如何將PWM應(yīng)用于交流設(shè)備？

當(dāng)今許多技術(shù)，例如LED和DC電動(dòng)機(jī)，已經(jīng)習(xí)慣了設(shè)計(jì)人員和制造商使用相對(duì)簡(jiǎn)單的方法來部分轉(zhuǎn)移負(fù)載上的能量（例如，LED調(diào)光或無刷速度控制）。當(dāng)負(fù)載不是直流電而是由交流電供電時(shí)，這種簡(jiǎn)單性在概念上和實(shí)踐上都會(huì)有所減少：燈泡，交流電動(dòng)機(jī)，加熱元件和許多電感性負(fù)載都具有這種特性。如何智能，高效且無問題地控制此類設(shè)備？在本文中，我們將通過概述最常用的技術(shù)來嘗試闡明這一概念。

增益調(diào)制：基本方法

從歷史上看，要解決的有關(guān)AC設(shè)備中能量的部分轉(zhuǎn)移的第一個(gè)問題是燈絲燈泡的調(diào)光。該設(shè)備接收電源電壓（以50 / 60Hz頻率從230V交流電），從而提供最大的亮度（和最大的功耗）。解決該問題的第一種方法是最明顯的：通過可變電阻器（電位計(jì)）在負(fù)載上發(fā)送較低的電流值；更少的電流，更少的燈絲功率消耗，更少的亮度：這很簡(jiǎn)單（圖1）。

圖1：交流增益調(diào)制（來源：ECMWEB）

從效率的角度來看，今天的解決方案是不可接受的：如果確實(shí)可以解決問題，另一方面，節(jié)能法則要求將部分功率耗散在電位器中。形式的熱量，這是浪費(fèi)的。這不是最好的解決方案，今天有更智能，更高效的解決方案，導(dǎo)致電路更加復(fù)雜。

交流負(fù)載中的脈沖寬度調(diào)制（PWM）

脈沖寬度調(diào)制（也稱為PWM）是一種調(diào)制技術(shù)，可讓您根據(jù)控制信號(hào)將功率傳輸?shù)截?fù)載：當(dāng)信號(hào)高時(shí)，負(fù)載將以最大可用功率供電；當(dāng)信號(hào)低時(shí)，負(fù)載將以最大可用功率供電。 ，則負(fù)載將無法通電。根據(jù)此信號(hào)的激活頻率，以及基于在高狀態(tài)而不是低狀態(tài)（占空比）中花費(fèi)的時(shí)間，負(fù)載將或多或少地獲得功率。這樣，傳遞給負(fù)載的能量（電壓的有效值）可以在0（始終為低控制）到100％（始終為高控制）之間變化。此類調(diào)制最常用于DC設(shè)備中的功率調(diào)節(jié)（僅考慮LED的調(diào)光，無刷電機(jī)或開關(guān)電源的控制，之所以這樣稱呼是因?yàn)樨?fù)載上的電壓會(huì)連續(xù)切換）。

如何將PWM應(yīng)用于交流設(shè)備？

如果我們想對(duì)直流負(fù)載使用相同的PWM控制原理，則該方案如圖2所示。

圖2：AC PWM方案（來源：Research Gate）

顯然，盡管概念相對(duì)簡(jiǎn)單，但是電路的實(shí)現(xiàn)和控制卻開始變得復(fù)雜。此外，不希望在網(wǎng)絡(luò)線路上進(jìn)行連續(xù)切換，因?yàn)殡姶泡椛鋾?huì)在線路中引入噪聲，并可能損壞受電設(shè)備（或至少減少組件的使用壽命）。

如何在不損壞設(shè)備，限制引入網(wǎng)絡(luò)的輻射的情況下更好地利用PWM？

過零檢測(cè)

在繼續(xù)使用更高級(jí)的方法之前，我們必須介紹過零檢測(cè)的概念，或在AC中檢測(cè)正弦波0的通過的技術(shù)。

該技術(shù)涉及使用當(dāng)交流電源信號(hào)的值等于0時(shí)產(chǎn)生控制脈沖的電路；如果是正弦信號(hào)，則每個(gè)周期發(fā)生兩次，如果電源電壓為50Hz，則每秒發(fā)生一百次（每10ms產(chǎn)生一個(gè)脈沖）。知道正弦波何時(shí)為0時(shí)，可以通過限制二次諧波的產(chǎn)生來進(jìn)行切換，或者確定執(zhí)行切換之前的時(shí)間延遲，直到下一步為0。

零交叉的電路實(shí)現(xiàn)是由一個(gè)光電耦合器或一個(gè)交流光電晶體管來實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示。

圖3：交流光電晶體管過零檢測(cè)原理圖（來源：作者）

在交流光電晶體管中，向晶體管發(fā)射脈沖的組件是雙向可控硅或雙端設(shè)備，由兩個(gè)反向并聯(lián)配置的二極管組成。H11AA1是經(jīng)典的交流光電晶體管。

另一個(gè)重要的器件是雙向可控硅，一個(gè)三端設(shè)備，其中兩個(gè)端子稱為陽極，是受控電流的通道，而第三個(gè)端子（即定義的柵極）是控制輸入：當(dāng)柵極為低電平時(shí)，交流信號(hào)的傳導(dǎo)被禁止，而當(dāng)門為高電平時(shí)，交流信號(hào)的傳導(dǎo)被允許直到下一次通過0（半周期結(jié)束）。從物理上講，雙向可控硅由兩個(gè)反向并聯(lián)的SCR構(gòu)成，其柵極短路。

還存在諸如光電晶體管或固態(tài)繼電器之類的設(shè)備，這些設(shè)備具有用于檢測(cè)內(nèi)部零交叉的電路，但是先前電路的實(shí)現(xiàn)方式使我們能夠更好地理解問題，并對(duì)電路的行為進(jìn)行精確控制。實(shí)際上，通過使用過零檢測(cè)電路和微控制器，我們可以實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)射控制和相角控制技術(shù)?；谶x擇的驅(qū)動(dòng)算法的微控制器命令會(huì)觸發(fā)用于功率傳輸?shù)慕M件，通常是三端雙向可控硅開關(guān)（如BTA140）或光電三端雙向可控硅開關(guān)（如MOC3052或MOC3011）。

連發(fā)射擊控制

可以將此技術(shù)視為PWM，其中開關(guān)頻率和占空比是正弦波周期的倍數(shù)。在實(shí)踐中，一旦說明了調(diào)制周期必須持續(xù)多少個(gè)周期，就在每個(gè)步驟中激活三端雙向可控硅開關(guān)為0，以遵守已建立的占空比。這樣，三端雙向可控硅開關(guān)元件總是在電流為0時(shí)接通和斷開，以免產(chǎn)生二次諧波。在圖4中，可以看到一個(gè)時(shí)序圖示例。因此，傳遞給負(fù)載的功率將與占空比成正比。

圖4：突發(fā)觸發(fā)控制的時(shí)序圖（來源：實(shí)用控制）

從EMC的角度來看，該技術(shù)無疑易于實(shí)施且可靠。然而，必須在知道深度負(fù)載特征的情況下選擇激活周期：雖然對(duì)于電阻而言，預(yù)期的周期較長(zhǎng)（存在無法傳遞足夠能量的風(fēng)險(xiǎn)），但對(duì)于電動(dòng)機(jī)或其他執(zhí)行器，該參數(shù)可能完全不同。

相角控制

用于控制傳遞到負(fù)載的能量的最流行的技術(shù)之一是相位角控制：當(dāng)越過0時(shí)，在激活三端雙向可控硅開關(guān)元件的柵極之前，預(yù)設(shè)時(shí)間（對(duì)應(yīng)于觸發(fā)角）會(huì)延遲（這將允許通過）。電流持續(xù)到半周期結(jié)束）。以這種方式，功率傳遞僅在該周期的一部分中發(fā)生。

突發(fā)點(diǎn)火控制基于有效和無效周期之間的關(guān)系，而相位角控制則基于周期內(nèi)傳遞的能量百分比。

此控件的時(shí)序圖如圖5所示。

圖5：相角控制的時(shí)序圖（來源：實(shí)踐控制）

該技術(shù)可用于所有類型的負(fù)載，并引入放電電路（緩沖器）以避免感性負(fù)載出現(xiàn)問題。

軟啟動(dòng)和突發(fā)觸發(fā)控制

一個(gè)更聰明，當(dāng)然也很優(yōu)雅的解決方案，以及在實(shí)踐中非常有用的功能，是將軟啟動(dòng)與突發(fā)觸發(fā)控制相結(jié)合。某些執(zhí)行器，例如電動(dòng)機(jī)，不能直接以最大功率運(yùn)行（一般大型電動(dòng)機(jī)的動(dòng)量差會(huì)使其脫離地面！），因此它們需要一個(gè)軟啟動(dòng)機(jī)制，可以將其插入開啟設(shè)備時(shí)進(jìn)行相位角控制，其主要控制方法仍然是突發(fā)觸發(fā)控制。在軟啟動(dòng)期間，觸發(fā)角度可以逐漸增加傳遞給負(fù)載的功率，直至0度，并最終導(dǎo)致脈沖觸發(fā)控制。

綜上所述

交流負(fù)載的驅(qū)動(dòng)現(xiàn)在已成為一個(gè)相當(dāng)固定的主題，有許多技術(shù)可以解決此問題。新技術(shù)基于對(duì)能源效率的追求，并減少了放置在電網(wǎng)上的危險(xiǎn)峰值和令人討厭的峰值。

應(yīng)當(dāng)注意，在本文所述的驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，輸入電流的頻率沒有改變，但是功率傳輸僅提供了負(fù)載上使用的能量的時(shí)間范圍。

此外，還創(chuàng)建了采用SiC和GaN技術(shù)的新型SCR和雙向可控硅器件，從而可以增加支持的功率并提高熱穩(wěn)定性。

編輯：hfy