MC-E2 · 逆变器驱动基础

逆变器与 PWM 驱动

逆变器用一个直流电源，造出大小和频率都能随意改变的交流。本课亲手弄清：快速开关时，导通时间比例要怎样调节，平均值才会成为正弦波。

把导通时间比例按正弦变化，平均电压会

逆变器把输出端子极快地交替接到 +Vdc 或 -Vdc 上。原样看是粗糙的脉冲串，但开关极快，电机电感会滤掉高频成分，只有接近平均值的电流流过。调制比滑块决定导通时间比例按正弦摆动的幅度；先选出穿过粗糙脉冲的平均值(金色)会是什么形状，再拖动滑块。

调制比 mm = 0.80

用滑块连续改变调制比。铜色 = 开关输出，金色 = 平均值(基波)，淡蓝色三角波是载波。

基波电压与 V/f

V1 = m·Vdc = 0.80 Vdc · V/f ∝ m/f

平均值不是方波。方波是未经滤波的原始开关输出；这里要找的是这些脉冲平均下来画出的平滑曲线。

正弦占空比调制的平均?

不吻合

逆变器把直流开关成交流

三相逆变器由三个桥臂组成，每个桥臂是在直流母线上上下串联的两只半导体开关。把直流母线以中点为基准看成 +Vdc 和 -Vdc 两条轨，每个桥臂开通上管时输出接到 +Vdc，开通下管时接到 -Vdc。三个桥臂彼此错开 120° 运行，就得到三相交流；如果每个周期只把开关各开通一次，得到的是粗糙的方波，实际上开关以几千赫兹的频率极快地通断。电机绕组的电感滤掉这一高开关频率成分，所以电流中主要留下相当于平均值的基波，纹波很小。

观察Vout = ×Vdc

逆变器输出不是 +Vdc 就是 -Vdc。

选择Vavg = (2d - 1) ?

平均电压由占空比决定。

PWM 以平均描出正弦

在一个开关周期内，输出停留在 +Vdc 的时间所占的比例称为占空比。占空比为一半时平均值为 0，占空比大时平均值偏向 +，小时偏向 -。在一个输出周期内按正弦改变占空比，平均电压就画出正弦波，这样确定占空比的方法就是脉宽调制(PWM)。通常把参考正弦波与快速三角波(载波)比较，参考值高于载波期间开通上管。参考正弦波的幅值即调制比 m 决定输出电压的大小，参考正弦波的频率决定输出频率，两者相互独立，所以能分别掌控电压和频率。参考幅值超过载波、进入过调制区后，平均值开始偏离正弦波。

填空V1 = m ?

输出电压的大小由调制比决定。

自己来Vf const → m ?

要保持磁通，就让调制比与频率成正比。

一台逆变器驱动一切电机

感应电机的 V/f 控制，就是让调制比 m 与输出频率成正比、保持磁通恒定；同步电机和伺服电机的变速、BLDC 的电子换向，也都是这台逆变器按指令或转子位置造出电压和频率。快速开关会带来开关损耗和谐波，所以载波频率要在损耗与谐波之间折中选定，并用空间矢量之类的调制方法更充分地利用直流母线电压。可以说，逆变器用半导体开关把直流电机换向器靠机械接点完成的换向推广开来。从磁路开始的这门课里的所有电机，最终都在这一个装置上靠电压和频率来控制。

回到第一屏

按正弦改变导通时间比例后，平均值画出了正弦波。逆变器只是把输出在 +Vdc 和 -Vdc 之间快速切换，但电机电感滤掉高频成分，只让接近平均值的电流流过，所以按正弦调制占空比，平均值就成为平滑的正弦波。参考正弦波的幅值(调制比)决定电压大小，参考频率决定输出频率，从一个直流电源分别掌控电压和频率；感应电机的 V/f、同步电机的变速、BLDC 的电子换向都运行在这一个装置上。从磁路中的一缕磁通出发、经过变压器和旋转电机的电机学故事，在半导体开关造出电压和频率的这里画上句号。

逆变器驱动：接在直流母线上的半导体开关把输出 在 +Vdc/-Vdc 之间快速切换，电机电感滤掉高频成分。按正弦调制导通时间比例(占空比)(PWM)，平均电压就成为正弦波；调制比 m 决定电压大小，参考频率决定输出频率，二者分别决定(VVVF)。感应电机的 V/f 就是用 m ∝ f 保持磁通。

收束电机

从磁路的磁通和磁阻出发(A)，经过传递这一磁通的变压器(A)、用换向器把电枢中的交流变成端子上直流的直流电机(B)、在旋转磁场中带着转差旋转的感应电机(C)、把转速和频率绑成一体的同步电机(D)，一直来到由永磁体和半导体开关造就的特种电机与逆变器(E)。所有电机都立在同一根主干上：靠磁通与电流相互作用的力旋转，再靠换向与控制驾驭这股力。手握这张用二十个单元画出的地图，无论遇到哪种旋转电机，都会先问：磁通从哪里来，电流往哪里流，又是什么在控制它们。