Wie wirken Trägerfrequenz und Pulsweitenmodulation in einem VFD zusammen, um die AC-Motordrehzahl zu steuern?

In einem VFD ist die Trägerfrequenz die Frequenz zum Schalten der Leistungsgeräte. Um mit einem einfachen Beispiel zu beginnen, betrachten Sie die unten gezeigte H-Brückenschaltung. Die vier Transistoren können sequentiell geschaltet werden, um eine grobe Annäherung an eine Sinuswelle zu erzeugen. Es sind zwei Ein/Aus-Schaltzyklen erforderlich, um einen Zyklus der Ausgangswellenform zu erzeugen, sodass die Schaltfrequenz das Doppelte der Ausgangsfrequenz ist. Wenn sich die Ausgangsfrequenz ändert, muss sich die Trägerfrequenz proportional ändern.

Um einen Induktionsmotor zu steuern, muss die Spannung gesteuert werden, um ein relativ konstantes Verhältnis von Spannung zu Frequenz aufrechtzuerhalten. Um dies mit Pulsweitenmodulation (PWM) zu tun, müssen dem Schema wie unten gezeigt ein oder mehrere Schaltereignisse hinzugefügt werden. Durch das Hinzufügen von PWM zur Steuerung der Spannung mit diesem Schema wird die Schaltfrequenz sechsmal so hoch wie die Ausgangsfrequenz. Die Schaltfrequenz wird normalerweise so gewählt, dass sie viel mehr als das Sechsfache der Ausgangsfrequenz beträgt, um den Oberwellengehalt zu reduzieren und eine effektive Ausgangswellenform von besserer Qualität bereitzustellen. Verschiedene Hersteller beschreiben ihre Steuerschemata auf unterschiedliche Weise. Auf die eine oder andere Weise wird die zum Erzeugen der gewünschten Motorleistung erforderliche Wellenform berechnet, und die Geräte werden entsprechend innerhalb der Grenzen geschaltet, die das Design für die Schaltfrequenz festgelegt hat.

Es ist möglich, eine höhere Anzahl modulierter Impulse bei niedrigeren Ausgangsfrequenzen zu verwenden im Vergleich zu der Anzahl, die bei höheren Ausgangsfrequenzen verwendet wird. In diesem Fall könnte die Schaltfrequenz als Vielfaches der Ausgangsfrequenz steigen und fallen, wenn die Ausgangsfrequenz zunimmt, anstatt nur proportional zur Ausgangsfrequenz zu steigen. Es gibt andere Faktoren im Gesamtsteuerungsschema und VFD-Design, die die Beziehung zwischen Ausgangsfrequenz und Schaltfrequenz weiter verkomplizieren.

Die folgenden Diagramme zeigen zwei mögliche PWM-Designs basierend auf einer dreieckigen Trägerwelle, die eine sinusförmige Referenzwelle abfängt. Diese zeigen, wie eine variable Frequenz mit proportional variabler Spannungs-PWM-Sinuswellensimulation entweder mit einer Trägerfrequenz, die ein Vielfaches der Sinusfrequenz ist, oder mit einer konstanten Trägerfrequenz implementiert werden kann.

Beachten Sie, dass die Schaltrate nur die Anzahl der Ein/Aus- und Aus/Ein-Übergänge pro Sekunde ist. Die „Ein“-Dauer und die „Aus“-Dauer können über einen weiten Bereich eingestellt werden, ohne die Schaltfrequenz zu verändern.

Verschiedene Aspekte der „Triangulationsverfahren“-Pulsweitenmodulationsschemata für VFDs sind beschrieben in:

J. Zubek, A. Abbondanti und CJ Norby, "Pulsewidth Modulated Inverter Motor Drives with Improved Modulation", in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-11, Nr. 6, S. 695-703, Nov. 1975. doi: 10.1109/TIA.1975.349357

Dieses Papier zitiert:

K. Heintze et al., „Pulsweitenmodulierende Stromrichter zur Drehzahlregelung von Asynchronmotoren“, Siemens-Z., vol. 45(3), S. 154-161, 1971.

Und:

A. Schonung und H. Stemmler, „Statische Frequenzwechsler mit subharmonischer Steuerung in Verbindung mit umschaltbaren Wechselstromantrieben mit variabler Drehzahl“, Brown-Boveri Review, S. 555-577, Aug./Sept. 1964.

Das Triangulationsverfahren wurde möglicherweise bis zu einem gewissen Grad verwendet, bevor Mikroprozessoren in VFDs verwendet wurden. In vielen Diskussionen wird die Dreiecksträgerwelle eher zur Veranschaulichung des Grundprinzips als zur Beschreibung der detaillierten Implementierung verwendet. Durch die Mikroprozessorsteuerung ist es möglich, Sinuswellen mit variabler Spannung und Frequenz auf vielfältige Weise mit fester oder variabler Schaltfrequenz zu simulieren. Viele Schemata wurden beschrieben und verwendet. Es ist schwierig zu bestimmen, welche Schemata heute beliebt sind.

Es kann Schemata geben, die tatsächlich sowohl die Anzahl als auch die Breite der PWM-Impulse für jeden Zyklus der erzeugten Ausgangswellenform ändern. In den meisten modernen VFD-Designs berechnet der Prozessor ständig die erforderliche Ausgangsspannung und -frequenz neu.