變頻器的歷史

特斯拉于1888年首次推出三相交流（AC）感應電機，這項新的發明比愛迪生的直流（DC）電機更有效，更可靠。但是，交流電動機速度控制需要改變磁通量或改變電動機的極數。這使得感應電機得到廣泛使用幾十年后，改變速度控制的頻率仍然是一項極其困難的任務，因為電機的物理結構使制造商無法制造速度超過兩種的電機。

因此，在需要精確的速度控制和大功率輸出的情況下，DC電機是必需的。與交流電機速度控制要求相比，直流電機速度控制是通過將可變電阻器插入低功率直流電路來實現的，這在現有技術中是可行的。這些簡單的電機控制裝置改變了速度和扭矩，并且是幾十年來最經濟的方式。

到20世紀80年代，交流電機驅動技術變得可靠且價格低廉，足以與傳統的直流電機控制競爭。這些變頻驅動器可精確控制標準交流感應或同步電機的速度。對變頻器來說，可以控制從0 rpm到最大額定速度的全轉矩控制，而且在需要的情況下，還可以在減小的轉矩下高于額定速度。

變頻器通過將輸入的AC電流整流為DC來操縱其輸出頻率，然后使用電壓脈沖寬度調制來重建AC電流和電壓輸出波形。但是，這種頻率轉換過程會導致變頻器損失2％至3％的熱量，而且還會產生電壓突波和諧波電流畸變。

什么是變頻器？

變頻器是一種電動機控制器，通過改變提供給電動機的頻率和電壓來驅動電動機。

所謂頻率（或赫茲）與電機速度（RPM）直接相關。換句話說，頻率越快，RPM越快。如果應用不需要電動機全速運行，變頻器可用于降低頻率和電壓，以滿足電動機負載的要求。隨著應用的電機速度要求發生變化，變頻器可以簡單地調高或調低電機速度以滿足速度要求。

變頻器的類型

目前有三種常見類型的變頻器。電流源型變頻器（CSI）已成功用于信號處理和工業電源應用。CSI 變頻器是唯一具有再生功率能力的類型。換句話說，它們可以吸收從電機回流到電源的功率流。CSI 變頻器提供非常干凈的電流波形，但在其結構中需要大而昂貴的電感器，并導致低于6 Hz的齒槽效應（旋轉期間的脈動運動）。

電壓源型變頻器（VSI）的功率因數較差，可能導致電機齒槽電壓低于6 Hz，并且不再生。因此，CSI和VSI變頻器器尚未被廣泛使用。

脈波寬度調變（PWM）變頻器是工業中最常用的，因為固定的直流母線電壓具有出色的輸入功率因數，沒有電機齒槽效應，效率更高，成本更低。PWM 變頻器使用一系列不同長度的電壓脈沖來模擬正弦波。理想情況下，脈沖定時，以便驅動器的時間平均積分產生完美的正弦曲線。產生該波形的當前選擇方法是通過比較器運行三角波和正弦波，并且只要正弦波的值大于三角波，就輸出電壓脈沖。用于產生電壓脈沖的當前電氣元件是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），盡管可控硅整流器（SCR）也可以工作。在不久的將來，注入增強型柵極晶體管（IEGT）將用于執行此任務。更長遠來說，憶阻器可能會成為這項任務的首選組成部分。

變頻器如何工作？

變頻器的第一個階段是轉換器。轉換器由六個二極管組成，類似于管道系統中使用的止回閥。它們允許電流僅在一個方向流動; 二極管符號中箭頭所示的方向。例如，每當A相電壓（電壓類似于管道系統中的壓力）比B或C相電壓更正時，那么該二極管將打開并允許電流流動。當B相比A相更正時，B相二極管將打開，A相二極管將關閉。對于總線負側的3個二極管也是如此。因此，當每個二極管打開和關閉時，我們得到六個電流“脈沖”。這稱為“六脈沖變頻器”，這是當前變頻器的標準配置。

我們假設驅動器在480V電源系統上運行。480V等級為均方根。480V系統的峰值為679V。如您所見，變頻器直流總線具有帶交流紋波的直流電壓。電壓在大約580V和680V之間。

我們可以通過增加一個電容來消除直流母線上的交流紋波。電容器以類似于管道系統中的儲存器或蓄電池的方式操作。該電容吸收交流紋波并提供平滑的直流電壓。直流母線上的交流紋波通常小于3伏。因此，DC總線上的電壓變為大約650VDC。實際電壓取決于為變頻器供電的交流線路的電壓水平，電力系統的電壓不平衡水平，電機負載，電力系統的阻抗以及變頻器上的任何電抗器或諧波濾波器。

將AC轉換為DC的二極管橋轉換器有時也稱為轉換器。將直流電轉換為交流電的轉換器也是轉換器，但為了將其與二極管轉換器區分開來，它通常被稱為“逆變器”。在任何工業中，將任何DC-AC轉換器稱為逆變器已經變得很普遍。

注意，在實際的變頻器中，所示的開關實際上是晶體管或晶閘管。

當我們關閉逆變器中的一個頂部開關時，電機的該相連接到正直流總線，并且該相上的電壓變為正。當我們關閉轉換器中的一個底部開關時，該相連接到負直流總線并變為負極。因此，我們可以使電機上的任何相位隨意變為正或負，從而可以產生我們想要的任何頻率。因此，我們可以使任何階段為正，負或零。

顯示藍色正弦波僅用于比較目的。驅動器不會生成此正弦波。

請注意，變頻器的輸出是“矩形”波形。變頻器不產生正弦輸出。對于通用配電系統，這種矩形波形不是一個好的選擇，但對于電機來說是完全合適的。

如果我們想將電機頻率降低到30 Hz，那么我們只需更慢地切換逆變器輸出晶體管。但是，如果我們將頻率降低到30Hz，那么我們還必須將電壓降低到240V以保持V / Hz比。如果我們唯一的電壓是650VDC，我們如何降低電壓呢？

這稱為脈沖寬度調制或PWM。想象一下，我們可以通過高速打開和關閉閥門來控制水管中的壓力。雖然這對于管道系統來說不實用，但它對變頻器來說效果很好。請注意，在前半個周期中，電壓開和關的時間各占一半。因此，平均電壓是480V或240V的一半。通過脈沖輸出，我們可以在變頻器的輸出上實現任何平均電壓。

我為什么要使用變頻器？

降低能源消耗和能源成本

如果您的應用不需要全速運行，那么您可以通過使用變頻器控制電機來降低能源成本，這是變頻器的優勢之一。變頻器允許您將電機驅動設備的速度與負載要求相匹配。沒有其他交流電動機控制方法可以讓您實現這一目標。

電動機系統占當今工業功耗的65％以上。通過安裝或升級到變頻器來優化電機控制系統可以將設施的能耗降低多達70％。此外，變頻器的使用提高了產品質量，降低了生產成本。

通過更嚴格的過程控制來提高產量

通過以最有效的速度運行電機，可以減少錯誤，從而提高生產水平，從而為您的公司帶來更高的收益。在傳送帶和皮帶上，您可以消除啟動時的沖擊，從而實現高產量。

延長設備壽命并減少維護

由于變頻器可以最佳地控制電機的頻率和電壓，因此變頻器可以為您的電機提供更好的保護，使其免受電熱過載，相位保護，欠壓，過壓等問題的影響。同時，變頻器啟動負載時可以避免電機或驅動負載受到線路起動的“瞬間沖擊”，從而消除皮帶，齒輪和軸承的磨損。