雙PWM變頻器的交流調速技術研究

李 智

廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司，廣東 中山 528429

0 引言

脈寬調制（PWM）控制技術是交流變頻調速系統中的重要內容，因此得到廣泛應用。應用雙PWM控制技術，能夠使變頻器結構發生改變，提升其功率因數，有效抑制諧波污染，使其能量實現雙向流動[1-4]。交流調速的原理為利用電機轉速、電源頻率間存在的線性關系，最大限度地發揮變頻器的作用，使工頻交流能夠切實轉變為交流電源，實現頻率可調[5-6]。依據拓撲結構對變頻器進行劃分：一是間接變頻，即對工頻電流進行整流后獲得直流，繼而通過逆變轉變為可控交流；二是直接變頻，即將工頻交流直接變成可控頻率和電壓的交流[7-8]。目前，間接變頻器的使用較為常見。

1 整流側不可控變頻器

對傳統變頻器進行分析可知，其整流部分無法實現能量回饋，主要是采用二極管的原因，功率因數在1以下。常規變頻調速異步電動機系統示意圖如圖1所示。

圖1 常規變頻調速異步電動機系統示意圖

（1）高次諧波電流的出現會在一定程度上影響電網和變頻器的穩定運行，尤其是諧波污染變得較為嚴重時，使電網容量難以得到充分利用，從而降低電壓，增大線路損耗，導致難以滿足電網質量的要求。同時，使負載設備所受損害較大，如絕緣老化會明顯增大無功消耗，縮短設備的使用壽命。

（2）如果設備長時間運行，一旦其制動、減速或位能性負載變得較低，電機將出現回饋發電的狀況，回饋電能經由逆變器進入直流側電容，所產生的泵升電壓會對系統造成較大危害。眾所周知，二極管整流器存在傳輸不可逆的特點，而傳統變頻調速系統需要利用制動電阻實現對再生電能的處理，加大了電能損耗。為此，可以采用反并聯有源逆變裝置對其進行處理，但是會增加該系統的復雜程度，二極管整流器實物圖如圖2所示。

圖2 二極管整流器實物圖

2 整流側半可控變頻器

采用晶閘管半可控整流環節對二極管不可控整流部分進行替換，具體如圖3所示。

圖3 整流可控型變頻器結構圖

從整流部分來看，由晶閘管形成了正反橋，當處于整流狀態或者逆變狀態時，均可保證變頻器的正常運行。電流在這兩種狀態下呈現相反方向，直流側輸出電壓的極性則保持一致，可以解決能量回饋問題。但是，該晶閘管為半可控，一旦電壓電網出現明顯波動，變頻器中的可控硅部分將可能被燒毀，因此，必須確保電網電壓處于穩定狀態。

3 雙PWM變頻器

采用PWM整流環節，對圖3中的晶閘管整流部分進行替代，與逆變環節相互配合形成交-直-交變頻器，具體如圖4所示。

圖4 雙PWM變頻調速異步電動機系統框圖

兩次變換均應用PWM技術，因此將其稱為雙PWM變頻器。通過分析可知，整流橋、逆變橋均選用全控IGBT管，具體如圖5所示。

圖5 雙PWM變頻調速異步電動機系統示意圖

IGBT呈現出復合全控特征，包括雙極型三極管（BJT）、金氧半場效晶體管（MOSFET），其優勢展現在兩點，其一是BJT低導通壓降，其二為MOSFET高輸入阻抗。BJT具有飽和壓降相對較低、載流密度較大等特點。MOSFET的驅動功率較小，能夠在短時間實現開關。這些優勢均可以在IGBT中得以體現，使其對直流電壓超過600 V的變流系統具有良好的適應力。IGBT的關斷也相對簡單，當出現異常情況時可以在第一時間予以關斷，從而使變頻器保持正常狀態運行，還可以提升其安全性。IGBT實物圖如圖6所示。

圖6 IGBT實物圖

PWM可逆整流器采用全控器件，因為開關器件在開通、關斷方面均處于可控狀態，所以可以使電流波形得到控制，從而使交流輸入的電壓、電流處于最為理想的狀態，大幅降低電網受到諧波污染的概率。通過PWM整流器還可以適當調整直流電壓，當負載出現轉變后能夠在短時間內予以響應，確保直流輸出電壓能夠保持穩定，與設定值相符。綜上所述，采用PWM整流器能夠解決傳統變頻器中存在的問題，實現調速節能的目標，符合綠色環保理念。

4 結束語

通過分析交-直-交變頻調速系統可知，應用PWM逆變器能夠明顯降低電源電流中存在的諧波成分，但是仍然存在以下問題：難以實現能量的雙向流動和調節直流電壓，并未完全消除諧波影響。采用PWM整流環節替換其不可整流方式，形成雙PWM變頻調速系統，該系統具有網側電流和正弦波非常接近、電能可以實現雙向傳輸、動態控制響應速度較快等優勢，因此受到廣泛應用。