法在電機(jī)輸出中特別常見。為了以適當(dāng)?shù)呐ぞ睾退俣闰?qū)動(dòng)，必須向電機(jī)提供一定量的功率。該功率是電壓和電流的乘積（乘積）。如果降低電壓，將直接影響功率，因此我們不能降低電壓并仍然期望有所需的扭矩來移動(dòng)負(fù)載。所以作為一種減速方法，降低電壓是不切實(shí)際的。這個(gè)概念實(shí)際上只在降低電壓?jiǎn)?dòng)方法的情況下出現(xiàn)。

為了克服這一挑戰(zhàn)，必須有一種方法可以提供全電壓和全電流，但又要以某種方式降低電機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度。在直流電機(jī)（例如業(yè)余愛好電機(jī)）中，這可以通過減少驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的平均電流來實(shí)現(xiàn)，這將決定電刷換向的速度。脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)非常簡(jiǎn)單地完成了這項(xiàng)任務(wù)。

在三相交流電機(jī)中，簡(jiǎn)單的電壓脈沖不會(huì)改變速度，因?yàn)闉榱苏＿\(yùn)行，電壓也必須改變極性。準(zhǔn)確地說，它必須以非常特定的頻率這樣做才能獲得正確的輸出RPM。這與直流電機(jī)不同，直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度自動(dòng)控制刷子反轉(zhuǎn)的速度，有點(diǎn)像自動(dòng)反饋。另一方面，交流電機(jī)必須由外部電源交替。

脈寬調(diào)制如何工作？

為了理解脈沖概念的工作原理，必須記住兩個(gè)關(guān)鍵概念。首先，恒定的PWM載波頻率控制電壓持續(xù)時(shí)間的計(jì)算。這個(gè)頻率必須足夠高，以至于輸出設(shè)備不能在每個(gè)脈沖中物理地打開和關(guān)閉。如果這樣做，將導(dǎo)致電機(jī)脈動(dòng)，從而導(dǎo)致?lián)p壞。好消息是電機(jī)對(duì)施加電流的反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢，因此PWM載波頻率不必非常高，但通常位于幾百赫茲到幾萬赫茲的區(qū)域內(nèi)。

作為參考，小型控制器，如流行的ArduinoUno微控制器，大多數(shù)引腳的PWM載波頻率約為500Hz。在Allen-BradleyPowerFlex525VFD上，載波頻率默認(rèn)為4kHz。對(duì)于許多工業(yè)驅(qū)動(dòng)器，頻率應(yīng)與任何安裝的線路濾波器相匹配。

在這個(gè)恒定頻率下，數(shù)字直流電壓可能會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)打開，然后在剩余時(shí)間里關(guān)閉。例如，對(duì)于1kHz載波頻率，每個(gè)周期的時(shí)間為1毫秒。直流電壓可能會(huì)打開0.5ms，然后關(guān)閉剩余的0.5ms。負(fù)載會(huì)在短暫驅(qū)動(dòng)時(shí)做出響應(yīng)，但如果重復(fù)這種恒定的開/關(guān)/開/關(guān)模式，則整體響應(yīng)將恰好是電機(jī)最大響應(yīng)RPM的一半。如果增加脈沖的“開啟”持續(xù)時(shí)間，電機(jī)將旋轉(zhuǎn)得越快，直到它最終在整個(gè)周期內(nèi)達(dá)到全電壓，這與簡(jiǎn)單地提供恒定電壓相同。

ON脈沖的持續(xù)時(shí)間除以TOTAL周期時(shí)間的比率稱為PWM輸出的“占空比”，以0%-100%的百分比表示。對(duì)于直流電機(jī)，恒定的占空比產(chǎn)生恒定但可精確調(diào)節(jié)的速度。

VFD如何使用PWM控制交流電機(jī)？

對(duì)于三相交流電機(jī)，可以單獨(dú)考慮每相輸入。實(shí)際上，每個(gè)相位比前一個(gè)相位延遲5.55毫秒（60Hz周期的1/3），但每個(gè)相位都只是原始PWM概念的副本。

首先，電壓必須交替極性以產(chǎn)生所需的交流波，因此驅(qū)動(dòng)輸出的晶體管（MOSFET）連接在稱為“H橋”的反向配置中，它允許控制器改變輸出極性。重新創(chuàng)建60Hz信號(hào)的正確時(shí)機(jī)。

當(dāng)數(shù)字創(chuàng)建的交流波開始時(shí)，占空比幾乎為0%（因此沒有電流），但它開始非常迅速地增加。變化率隨著向100%攀升而減慢，事實(shí)上，曲線是精確的正弦曲線，就像主線電壓一樣。占空比本身對(duì)應(yīng)于提供給電機(jī)線圈的平均電流，因此我們希望看到線圈的磁場(chǎng)以非常精確的速率變化。

對(duì)于慢速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，占空比的增加速度會(huì)比較慢。一旦達(dá)到100%，占空比將立即開始回落至0%。然后極性將翻轉(zhuǎn)，循環(huán)將重復(fù)。

考慮VFDPWM輸出的最簡(jiǎn)單方法之一是查看標(biāo)準(zhǔn)交流電壓曲線。但與其將其讀取為“電壓”，不如將其讀取為“占空比”。由于占空比是數(shù)字創(chuàng)建的，因此可以根據(jù)需要非常緩慢或快速地創(chuàng)建它。

您不應(yīng)嘗試以高于銘牌最大值的頻率運(yùn)行電機(jī)，但PWM載波頻率會(huì)高很多倍。此外，值得注意的是，較高的載波頻率會(huì)產(chǎn)生更多的干擾和電噪聲，但較低的頻率將允許在每個(gè)PWM周期中通過每個(gè)晶體管的電流量更大，并產(chǎn)生更多的熱量。因此，您應(yīng)該注意制造商對(duì)載波頻率的建議。