如何在变频驱动器中使用脉宽调制

在本文中，了解变频驱动器如何利用脉宽调制原理从数字源（例如电机驱动器）创建模拟信号。

脉冲宽度调制（PWM）是一种常用的策略，用于从数字源创建模拟类型的信号。当试图从由分立晶体管控制的源驱动电机时，这是一种常见的方法，无法提供特定的可变电流输出。变频驱动器利用这一原理进行操作。

许多控制器输出使用脉冲开/关信号的策略来向负载设备提供有限量的电流。这种电压脉冲过程允许离散数字输出驱动模拟设备，但仍不能产生真正的模拟输出电压。

由于驱动电机负载所需的功率，这种方法在电机输出中特别常见。为了以适当的扭矩和速度驱动，必须向电机提供一定量的功率。该功率是电压和电流的乘积（乘积）。如果降低电压，将直接影响功率，因此我们不能降低电压并仍然期望有所需的扭矩来移动负载。所以作为一种减速方法，降低电压是不切实际的。这个概念实际上只在降低电压启动方法的情况下出现。

为了克服这一挑战，必须有一种方法可以提供全电压和全电流，但又要以某种方式降低电机的驱动速度。在直流电机（例如业余爱好电机）中，这可以通过减少驱动转子磁场的平均电流来实现，这将决定电刷换向的速度。脉冲宽度调制（PWM）技术非常简单地完成了这项任务。

在三相交流电机中，简单的电压脉冲不会改变速度，因为为了正常运行，电压也必须改变极性。准确地说，它必须以非常特定的频率这样做才能获得正确的输出RPM。这与直流电机不同，直流电机的旋转速度自动控制刷子反转的速度，有点像自动反馈。另一方面，交流电机必须由外部电源交替。

脉宽调制如何工作？

为了理解脉冲概念的工作原理，必须记住两个关键概念。首先，恒定的PWM载波频率控制电压持续时间的计算。这个频率必须足够高，以至于输出设备不能在每个脉冲中物理地打开和关闭。如果这样做，将导致电机脉动，从而导致损坏。好消息是电机对施加电流的反应时间相对较慢，因此PWM载波频率不必非常高，但通常位于几百赫兹到几万赫兹的区域内。

作为参考，小型控制器，如流行的ArduinoUno微控制器，大多数引脚的PWM载波频率约为500Hz。在Allen-BradleyPowerFlex525VFD上，载波频率默认为4kHz。对于许多工业驱动器，频率应与任何安装的线路滤波器相匹配。

在这个恒定频率下，数字直流电压可能会在这段时间内打开，然后在剩余时间里关闭。例如，对于1kHz载波频率，每个周期的时间为1毫秒。直流电压可能会打开0.5ms，然后关闭剩余的0.5ms。负载会在短暂驱动时做出响应，但如果重复这种恒定的开/关/开/关模式，则整体响应将恰好是电机最大响应RPM的一半。如果增加脉冲的“开启”持续时间，电机将旋转得越快，直到它最终在整个周期内达到全电压，这与简单地提供恒定电压相同。

ON脉冲的持续时间除以TOTAL周期时间的比率称为PWM输出的“占空比”，以0%-100%的百分比表示。对于直流电机，恒定的占空比产生恒定但可精确调节的速度。

VFD如何使用PWM控制交流电机？

对于三相交流电机，可以单独考虑每相输入。实际上，每个相位比前一个相位延迟5.55毫秒（60Hz周期的1/3），但每个相位都只是原始PWM概念的副本。

首先，电压必须交替极性以产生所需的交流波，因此驱动输出的晶体管（MOSFET）连接在称为“H桥”的反向配置中，它允许控制器改变输出极性。重新创建60Hz信号的正确时机。

当数字创建的交流波开始时，占空比几乎为0%（因此没有电流），但它开始非常迅速地增加。变化率随着向100%攀升而减慢，事实上，曲线是精确的正弦曲线，就像主线电压一样。占空比本身对应于提供给电机线圈的平均电流，因此我们希望看到线圈的磁场以非常精确的速率变化。

对于慢速旋转的电机，占空比的增加速度会比较慢。一旦达到100%，占空比将立即开始回落至0%。然后极性将翻转，循环将重复。

考虑VFDPWM输出的最简单方法之一是查看标准交流电压曲线。但与其将其读取为“电压”，不如将其读取为“占空比”。由于占空比是数字创建的，因此可以根据需要非常缓慢或快速地创建它。

您不应尝试以高于铭牌最大值的频率运行电机，但PWM载波频率会高很多倍。此外，值得注意的是，较高的载波频率会产生更多的干扰和电噪声，但较低的频率将允许在每个PWM周期中通过每个晶体管的电流量更大，并产生更多的热量。因此，您应该注意制造商对载波频率的建议。