【变频器新技术】矩阵式变频驱动技术的基本原理
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年7月刊，原标题为：矩阵式变频驱动技术的基本原理
矩阵设计的变频器可以用多种方法监测电源，及时提供反馈以节约能源。
变频驱动器（VFD），也被称为变速驱动器（VSD），有时也被称为逆变器，从1970年代引入以来，已受益于许多进步。但是在那个时代的大部分时间里，驱动器的设计基本保持不变，在性能、尺寸和成本方面的改进，主要来自于驱动器半导体元件的进步。
最初，变频装置被用于控制电机的速度，消耗的能源约占到世界工商业应用总能耗的25%。根据定义，变频器使用户能够以任何转速运行，这和在全部运行曲线上都以固定转速运行形成鲜明对比。这种变速控制可以提高能源效率，减少机械接头的磨损和撕裂，如齿轮、皮带和滑轮等等。
传统变频器
尽管具有能源节约和延长设备使用寿命方面的优势，变频器有时也会对邻近电气设备造成意想不到的影响。从常规设计方案的本质上来讲，变频器是非线性电力负载，也就意味着，它们的输入电流不随电源电压的正弦波形而变化。
传统变频器，利用输入的交流电（AC）电压，为电容器充电，建立直流（DC）总线电压。驱动控制机制随后生成两个内部波形——载波和输出。载波为三角波形，其频率远高于驱动电机所用的频率，通常约为8 kHz到15 kHz。输出频率是一个模拟的正弦波，频率为期望电机转速所需的频率。
变频器为电机提供电压，采用脉宽调制（PWM）调节其输出频率。由于输出电压来自于直流电源总线，变频器利用绝缘栅双极晶体管（IGBT）来形成模拟的正弦波输出电压：当载波电平小于输出频率水平时开启直流电压，在载波电平高于输出频率水平时关闭直流电压。
电机电感过滤PWM波形，所以它运行在模拟正弦波上。在运行过程中，变频器改变脉冲的时间和宽度，提供驱动电机运行在负载所需转速上的频率。
由于电机消耗能源，它会拉低直流总线上的电负荷，随后电容从交流电源充电。尽管总线电压水平随着负载的不同而有所波动，直流总线只是在正弦波的峰值时才会拉低充电电流。这些电流脉冲，在保持为直流总线充电并保持驱动器可运行的同时，可能会导致电源谐波方面问题。
谐波电流发生的频率为基波频率的倍数，美国的基波为60Hz。图1显示的是基波（一阶）和五阶谐波电流之和。在实践中，额外谐波会进一步造成电流波形的失真，只是程度较轻而已。谐波电流（在这种情况下，五阶× 60 Hz = 300 Hz）不能用于实际工作，只能转换成废热或机械能。
图1：此图说明了总电流和一阶与五阶谐波的总和。图片来源：安川
谐波会引起电缆过热、断路器跳闸，并对上游变压器造成压力。较大的谐波电流，会对电源提供优质输出电流的能力造成负面影响，进而会导致电压畸变、设备中断和电力公司的罚款。
变频器矩阵设计与运行
一个相对较新的变频器设计，是利用矩阵排列的九个双向绝缘栅双极晶体管来代替直流母线，直接从交流输入产生变频交流输出。无需对直流母线充电，就不需要相关的非线性输入电流。图2显示了矩阵拓扑结构。
图2：图中显示了矩阵设计变频器的拓扑结构。
对使用矩阵设计的驱动器，在任何时间，任何输入相位都可以直接连接到任何输出相。驱动矩阵操作的关键是在正确的时间把双向开关进行切换以产生运行电机所需的适当的输出电压和频率的能力。
内置到变频器矩阵设计的控制，可连续监测三个输入相电压之间的电压差。这些相电压差异，使变频器矩阵设计可以为电机提供一个连续可调的电压，还具有利用九个绝缘栅双极晶体管在任何时刻开关任何输入相的能力。同时采用脉宽调制，产生适当频率、适当电压的电源来驱动负载所需的电机。
此外，可用电压的范围，使变频器矩阵设计逐步建立脉冲，从而减少尖峰电压对电机轴承电流以及对电机长引线的反射波所造成的影响。
除了超低谐波和接近单位功率因数，变频器矩阵设计还通过再生实现能源节省。当电机由负载驱动，而不是直驱动负载，它就是一个发电机，回送电压至变频器。这样的例子有泵、千斤顶等，负载在电机和再生之间波动，向下的传输带则是一个连续的再生状态（见图3）。
图3：本图所示为传统变频器与用于能量再生的安川矩阵变频器的比较。
在传统驱动中，动态制动电阻将再生能量从变频器转移，以防止直流母线过电压。矩阵设计的驱动则利用九个双向绝缘栅双极晶体管来将再生电压回送至电源，从而可以抵扣用户的电费。
变频器的主要优点是将定速电机以变频的方式运行。然而，某些应用，在某段时间内的大部分时间都是全速运转。在这些情况下，矩阵设计可以关闭相应的绝缘栅双极晶体管，直接将输入作为输出连接到电机，从而可以最大限度地提高效率，而不需要使用通过接触器旁路驱动的传统变频器。.
由于在保证稳定开/关状态时，绝缘栅双极晶体管可以“休息”，所以这种模式也延长了变频器的寿命。
用于监测的变频器
矩阵设计的变频器可以用几种方法检测电源，提供及时反馈以节约能源。如果提供每千瓦时的美元结算价格，变频器的显示屏可以按需选择以下信息：
功率输出
功率消耗
再生能源
节省的电能
电费账单
矩阵设计变频器的优势
也可以通过其它方式来降低变频器的谐波。这些方法包括有源前端和多脉冲变压器，它需要大量的附加组件与变频器）配合，所有这一切都意味着增加体积、成本以及导线连接。矩阵设计的变频器在驱动器内实现低谐波：三线进，三线出。尽管矩阵设计变频器的价格要高于传统变频器，但价格通常与其它低谐波解决方案相当甚至更低。
矩阵设计变频器的电压和功率额定值的范围较宽，通常在240伏时可达到100马力，在480伏时可达到350马力或更高。具体可参照美国安全检测实验室公司（UL）、加拿大标准协会（CSA）、CE和RoHS认证和支持的感应、表面永磁、内部永磁电机。
用户期望从传统的变频器获得的所有特性和功能，矩阵设计变频器都能够提供，且还具有其它优势。对持续性的较高要求，以及为了满足IEEE 519-2014标准的要求，矩阵变频器提供了一种经济高效、节省空间并且节省能源的方法。
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