相信大家都熟知變頻器的作用，但說起最近的矩陣式變頻技術(shù)等新技術(shù)可能大家不是很了解，那么今天我們就來了解下這項新的變頻技術(shù)。

傳統(tǒng)變頻器

盡管具有能源節(jié)約和延長設(shè)備使用壽命方面的優(yōu)勢，變頻器有時也會對鄰近電氣設(shè)備造成意想不到的影響。從常規(guī)設(shè)計方案的本質(zhì)上來講，變頻器是非線性電力負載，也就意味著，它們的輸入電流不隨電源電壓的正弦波形而變化。

傳統(tǒng)變頻器，利用輸入的交流電(AC)電壓，為電容器充電，建立直流(DC)總線電壓。驅(qū)動控制機制隨后生成兩個內(nèi)部波形——載波和輸出。載波為三角波形，其頻率遠高于驅(qū)動電機所用的頻率，通常約為8 kHz到15 kHz。輸出頻率是一個模擬的正弦波，頻率為期望電機轉(zhuǎn)速所需的頻率。

變頻器為電機提供電壓，采用脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)其輸出頻率。由于輸出電壓來自于直流電源總線，變頻器利用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)來形成模擬的正弦波輸出電壓：當(dāng)載波電平小于輸出頻率水平時開啟直流電壓，在載波電平高于輸出頻率水平時關(guān)閉直流電壓。

電機電感過濾PWM波形，所以它運行在模擬正弦波上。在運行過程中，變頻器改變脈沖的時間和寬度，提供驅(qū)動電機運行在負載所需轉(zhuǎn)速上的頻率。

由于電機消耗能源，它會拉低直流總線上的電負荷，隨后電容從交流電源充電。盡管總線電壓水平隨著負載的不同而有所波動，直流總線只是在正弦波的峰值時才會拉低充電電流。這些電流脈沖，在保持為直流總線充電并保持驅(qū)動器可運行的同時，可能會導(dǎo)致電源諧波方面問題。

諧波電流發(fā)生的頻率為基波頻率的倍數(shù)，美國的基波為60Hz。圖1顯示的是基波(一階)和五階諧波電流之和。在實踐中，額外諧波會進一步造成電流波形的失真，只是程度較輕而已。諧波電流(在這種情況下，五階× 60 Hz = 300 Hz)不能用于實際工作，只能轉(zhuǎn)換成廢熱或機械能。

圖1：此圖說明了總電流和一階與五階諧波的總和。圖片來源：安川

諧波會引起電纜過熱、斷路器跳閘，并對上游變壓器造成壓力。較大的諧波電流，會對電源提供優(yōu)質(zhì)輸出電流的能力造成負面影響，進而會導(dǎo)致電壓畸變、設(shè)備中斷和電力公司的罰款。

變頻器矩陣設(shè)計與運行

一個相對較新的變頻器設(shè)計，是利用矩陣排列的九個雙向絕緣柵雙極晶體管來代替直流母線，直接從交流輸入產(chǎn)生變頻交流輸出。無需對直流母線充電，就不需要相關(guān)的非線性輸入電流。圖2顯示了矩陣拓撲結(jié)構(gòu)。

對使用矩陣設(shè)計的驅(qū)動器，在任何時間，任何輸入相位都可以直接連接到任何輸出相。驅(qū)動矩陣操作的關(guān)鍵是在正確的時間把雙向開關(guān)進行切換以產(chǎn)生運行電機所需的適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷汉皖l率的能力。

內(nèi)置到變頻器矩陣設(shè)計的控制，可連續(xù)監(jiān)測三個輸入相電壓之間的電壓差。這些相電壓差異，使變頻器矩陣設(shè)計可以為電機提供一個連續(xù)可調(diào)的電壓，還具有利用九個絕緣柵雙極晶體管在任何時刻開關(guān)任何輸入相的能力。同時采用脈寬調(diào)制，產(chǎn)生適當(dāng)頻率、適當(dāng)電壓的電源來驅(qū)動負載所需的電機。

此外，可用電壓的范圍，使變頻器矩陣設(shè)計逐步建立脈沖，從而減少尖峰電壓對電機軸承電流以及對電機長引線的反射波所造成的影響。

除了超低諧波和接近單位功率因數(shù)，變頻器矩陣設(shè)計還通過再生實現(xiàn)能源節(jié)省。當(dāng)電機由負載驅(qū)動，而不是直驅(qū)動負載，它就是一個發(fā)電機，回送電壓至變頻器。這樣的例子有泵、千斤頂?shù)龋撦d在電機和再生之間波動，向下的傳輸帶則是一個連續(xù)的再生狀態(tài)(見圖3)。

圖3：本圖所示為傳統(tǒng)變頻器與用于能量再生的安川矩陣變頻器的比較。

在傳統(tǒng)驅(qū)動中，動態(tài)制動電阻將再生能量從變頻器轉(zhuǎn)移，以防止直流母線過電壓。矩陣設(shè)計的驅(qū)動則利用九個雙向絕緣柵雙極晶體管來將再生電壓回送至電源，從而可以抵扣用戶的電費。

變頻器的主要優(yōu)點是將定速電機以變頻的方式運行。然而，某些應(yīng)用，在某段時間內(nèi)的大部分時間都是全速運轉(zhuǎn)。在這些情況下，矩陣設(shè)計可以關(guān)閉相應(yīng)的絕緣柵雙極晶體管，直接將輸入作為輸出連接到電機，從而可以最大限度地提高效率，而不需要使用通過接觸器旁路驅(qū)動的傳統(tǒng)變頻器。.

由于在保證穩(wěn)定開/關(guān)狀態(tài)時，絕緣柵雙極晶體管可以“休息”，所以這種模式也延長了變頻器的壽命。

用于監(jiān)測的變頻器

矩陣設(shè)計的變頻器可以用幾種方法檢測電源，提供及時反饋以節(jié)約能源。如果提供每千瓦時的美元結(jié)算價格，變頻器的顯示屏可以按需選擇以下信息：

功率輸出

功率消耗

再生能源

節(jié)省的電能

電費賬單

矩陣設(shè)計變頻器的優(yōu)勢

也可以通過其它方式來降低變頻器的諧波。這些方法包括有源前端和多脈沖變壓器，它需要大量的附加組件與變頻器)配合，所有這一切都意味著增加體積、成本以及導(dǎo)線連接。矩陣設(shè)計的變頻器在驅(qū)動器內(nèi)實現(xiàn)低諧波：三線進，三線出。盡管矩陣設(shè)計變頻器的價格要高于傳統(tǒng)變頻器，但價格通常與其它低諧波解決方案相當(dāng)甚至更低。

矩陣設(shè)計變頻器的電壓和功率額定值的范圍較寬，通常在240伏時可達到100馬力，在480伏時可達到350馬力或更高。具體可參照美國安全檢測實驗室公司(UL)、加拿大標(biāo)準協(xié)會(CSA)、CE和RoHS認證和支持的感應(yīng)、表面永磁、內(nèi)部永磁電機。

用戶期望從傳統(tǒng)的變頻器獲得的所有特性和功能，矩陣設(shè)計變頻器都能夠提供，且還具有其它優(yōu)勢。對持續(xù)性的較高要求，以及為了滿足IEEE 519-2014標(biāo)準的要求，矩陣變頻器提供了一種經(jīng)濟高效、節(jié)省空間并且節(jié)省能源的方法。

    所以隨著時代的發(fā)展，變頻技術(shù)必定是不斷提高衍生，未來的矩陣式變頻技術(shù)相信僅僅只是一個開始。