变频器的输出电压波形

看变频器的输出电流要接电机，看变频器的输出电压波形，直接把示波器的电压探头夹在输出端就可以了。


变频器的输出电压是放大版的PWM波。从设计上，我们期望这个PWM波电压差是整流滤波后的正负极的电压差，同时电压变化会直上直下。

但实际的电压突变的波形，会有一个斜坡。而且电压突变时，会有一个尖峰，超出正负极的电压。

对一台变频器工作时，用示波器抓的输出侧的电压波形如下图：

通过对局布的电压波形进行放大，可以看出，这个电压变化是有一“斜坡”的，同时会有小尖峰冒头。

为什么会这样的呢？

这是由于，我们做分析的时候，都是把电路简化成“纯电阻”，“纯电容”，“纯电感”的模型，但实际的一个电路是这三者的组合，只是各个含量多少而已。有的情况下，电路中的电感含量少，利用纯电阻模型计算得到的结果，与我们的实际观察到的现象大致吻合，为了简化计算过程，我们就不考虑电感在该电路中的作用了。

但遇到一些特别案例，比如如果电路中走的电流很大，电压切换的时间很快，电感的影响因素就不能忽略。

在变频器中出现的这个输出电压出现小尖峰，同时电压变化有一个小的“斜坡”，就是属于很小电感的作用了。

另一个类似的例子就是：我们日常中生活中物体的移动速度很低，我们都忽略相对论效应，觉得大家用的时间都是一样的。但对于太空上的GPS卫星，由于它的运动速度超出了我们日常生活中物体移动的速度，相对论时间膨胀的因素就不能简单地忽略。这样，系统会定期对它的时钟系统进行预置一个补偿量，具体的办法是：在GPS卫星发射前，要先把其时钟的走动频率调慢100亿分之4.465，把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫。

接下来的问题是：尖峰和斜率在实际的使用中有什么影响呢？

尖峰的影响：

因为尖峰的存在，导致了加在电机上的电压超出了变频器正负极的电压。这就对电机本身的绝缘性能提高了要求。对于变频器的输出PWM电压，是正弦波加上一定频率的谐波的组合。这个正弦波的峰-峰值电压差与与整流滤波后的正负极电压差相同。电机的绝缘性能按这个正负极电压差设计就可以了。

但由于尖峰电压的存在，就得再提高相应的绝缘性能。但对电机来说，绝缘性能取决于线圈绕组的铜丝上的绝缘漆的绝缘性能。这个绝缘性能不是可以简单提高的。

解决的办法：IGBT的输出正负极上关联一个小的电容，来减缓这个尖峰的峰值。

由于这个原因，普通的电机不能胜任用变频器驱动这个工作，与变频器配套的电机，通常都是特制的。

斜坡的影响：

这个斜坡时间就是开关器件的“开关时间”。它的存在导致了开关器件在一个工作周期内，有一部分时间是用于器件开关。这样，它就限制了器件的工作频率不可能无限上升。

这个斜坡也会对电机的绝缘性能造成破坏，如果斜坡太陡了，电机运行时间长了就会因绝缘失效而烧电机。

对于这个现象，我最初是怎么想也想不通的，为什么斜坡太陡了就会破坏电机绝缘，或者它的机理是什么？

我在曾经在网上找到，一直没有查到满意的答案。

后来在一位知乎上看到一篇文章，才明白其中的原因。

说结论：变频器载波频率从几千到十几千赫，使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严重的考验。对于这个冲击电压导致的后果，有的人可能还不理解。最近我遇到了一个物理振动的问题，可以借这个案例来参考理解。

公司新设计的一款产品，设计阶段要做振动测试，验证产品的可靠性。振动的参数中，有一个“加速度”，当这个加速度的值选得大了后，产品就会振动失败。这个加速度，差不多就是表示振动得快慢，对应是的速度变化的斜率。

我们生活中，大桥建好后，要加静载荷试验，这个静载荷就类似电机上加载的驱动电压。但大桥上有车走过的时候，会对大桥本身形成一个“动态载荷”，这个动态的载荷就相当于“振动”。“冲击电压”类似这个大桥上的“动态载荷了。

机械振动如果太剧烈，材料就会发生疲劳失效。冲击电压如果太剧烈，就会导致电机定子上的“绝缘失效”。

此文章的链接如下，有兴趣的朋友可以进去看一下。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/189405331

接下来的问题是：这个电感值受什么影响？

答：与导体的形状有强相关。在变频器上，整流后采用电容滤波，滤波后得到了有“正/负”极的直流电，将这个直流电的正负极连接到IGBT上面，通常采用二块大的铜板中间夹绝缘材料，我们称它为“正/负”母排。这个母排上，除了必要的开孔连接电容电极外，其它就是不再开孔。设计的人说：这个可以减少母排上的电感。

从电感的特性上，如果电路中的电感越大，则会产生的“尖峰”电压越高。但那个“斜坡”的陡陡度与电感的关系，我还没有想明白。我估计是电感值越小，坡度越陡。如果这样，设计这个母排的形状就要仔细考虑了。毕竟这个陡度会影响了电机的绝缘性能。

对于VSD的这个PWM电压输出，会导致了VSD的输出电流不会呈“理想”的正弦波。如果应用要求不严格的话，就会直接把这个波形加在电机上。

如果应用对这个波形有要求，比如希望是一个“理想”的正弦波，就得想办法把这个波形处理一下。解决的方法是在电路中增“LC”电路。这个时候，L串在电路中，C并联在相与相上。L和C的选择很有讲究。设计阶段，现在有模拟软件可以做仿真调试的。【这些计算我都不会。】

下图是一个经“LC”滤波后的电压波形，基本上可以算是一个“正弦”波了。它的输出电流也会很“光滑”，呈“正弦”波。

这样，电机上的电流也会很也会很平滑。参见“变频器的输出电流波形”一文。