静态变频器分析
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感应电机速度控制需要一个可以改变电压和频率的三相电源。这种电源在定子中产生了一个变速旋转场，允许转子以低滑差的所需速度旋转。静态变频器可以有效地提供从零速到全速的全转矩，必要时可以超速，并且可以通过改变相位旋转，轻松提供感应电机的双向运行。 尽管静态频率转换器的原理并不新鲜，但功率半导体、控制电子和微处理器的进步已经增加了它们的普及。除此之外，还有赋予静态变频器功能和灵活性的矢量控制方法。 静态变频器 下图显示了静态变频器的基本要素。三相电源经过整流和滤波后产生直流母线，为静态变频器的逆变器部分供电。逆变器由三对半导体开关（MOSFET、GTO、功率晶体管、IGBT 等）和相关的二极管组成。每对开关为电机的一个相提供功率输出。每对半导体开关由控制电子设备驱动，以在每个相位输出处生成高频方波载波脉冲波形。
由于载波在所有三相上都是相同的，因此仅由于载波而出现在电机绕组的任何相上的净电压为零。为了驱动电机，控制电子器件产生三个相隔 120 度的低频正弦波，将载波脉冲调制到每对开关。每个载波周期内正负脉冲的宽度根据该相位的低频正弦波形的幅度进行调制。因此，提供给电机绕组的平均电压近似为正弦曲线。电机绕组的另外两相具有相隔 120 度的相似平均电压。 大多数变频器以比要使用的最高输出频率高几倍的固定载波频率运行。由于静态变频器以几赫兹到大约 100 赫兹的输出频率运行，它们使用的载波频率范围为 2 赫兹到大约 10 赫兹。随着功率半导体的改进，趋势是将载波频率提高到超声波频率（> 18 kHz），这可以降低电机中的损耗，因为电流更加正弦。不利的一面是逆变器的开关损耗更高，并且可能会产生更多的辐射频率噪声。因此，必须对静态频率转换器的输入和输出进行仔细测量，以便为给定应用选择最佳载波频率。 虽然静态变频器输出电压包含大量除基波以外的频率分量，但这些分量通常频率较高，并被电机绕组的电感抑制。然而，电机不仅仅是一个电感器，因此重要的是设计载波频率的调制以产生尽可能正弦的电流。特别是，必须注意尽量减少低次谐波电压，因为电机对这些电压的阻抗很低。 在实践中，静态频率转换器在基频处产生电流的“想要的”分量，在基频的倍数或分量的频率处产生电流的“不需要的”分量。电机电流中的“不需要的”分量会导致诸如额外热量、电机效率降低和功率输出降低等问题。 这些不需要的组件对电机运行的影响可以通过测量逆变器的基波和总输出功率、电压和电流波形的谐波分析以及电机上的扭矩/速度测量来表示。最有效的静态频率转换器不仅可以最大限度地减少转换器中的损耗， 电机输出测量 电机输出测量可以通过在电机输出轴上安装速度和扭矩传感器来计算输出功率来进行。为了确定电机和静态变频器组合的效率，设计人员必须同时考虑系统的电气输入和电机输出产生的机械功率。 系统效率计算如下： （电源输出/电源输入）x 100% 通过测量静态变频器输入端消耗的电能以及电机输出端的转矩和速度，可以测量系统的效率。进行此测量的最简单方法是使用功率分析仪，其中包括设计用于连接扭矩和速度传感器的传感器输入。 静态变频器输出 如前所述，静态变频器的输出波形非常复杂，由载波引起的高频分量和基波电流引起的低频分量的混合物组成。这给一些功率分析仪带来了问题，它们要么可以在高频下测量，在这种情况下波形中的低频信息会丢失，要么它们可以过滤 PWM 波形以在低频下测量，在这种情况下高频数据会丢失。出现困难是因为波形是在低频下调制的。因此，高频测量，例如总 rms 电压或总功率，必须在高频下进行，但要在输出波形中低频分量的整数个周期内进行。 最新的功率分析仪通过使用特殊的工作模式进行静态变频器输出测量来克服这个问题。高速采样数据，实时计算包括所有谐波和载波分量在内的总量。同时，对采样数据进行数字滤波，以提供低频测量，例如基频和输出频率测量。除了从同一测量中提供低频和高频结果之外，该技术还允许高频测量与低频信号同步，从而提供既准确又稳定的高频测量结果。 为了执行静态变频器输出测量，功率分析仪以三相连接到输出，三线配置。对于输出电流高达 30 A rms 的静态变频器，功率分析仪可以直接连接到静态变频器输出。对于高于此水平的电流，可能需要外部分流器或电流传感器。 连接并配置分析仪后，还要确保指定了正确的滤波器频率范围。请注意，Vrms、Arms 和 Watts 数据是根据预滤波值测量的，因此包括所有高频分量，而基本值仅考虑对电机工作的贡献。有效值和基波电压之间存在显着差异是正常的。通常，电流和瓦特的差异较小，因为感应电机会过滤电流。 高频损耗可以通过总瓦数和在 SUM 通道上读取的基波瓦数之间的差异来估算。这表示由静态变频器提供的电能，该电能对机械输出功率没有贡献，因此会增加电机的发热。 高频损耗 = 总瓦数 - 基本瓦数 在比较静态变频器时，这是一种有用的测量方法。 静态变频器直流母线 虽然静态变频器的输入和输出部分之间的链路称为直流母线，但该母线中的电压和电流远非纯直流，因此必须注意使必要的测量。 直流母线测量最好在存储电容器的输入侧进行，因为这里的电流本质上是来自交流电源的低频电容器充电脉冲，不受逆变器部分可能产生的高频电流脉冲的影响。如果单独进行直流总线测量，则可以使用单通道分析仪。然而，直流母线测量通常与静态变频器的输入或输出的三相两线测量相结合。在这种情况下，应使用独立运行的其余通道之一来测量直流母线。建议的直流母线测量值如下表所示。
表 1. 变频器直流母线的关键测量参数。 静态变频器输入 大多数静态变频器的输入电路本质上是一个带有电容滤波器的三相二极管整流桥。这种电路的输入电流在每个输入相位上都包含为存储电容器充电的电流脉冲，如下图所示。因此，输入电流是一种失真的电流波形，在电源频率处具有基波分量，但具有相当大的谐波含量。
输入电流消耗基本上与转换器输出频率无关，因为静态频率转换器消耗的瞬时功率是一个常数，因此从输入端为直流总线上的电容器充电所需的电流是一个常数。 分析仪以 3 相 3 线配置连接到输入。在这种接线配置中，可以使用功率分析仪的第三个通道作为独立通道来测量，例如，静态变频器内的直流总线。如果读数变化太大，例如，在单相变频器上测量时，增加平均值可能有助于稳定测量。 损失和效率 在任何系统上，最好通过同时测量系统的输入和输出来测量损耗和效率。这对于具有高效率的系统尤其重要，例如静态变频器。如果对输入和输出进行单独测量，并且在测量之间关闭系统以转移仪器，则不能始终确定两种测量存在完全相同的负载条件。负载条件中任何未被注意到的差异都将显示为测量损耗的错误。 以下方法对于使用单个功率分析仪进行静态变频器效率和静态变频器损耗的测量是有效的。
静态变频器现在正成为感应电机变速控制的主要方法，不仅用于工业，还用于电动汽车和家用空调等多种应用。静态变频器产生复杂的波形，无论是在其输出到电机，还是在电源到变频器。 静态变频器的输出波形非常复杂，由载波引起的高频分量和基波电流引起的低频分量混合组成。这对一些既可以在高频下测量，也可以过滤 PWM 波形以在低频下测量的功率分析仪提出了问题。现代功率分析仪通过结合采样和滤波的专用 PWM 模式克服了这个问题，以提供包括输入、输出和效率在内的准确测量。 |
