變頻器的歷史
特斯拉于1888年首次推出三相交流（AC）感應(yīng)電機(jī)，這項(xiàng)新的發(fā)明比愛(ài)迪生的直流（DC）電機(jī)更有效，更可靠。但是，交流電動(dòng)機(jī)速度控制需要改變磁通量或改變電動(dòng)機(jī)的極數(shù)。這使得感應(yīng)電機(jī)得到廣泛使用幾十年后，改變速度控制的頻率仍然是一項(xiàng)極其困難的任務(wù)，因?yàn)殡姍C(jī)的物理結(jié)構(gòu)使制造商無(wú)法制造速度超過(guò)兩種的電機(jī)。
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(jī)是必需的。與交流電機(jī)速度控制要求相比，直流電機(jī)速度控制是通過(guò)將可變電阻器插入低功率直流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這在現(xiàn)有技術(shù)中是可行的。這些簡(jiǎn)單的電機(jī)控制裝置改變了速度和扭矩，并且是幾十年來(lái)最經(jīng)濟(jì)的方式。
到20世紀(jì)80年代，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)變得可靠且價(jià)格低廉，足以與傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制競(jìng)爭(zhēng)。這些變頻驅(qū)動(dòng)器可精確控制標(biāo)準(zhǔn)交流感應(yīng)或同步電機(jī)的速度。對(duì)變頻器來(lái)說(shuō)，可以控制從0 rpm到最大額定速度的全轉(zhuǎn)矩控制，而且在需要的情況下，還可以在減小的轉(zhuǎn)矩下高于額定速度。
變頻器通過(guò)將輸入的AC電流整流為DC來(lái)操縱其輸出頻率，然后使用電壓脈沖寬度調(diào)制來(lái)重建AC電流和電壓輸出波形。但是，這種頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)導(dǎo)致變頻器損失2％至3％的熱量，而且還會(huì)產(chǎn)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(dòng)機(jī)控制器，通過(guò)改變提供給電動(dòng)機(jī)的頻率和電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
所謂頻率（或赫茲）與電機(jī)速度（RPM）直接相關(guān)。換句話(huà)說(shuō)，頻率越快，RPM越快。如果應(yīng)用不需要電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行，變頻器可用于降低頻率和電壓，以滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)負(fù)載的要求。隨著應(yīng)用的電機(jī)速度要求發(fā)生變化，變頻器可以簡(jiǎn)單地調(diào)高或調(diào)低電機(jī)速度以滿(mǎn)足速度要求。
變頻器的類(lèi)型
目前有三種常見(jiàn)類(lèi)型的變頻器。電流源型變頻器（CSI）已成功用于信號(hào)處理和工業(yè)電源應(yīng)用。CSI 變頻器是唯一具有再生功率能力的類(lèi)型。換句話(huà)說(shuō)，它們可以吸收從電機(jī)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(jié)構(gòu)中需要大而昂貴的電感器，并導(dǎo)致低于6 Hz的齒槽效應(yīng)（旋轉(zhuǎn)期間的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)）。
電壓源型變頻器（VSI）的功率因數(shù)較差，可能導(dǎo)致電機(jī)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(diào)變（PWM）變頻器是工業(yè)中最常用的，因?yàn)楣潭ǖ闹绷髂妇€(xiàn)電壓具有出色的輸入功率因數(shù)，沒(méi)有電機(jī)齒槽效應(yīng)，效率更高，成本更低。PWM 變頻器使用一系列不同長(zhǎng)度的電壓脈沖來(lái)模擬正弦波。理想情況下，脈沖定時(shí)，以便驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間平均積分產(chǎn)生完美的正弦曲線(xiàn)。產(chǎn)生該波形的當(dāng)前選擇方法是通過(guò)比較器運(yùn)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(chǎn)生電壓脈沖的當(dāng)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(lái)，注入增強(qiáng)型柵極晶體管（IEGT）將用于執(zhí)行此任務(wù)。更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，憶阻器可能會(huì)成為這項(xiàng)任務(wù)的首選組成部分。
變頻器如何工作？
變頻器的第一個(gè)階段是轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器由六個(gè)二極管組成，類(lèi)似于管道系統(tǒng)中使用的止回閥。它們?cè)试S電流僅在一個(gè)方向流動(dòng); 二極管符號(hào)中箭頭所示的方向。例如，每當(dāng)A相電壓（電壓類(lèi)似于管道系統(tǒng)中的壓力）比B或C相電壓更正時(shí)，那么該二極管將打開(kāi)并允許電流流動(dòng)。當(dāng)B相比A相更正時(shí)，B相二極管將打開(kāi)，A相二極管將關(guān)閉。對(duì)于總線(xiàn)負(fù)側(cè)的3個(gè)二極管也是如此。因此，當(dāng)每個(gè)二極管打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)，我們得到六個(gè)電流“脈沖”。這稱(chēng)為“六脈沖變頻器”，這是當(dāng)前變頻器的標(biāo)準(zhǔn)配置。
我們假設(shè)驅(qū)動(dòng)器在480V電源系統(tǒng)上運(yùn)行。480V等級(jí)為均方根。480V系統(tǒng)的峰值為679V。如您所見(jiàn)，變頻器直流總線(xiàn)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(guò)增加一個(gè)電容來(lái)消除直流母線(xiàn)上的交流紋波。電容器以類(lèi)似于管道系統(tǒng)中的儲(chǔ)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(xiàn)上的交流紋波通常小于3伏。因此，DC總線(xiàn)上的電壓變?yōu)榇蠹s650VDC。實(shí)際電壓取決于為變頻器供電的交流線(xiàn)路的電壓水平，電力系統(tǒng)的電壓不平衡水平，電機(jī)負(fù)載，電力系統(tǒng)的阻抗以及變頻器上的任何電抗器或諧波濾波器。
將AC轉(zhuǎn)換為DC的二極管橋轉(zhuǎn)換器有時(shí)也稱(chēng)為轉(zhuǎn)換器。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的轉(zhuǎn)換器也是轉(zhuǎn)換器，但為了將其與二極管轉(zhuǎn)換器區(qū)分開(kāi)來(lái)，它通常被稱(chēng)為“逆變器”。在任何工業(yè)中，將任何DC-AC轉(zhuǎn)換器稱(chēng)為逆變器已經(jīng)變得很普遍。
注意，在實(shí)際的變頻器中，所示的開(kāi)關(guān)實(shí)際上是晶體管或晶閘管。
當(dāng)我們關(guān)閉逆變器中的一個(gè)頂部開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)的該相連接到正直流總線(xiàn)，并且該相上的電壓變?yōu)檎?。?dāng)我們關(guān)閉轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)底部開(kāi)關(guān)時(shí)，該相連接到負(fù)直流總線(xiàn)并變?yōu)樨?fù)極。因此，我們可以使電機(jī)上的任何相位隨意變?yōu)檎蜇?fù)，從而可以產(chǎn)生我們想要的任何頻率。因此，我們可以使任何階段為正，負(fù)或零。
顯示藍(lán)色正弦波僅用于比較目的。驅(qū)動(dòng)器不會(huì)生成此正弦波。
請(qǐng)注意，變頻器的輸出是“矩形”波形。變頻器不產(chǎn)生正弦輸出。對(duì)于通用配電系統(tǒng)，這種矩形波形不是一個(gè)好的選擇，但對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)是完全合適的。
如果我們想將電機(jī)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?nèi)绾谓档碗妷耗兀?/p>
這稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制或PWM。想象一下，我們可以通過(guò)高速打開(kāi)和關(guān)閉閥門(mén)來(lái)控制水管中的壓力。雖然這對(duì)于管道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不實(shí)用，但它對(duì)變頻器來(lái)說(shuō)效果很好。請(qǐng)注意，在前半個(gè)周期中，電壓開(kāi)和關(guān)的時(shí)間各占一半。因此，平均電壓是480V或240V的一半。通過(guò)脈沖輸出，我們可以在變頻器的輸出上實(shí)現(xiàn)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(yīng)用不需要全速運(yùn)行，那么您可以通過(guò)使用變頻器控制電機(jī)來(lái)降低能源成本，這是變頻器的優(yōu)勢(shì)之一。變頻器允許您將電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的速度與負(fù)載要求相匹配。沒(méi)有其他交流電動(dòng)機(jī)控制方法可以讓您實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)占當(dāng)今工業(yè)功耗的65％以上。通過(guò)安裝或升級(jí)到變頻器來(lái)優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)可以將設(shè)施的能耗降低多達(dá)70％。此外，變頻器的使用提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。
通過(guò)更嚴(yán)格的過(guò)程控制來(lái)提高產(chǎn)量
通過(guò)以最有效的速度運(yùn)行電機(jī)，可以減少錯(cuò)誤，從而提高生產(chǎn)水平，從而為您的公司帶來(lái)更高的收益。在傳送帶和皮帶上，您可以消除啟動(dòng)時(shí)的沖擊，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量。
延長(zhǎng)設(shè)備壽命并減少維護(hù)
由于變頻器可以最佳地控制電機(jī)的頻率和電壓，因此變頻器可以為您的電機(jī)提供更好的保護(hù)，使其免受電熱過(guò)載，相位保護(hù)，欠壓，過(guò)壓等問(wèn)題的影響。同時(shí)，變頻器啟動(dòng)負(fù)載時(shí)可以避免電機(jī)或驅(qū)動(dòng)負(fù)載受到線(xiàn)路起動(dòng)的“瞬間沖擊”，從而消除皮帶，齒輪和軸承的磨損。