EM0408A13-05精工变频器 -行业资讯

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EM0408A13-05精工变频器渠道商介绍,从上个世纪70年代西门子工程师F.Blaschke提出异步电机矢量控制理论以来，西门子一直**着电机矢量控制领域的发展，并将其性能发挥到了**，本系列学习将以西门子SINAMICS工程型变频器为例讲述变频器基本原理及应用。SINAMICS变频器是一个带有直流母线电压源的PWM变频器。变频器的输入端包含了一个整流器（如下图所示的可控硅整流器），整流器的输入来自提供恒定电压Vline和恒定频率Fline的三相电，整流器整流出的母线电压VDClink经母线电容滤波而变得平滑。在输出端IGBT将直流母线电压逆变成电压VMotor和频率FMotor都可调的三相电。该过程是根据脉宽调制原理实现的，通过改变电压和频率就可以不断地调整三相电机的速度，并且几乎没有损耗。

1.1.2脉冲调制方法

逆变器的功率半导体器件IGBT（IGBT绝缘栅双极晶体管）是连接变频器输出端和直流母线正负极的高速电子开关。逆变器各单元的门极信号持续时间和直流母线电压值大小决定了其输出电压也就是电机电压的大小。

考虑到逆变器有三相，在逆变过程中就有23=8种开关状态。这些状态对电机产生的效果可用电压矢量进行说明。

如果L1相连接到直流母线电压正极，L2、L3相连接到负极，就是逆变器的V1状态，组合后的电压矢量指向电机L1相，矢量长度取决于直流母线电压大小。

如果逆变器的开关状态由V1变换到V2，因L2端的电势变化，组合后的电压矢量顺时针旋转60°，矢量长度仍然保持不变。

同样地，结合V3~V6的开关状态的变化，则可产生相应的电压矢量。V7和V8开关状态会在电机端产生相同的电势，因此这两种情况产生长度为零的电压矢量（零矢量）。

1.1.3脉宽调制生成可变的电压

电机的扭矩和转速是通过电压和频率来调节的，理想的情况下，就是调节电压矢量的**值大小并控制电压矢量V（ωt）以ω= 2 *π *f 的速度沿圆周方向运动，这可以通过电压空间矢量的脉宽调制来实现。在这种方式下，瞬时的电压矢量V（ωt）由相邻的电压空间矢量和零矢量脉冲合成。电压矢量的方向由相邻电压矢量的导通持续时间（脉冲宽度）决定，而幅值大小由是由零电压矢量的导通持续时间决定。这种产生门极驱动信号的方法被称为空间矢量调制SVM，空间矢量调制可产生正弦调制脉冲波。

下图说明了如何通过脉宽调制或空间矢量调制，由L1和L2叠加产生电压VL1-L2,并显示出他们的基本时间特性。IGBT开关频率被称为逆变器的脉冲频率或时钟频率。

逆变单元相L1和L2的IGBT门极信号时序叠加产生合成输出电压（相-相电压）VL1-L2，其电压脉冲幅值取决于直流母线电压值。

下图是变频器脉冲频率为1.25kHz时，在额定频率50或60Hz的标准异步电机其中一相输出的线电压（蓝色）和对应的线电流（黑色），该图表明尽管电机输入了脉冲电压，但在电机电感的平滑效果使得电机电流几乎是正弦的。

空间矢量调制下电机电压（线电压）和电流

1.1.4 空间矢量调制SVM的**输出电压

空间矢量调制通过恒定幅值和对应脉冲占空比的方式生成近似于正弦波的电机电压。以这种方式可达到的**峰值电压由直流母线电压VDCLINK来决定，因此理论上空间矢量调制的**电机电压为：

直流母线电压VDCLINK的幅值由进线电压的整流方式决定，在SINAMICS G130、G150和S120的基本整流单元中用到的不控整流方式下，母线电压在空载下为1.41*VLINE，部分负载下为1.35*VLINE，满载下为1.32*VLINE。因此满载下的直流母线电压为VDCLINK=1.32*VLINE，理论上空间矢量调制在不采用过调制的方式下可达到的**电机电压为：

考虑到变频器本身压降以及IGBT门控单元中*小脉冲数和门极互锁次数的影响，因此在不采用过调制方式下实际可达到的电压值为：

这个值是基于出厂设置脉冲频率为2.0或1.25KHz而得的，当脉冲频率升高时，电压会下降，大约每Hz会降低0.5%。

1.1.5脉冲边缘调制PEM的**输出电压

通过只在基波周期边缘期间而不是整个基波周期进行脉冲调制的方法叫做脉冲边缘调制（PEM），PEM可以提升空间矢量调制SVM的逆变器输出电压。

当时钟只用基本频率执行时，即所谓的“脉冲”完全停止，输出电压是幅值为直流母线电压的120°矩形波时，输出电压达到**值。这时输出电压的**值由下式计算：

纯方波调制可以得到比进线电压略高的电机电压，但电机电压含有一定的谐波，会导致电机的杂散损耗较多并使电机效率降低。因此SINAMICS变频器不采用纯方波调制。

资讯来源：汕头罗克自动化