在本文中，了解變頻驅動器如何利用脈寬調制原理從數字源（例如電機驅動器）創建模擬信號。

脈沖寬度調制（PWM）是一種常用的策略，用于從數字源創建模擬類型的信號。當試圖從由分立晶體管控制的源驅動電機時，這是一種常見的方法，無法提供特定的可變電流輸出。變頻驅動器利用這一原理進行操作。

許多控制器輸出使用脈沖開/關信號的策略來向負載設備提供有限量的電流。這種電壓脈沖過程允許離散數字輸出驅動模擬設備，但仍不能產生真正的模擬輸出電壓。

由于驅動電機負載所需的功率，這種方法在電機輸出中特別常見。為了以適當的扭矩和速度驅動，必須向電機提供一定量的功率。該功率是電壓和電流的乘積（乘積）。如果降低電壓，將直接影響功率，因此我們不能降低電壓并仍然期望有所需的扭矩來移動負載。所以作為一種減速方法，降低電壓是不切實際的。這個概念實際上只在降低電壓啟動方法的情況下出現。

為了克服這一挑戰，必須有一種方法可以提供全電壓和全電流，但又要以某種方式降低電機的驅動速度。在直流電機（例如業余愛好電機）中，這可以通過減少驅動轉子磁場的平均電流來實現，這將決定電刷換向的速度。脈沖寬度調制（PWM）技術非常簡單地完成了這項任務。

在三相交流電機中，簡單的電壓脈沖不會改變速度，因為為了正常運行，電壓也必須改變極性。準確地說，它必須以非常特定的頻率這樣做才能獲得正確的輸出RPM。這與直流電機不同，直流電機的旋轉速度自動控制刷子反轉的速度，有點像自動反饋。另一方面，交流電機必須由外部電源交替。

脈寬調制如何工作？

為了理解脈沖概念的工作原理，必須記住兩個關鍵概念。首先，恒定的PWM載波頻率控制電壓持續時間的計算。這個頻率必須足夠高，以至于輸出設備不能在每個脈沖中物理地打開和關閉。如果這樣做，將導致電機脈動，從而導致損壞。好消息是電機對施加電流的反應時間相對較慢，因此PWM載波頻率不必非常高，但通常位于幾百赫茲到幾萬赫茲的區域內。

作為參考，小型控制器，如流行的ArduinoUno微控制器，大多數引腳的PWM載波頻率約為500Hz。在Allen-BradleyPowerFlex525VFD上，載波頻率默認為4kHz。對于許多工業驅動器，頻率應與任何安裝的線路濾波器相匹配。

在這個恒定頻率下，數字直流電壓可能會在這段時間內打開，然后在剩余時間里關閉。例如，對于1kHz載波頻率，每個周期的時間為1毫秒。直流電壓可能會打開0.5ms，然后關閉剩余的0.5ms。負載會在短暫驅動時做出響應，但如果重復這種恒定的開/關/開/關模式，則整體響應將恰好是電機最大響應RPM的一半。如果增加脈沖的“開啟”持續時間，電機將旋轉得越快，直到它最終在整個周期內達到全電壓，這與簡單地提供恒定電壓相同。

ON脈沖的持續時間除以TOTAL周期時間的比率稱為PWM輸出的“占空比”，以0%-100%的百分比表示。對于直流電機，恒定的占空比產生恒定但可精確調節的速度。

VFD如何使用PWM控制交流電機？

對于三相交流電機，可以單獨考慮每相輸入。實際上，每個相位比前一個相位延遲5.55毫秒（60Hz周期的1/3），但每個相位都只是原始PWM概念的副本。

首先，電壓必須交替極性以產生所需的交流波，因此驅動輸出的晶體管（MOSFET）連接在稱為“H橋”的反向配置中，它允許控制器改變輸出極性。重新創建60Hz信號的正確時機。

當數字創建的交流波開始時，占空比幾乎為0%（因此沒有電流），但它開始非常迅速地增加。變化率隨著向100%攀升而減慢，事實上，曲線是精確的正弦曲線，就像主線電壓一樣。占空比本身對應于提供給電機線圈的平均電流，因此我們希望看到線圈的磁場以非常精確的速率變化。

對于慢速旋轉的電機，占空比的增加速度會比較慢。一旦達到100%，占空比將立即開始回落至0%。然后極性將翻轉，循環將重復。

考慮VFDPWM輸出的最簡單方法之一是查看標準交流電壓曲線。但與其將其讀取為“電壓”，不如將其讀取為“占空比”。由于占空比是數字創建的，因此可以根據需要非常緩慢或快速地創建它。

您不應嘗試以高于銘牌最大值的頻率運行電機，但PWM載波頻率會高很多倍。此外，值得注意的是，較高的載波頻率會產生更多的干擾和電噪聲，但較低的頻率將允許在每個PWM周期中通過每個晶體管的電流量更大，并產生更多的熱量。因此，您應該注意制造商對載波頻率的建議。