矩阵变频驱动技术的基本原理

变频驱动器(vfd)，也称为变速驱动器(VSDs)，有时也称为逆变器，自20世纪70年代推出以来，已经受益于许多进步。然而，在这段时间的大部分时间里，驱动器的基本设计保持不变，性能、尺寸和成本的改进主要来自驱动器半导体组件的进步。

从一开始，vfd就被用于控制电动机的速度，在工业和商业应用中，电动机消耗了世界上大约25%的电能。根据定义，vfd使用户能够以任何命令速度操作电机，而不是以固定速度运行。这种变速控制提高了能源效率，减少了机械联轴器的磨损，如齿轮、皮带和滑轮。

传统的vfd

尽管vfd具有节能和延长设备寿命的优点，但有时也会对附近的电气设备产生不良影响。由于其传统设计的性质，vfd是非线性的电气负载;这是他们的输入电流不遵循相同的正弦波形作为电源电压。图1说明了产生这种非正弦电流的原因。

传统的VFD整流输入交流电(ac)电压为电容器充电，并建立直流(dc)母线电压水平。驱动控制然后产生两个内部波形——载波和输出。载波是一个三角形波形，其频率远高于用于驱动电机的频率，通常在8 kHz至15 kHz左右。输出频率是一个模拟的正弦波，在所需的电机速度所需的频率。图2显示了两个内部波形。

VFD通过使用脉宽调制(PWM)在输出频率向电机提供电压。由于输出电压的源是来自总线的直流，VFD使用其绝缘栅双极晶体管(igbt)通过在载波电平小于输出频率电平时打开直流电压并在载波电平大于输出频率电平时关闭直流电压来创建模拟输出电压正弦波。图3显示了对应的PWM。

电机的电感对PWM波形进行滤波，使其作为模拟正弦波对脉冲进行操作。在操作过程中，VFD改变脉冲的时间和宽度，以提供正确的频率，以负载所需的速度驱动电机。

由于电机消耗能量，它降低直流母线充电，然后从整流输入交流电压补充。虽然母线电压水平随负载变化，但直流母线仅在整流正弦波的峰值处吸取其补充电流。这些电流脉冲，在保持直流母线充电和驱动器运行的同时，可能导致电流谐波的一些问题。

谐波电流的频率是基频的几倍，在美国是60赫兹。下面的图4显示了基本(一)和五次谐波电流的总和。为了视觉上的简单，图4显示了一个单相表示，只有五次谐波。在实践中，额外的谐波会进一步扭曲电流波形，尽管程度较轻。谐波电流(在这种情况下5^th谐波x 60 Hz = 300 Hz)不能用于实际工作，会转化为废热或机械能。谐波会导致电缆过热，断路器跳闸，并对上游变压器造成压力。显著的电流谐波会对电源提供清洁电力的能力产生负面影响，进而导致电压失真、设备中断和电力公司罚款。

VFD矩阵设计与操作

另一方面，一种相对较新的VFD设计，通过使用9个双向igbt在矩阵排列中直接从交流输入产生变频交流输出，从而避免了直流母线。没有直流母线充电，相关的非线性输入电流可以消除。图5显示了矩阵拓扑。

对于使用矩阵设计的驱动器，任何输入相位都可以在任何时候直接连接到任何输出相位。驱动器矩阵操作的关键是它能够在正确的时间打开和关闭双向开关，以产生操作电机所需的适当输出电压和频率。

为了更好地理解，请看图6中所示的三个输入相位电压。现在，在操作中，内置在VFD矩阵设计中的控制连续监测每个相位之间的电压差，如图7所示。

这些相位电压差为VFD的矩阵设计提供了可发送到电机的连续电压范围，以及使用9个igbt在任何时间将任何输入相位切换到任何输出相位的能力。同样使用PWM，它们在适当的频率产生适当的电压来驱动负载所需的电机。

此外，可用的电压范围使VFD的矩阵设计能够逐步构建脉冲，以减少电压急剧上升对电机轴承电流和长电机引线中的反射波的影响。(参见图8)。

除了超低谐波和接近单位功率因数，VFD的矩阵设计还通过再生提供节能。当电机被负载驱动时，而不是驱动负载，它就像发电机一样，将电压发送回VFD。例子包括应用，如泵千斤顶，其中负载在驱动和再生之间振荡，以及处于连续再生状态的下坡输送机。(见图9)。在传统驱动器中，动态制动电阻可用于将再生能量从VFD转移，并防止直流母线过电压状况。采用矩阵设计的驱动器使用9个双向igbt，可将再生电压定向回电源，以计入用户的电费账单。

vfd的主要好处是使固定速度电机以可变速度运行。但是，有些应用程序需要在很长一段时间内全速运行。在这些情况下，矩阵设计可以关闭适当的igbt，在电机的输入和输出之间提供直接连接，从而最大限度地提高效率，而不需要传统的vfd使用接触器绕过驱动器。(参见图10)。

该模式还允许所有igbt“休息”，同时保持在稳定的开/关位置，从而延长了VFD的寿命。

用于监控的vfd

一些采用矩阵设计的vfd可以通过多种方式监测功率，从而对节能情况提供即时反馈。当提供每千瓦时计费费率的美元金额时，VFD上的显示器可以根据要求显示以下信息:

• 功率输出
• 电力消耗
• 再生能力
• 力量救了
• 权力法案。

将vfd与矩阵或常规设计进行比较

还有其他方法来减轻vfd的谐波。其中包括有源前端和多脉冲变压器，这需要与VFD相结合的大量额外组件，所有这些都意味着增加体积、成本和接线连接。采用矩阵设计的变频器在驱动器内实现低谐波，三线进，三线出。虽然采用矩阵设计的vfd的价格高于传统的vfd，但价格通常与其他低谐波解决方案相当或更便宜。

采用矩阵式设计的vfd具有广泛的电压和马力额定值，通常在240 V时最高可达100 HP，在480 V时最高可达350 HP或更大。寻找相同的保险商实验室(UL)，加拿大标准协会(CSA)， CE和有害物质限制指令(RoHS)认证，并支持感应，表面永磁和内部永磁电机。

采用矩阵设计的VFD提供了用户期望从传统VFD中获得的所有特性和功能，以及额外的优势。随着对可持续性和符合IEEE 519-2014要求的提高，矩阵vfd为应用提供了一种成本效益高、空间效率高和节能的手段。

拉里·加德纳，安川美国公司暖通空调驱动产品经理。由内容副经理艾米丽·冈瑟编辑，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

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关键概念

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• 比较vfd传统的或矩阵设计。
• 设计和操作的vfd与矩阵设计。

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