【變頻器新技術】矩陣式變頻驅動技術的基本原理

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矩陣設計的變頻器可以用多種方法監測電源，及時提供反饋以節約能源。

變頻驅動器（VFD），也被稱為變速驅動器（VSD），有時也被稱為逆變器，從1970年代引入以來，已受益於許多進步。但是在那個時代的大部分時間裡，驅動器的設計基本保持不變，在性能、尺寸和成本方面的改進，主要來自於驅動器半導體元件的進步。

最初，變頻裝置被用於控制電機的速度，消耗的能源約佔到世界工商業應用總能耗的25%。根據定義，變頻器使用戶能夠以任何轉速運行，這和在全部運行曲線上都以固定轉速運行形成鮮明對比。這種變速控制可以提高能源效率，減少機械接頭的磨損和撕裂，如齒輪、皮帶和滑輪等等。

傳統變頻器

儘管具有能源節約和延長設備使用壽命方面的優勢，變頻器有時也會對鄰近電氣設備造成意想不到的影響。從常規設計方案的本質上來講，變頻器是非線性電力負載，也就意味著，它們的輸入電流不隨電源電壓的正弦波形而變化。

傳統變頻器，利用輸入的交流電（AC）電壓，為電容器充電，建立直流（DC）匯流排電壓。驅動控制機制隨後生成兩個內部波形——載波和輸出。載波為三角波形，其頻率遠高於驅動電機所用的頻率，通常約為8 kHz到15 kHz。輸出頻率是一個模擬的正弦波，頻率為期望電機轉速所需的頻率。

變頻器為電機提供電壓，採用脈寬調製（PWM）調節其輸出頻率。由於輸出電壓來自於直流電源匯流排，變頻器利用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來形成模擬的正弦波輸出電壓：當載波電平小於輸出頻率水平時開啟直流電壓，在載波電平高於輸出頻率水平時關閉直流電壓。

電機電感過濾PWM波形，所以它運行在模擬正弦波上。在運行過程中，變頻器改變脈衝的時間和寬度，提供驅動電機運行在負載所需轉速上的頻率。

由於電機消耗能源，它會拉低直流匯流排上的電負荷，隨後電容從交流電源充電。儘管匯流排電壓水平隨著負載的不同而有所波動，直流匯流排只是在正弦波的峰值時才會拉低充電電流。這些電流脈衝，在保持為直流匯流排充電並保持驅動器可運行的同時，可能會導致電源諧波方面問題。

諧波電流發生的頻率為基波頻率的倍數，美國的基波為60Hz。圖1顯示的是基波（一階）和五階諧波電流之和。在實踐中，額外諧波會進一步造成電流波形的失真，只是程度較輕而已。諧波電流（在這種情況下，五階× 60 Hz = 300 Hz）不能用於實際工作，只能轉換成廢熱或機械能。

圖1：此圖說明了總電流和一階與五階諧波的總和。圖片來源：安川

諧波會引起電纜過熱、斷路器跳閘，並對上游變壓器造成壓力。較大的諧波電流，會對電源提供優質輸出電流的能力造成負面影響，進而會導致電壓畸變、設備中斷和電力公司的罰款。

變頻器矩陣設計與運行

一個相對較新的變頻器設計，是利用矩陣排列的九個雙向絕緣柵雙極晶體管來代替直流母線，直接從交流輸入產生變頻交流輸出。無需對直流母線充電，就不需要相關的非線性輸入電流。圖2顯示了矩陣拓撲結構。

圖2：圖中顯示了矩陣設計變頻器的拓撲結構。

對使用矩陣設計的驅動器，在任何時間，任何輸入相位都可以直接連接到任何輸出相。驅動矩陣操作的關鍵是在正確的時間把雙向開關進行切換以產生運行電機所需的適當的輸出電壓和頻率的能力。

內置到變頻器矩陣設計的控制，可連續監測三個輸入相電壓之間的電壓差。這些相電壓差異，使變頻器矩陣設計可以為電機提供一個連續可調的電壓，還具有利用九個絕緣柵雙極晶體管在任何時刻開關任何輸入相的能力。同時採用脈寬調製，產生適當頻率、適當電壓的電源來驅動負載所需的電機。

此外，可用電壓的範圍，使變頻器矩陣設計逐步建立脈衝，從而減少尖峰電壓對電機軸承電流以及對電機長引線的反射波所造成的影響。

除了超低諧波和接近單位功率因數，變頻器矩陣設計還通過再生實現能源節省。當電機由負載驅動，而不是直驅動負載，它就是一個發電機，回送電壓至變頻器。這樣的例子有泵、千斤頂等，負載在電機和再生之間波動，向下的傳輸帶則是一個連續的再生狀態（見圖3）。

圖3：本圖所示為傳統變頻器與用於能量再生的安川矩陣變頻器的比較。

在傳統驅動中，動態制動電阻將再生能量從變頻器轉移，以防止直流母線過電壓。矩陣設計的驅動則利用九個雙向絕緣柵雙極晶體管來將再生電壓回送至電源，從而可以抵扣用戶的電費。

變頻器的主要優點是將定速電機以變頻的方式運行。然而，某些應用，在某段時間內的大部分時間都是全速運轉。在這些情況下，矩陣設計可以關閉相應的絕緣柵雙極晶體管，直接將輸入作為輸出連接到電機，從而可以最大限度地提高效率，而不需要使用通過接觸器旁路驅動的傳統變頻器。.

由於在保證穩定開/關狀態時，絕緣柵雙極晶體管可以「休息」，所以這種模式也延長了變頻器的壽命。

用於監測的變頻器

矩陣設計的變頻器可以用幾種方法檢測電源，提供及時反饋以節約能源。如果提供每千瓦時的美元結算價格，變頻器的顯示屏可以按需選擇以下信息：

功率輸出
功率消耗
再生能源
節省的電能
電費賬單

矩陣設計變頻器的優勢

也可以通過其它方式來降低變頻器的諧波。這些方法包括有源前端和多脈衝變壓器，它需要大量的附加組件與變頻器）配合，所有這一切都意味著增加體積、成本以及導線連接。矩陣設計的變頻器在驅動器內實現低諧波：三線進，三線出。儘管矩陣設計變頻器的價格要高於傳統變頻器，但價格通常與其它低諧波解決方案相當甚至更低。

矩陣設計變頻器的電壓和功率額定值的範圍較寬，通常在240伏時可達到100馬力，在480伏時可達到350馬力或更高。具體可參照美國安全檢測實驗室公司（UL）、加拿大標準協會（CSA）、CE和RoHS認證和支持的感應、表面永磁、內部永磁電機。

我們期望從傳統的變頻器獲得的所有特性和功能，矩陣設計變頻器都能夠提供，且還具有其它優勢。對持續性的較高要求，以及為了滿足IEEE 519-2014標準的要求，矩陣變頻器提供了一種經濟高效、節省空間並且節省能源的方法。

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