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(diào)制（PWM）控制技術(shù)是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的重要內(nèi)容，因此得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用雙PWM控制技術(shù)，能夠使變頻器結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，提升其功率因數(shù)，有效抑制諧波污染，使其能量實現(xiàn)雙向流動[1-4]。交流調(diào)速的原理為利用電機轉(zhuǎn)速、電源頻率間存在的線性關(guān)系，最大限度地發(fā)揮變頻器的作用，使工頻交流能夠切實轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娫?，實現(xiàn)頻率可調(diào)[5-6]。依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對變頻器進(jìn)行劃分：一是間接變頻，即對工頻電流進(jìn)行整流后獲得直流，繼而通過逆變轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽亟涣?；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(cè)不可控變頻器

對傳統(tǒng)變頻器進(jìn)行分析可知，其整流部分無法實現(xiàn)能量回饋，主要是采用二極管的原因，功率因數(shù)在1以下。常規(guī)變頻調(diào)速異步電動機系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)變頻調(diào)速異步電動機系統(tǒng)示意圖

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

（2）如果設(shè)備長時間運行，一旦其制動、減速或位能性負(fù)載變得較低，電機將出現(xiàn)回饋發(fā)電的狀況，回饋電能經(jīng)由逆變器進(jìn)入直流側(cè)電容，所產(chǎn)生的泵升電壓會對系統(tǒng)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(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)需要利用制動電阻實現(xiàn)對再生電能的處理，加大了電能損耗。為此，可以采用反并聯(lián)有源逆變裝置對其進(jìn)行處理，但是會增加該系統(tǒng)的復(fù)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(cè)半可控變頻器

采用晶閘管半可控整流環(huán)節(jié)對二極管不可控整流部分進(jìn)行替換，具體如圖3所示。

圖3 整流可控型變頻器結(jié)構(gòu)圖

從整流部分來看，由晶閘管形成了正反橋，當(dāng)處于整流狀態(tài)或者逆變狀態(tài)時，均可保證變頻器的正常運行。電流在這兩種狀態(tài)下呈現(xiàn)相反方向，直流側(cè)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(wǎng)出現(xiàn)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(wǎng)電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 雙PWM變頻器

采用PWM整流環(huán)節(jié)，對圖3中的晶閘管整流部分進(jìn)行替代，與逆變環(huán)節(jié)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(diào)速異步電動機系統(tǒng)框圖

兩次變換均應(yīng)用PWM技術(shù)，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(diào)速異步電動機系統(tǒng)示意圖

IGBT呈現(xiàn)出復(fù)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(yōu)勢展現(xiàn)在兩點，其一是BJT低導(dǎo)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(qū)動功率較小，能夠在短時間實現(xiàn)開關(guān)。這些優(yōu)勢均可以在IGBT中得以體現(xiàn)，使其對直流電壓超過600 V的變流系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)力。IGBT的關(guān)斷也相對簡單，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時可以在第一時間予以關(guān)斷，從而使變頻器保持正常狀態(tài)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(guān)器件在開通、關(guān)斷方面均處于可控狀態(tài)，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(tài)，大幅降低電網(wǎng)受到諧波污染的概率。通過PWM整流器還可以適當(dāng)調(diào)整直流電壓，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)轉(zhuǎn)變后能夠在短時間內(nèi)予以響應(yīng)，確保直流輸出電壓能夠保持穩(wěn)定，與設(shè)定值相符。綜上所述，采用PWM整流器能夠解決傳統(tǒng)變頻器中存在的問題，實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能的目標(biāo)，符合綠色環(huán)保理念。

4 結(jié)束語

通過分析交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)可知，應(yīng)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(xiàn)能量的雙向流動和調(diào)節(jié)直流電壓，并未完全消除諧波影響。采用PWM整流環(huán)節(jié)替換其不可整流方式，形成雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有網(wǎng)側(cè)電流和正弦波非常接近、電能可以實現(xiàn)雙向傳輸、動態(tài)控制響應(yīng)速度較快等優(yōu)勢，因此受到廣泛應(yīng)用。