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，這項新的發(fā)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(shù)。這使得感應(yīng)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(wù)，因為電機的物理結(jié)構(gòu)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(xiàn)的，這在現(xiàn)有技術(shù)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(jīng)濟的方式。
到20世紀(jì)80年代，交流電機驅(qū)動技術(shù)變得可靠且價格低廉，足以與傳統(tǒng)的直流電機控制競爭。這些變頻驅(qū)動器可精確控制標(biāo)準(zhǔn)交流感應(yīng)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(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(diào)制來重建AC電流和電壓輸出波形。但是，這種頻率轉(zhuǎn)換過程會導(dǎo)致變頻器損失2％至3％的熱量，而且還會產(chǎn)生電壓突波和諧波電流畸變。
什么是變頻器？
變頻器是一種電動機控制器，通過改變提供給電動機的頻率和電壓來驅(qū)動電動機。
所謂頻率（或赫茲）與電機速度（RPM）直接相關(guān)。換句話說，頻率越快，RPM越快。如果應(yīng)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(fù)載的要求。隨著應(yīng)用的電機速度要求發(fā)生變化，變頻器可以簡單地調(diào)高或調(diào)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(yè)電源應(yīng)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(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)期間的脈動運動）。
電壓源型變頻器（VSI）的功率因數(shù)較差，可能導(dǎo)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(diào)變（PWM）變頻器是工業(yè)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(shù)，沒有電機齒槽效應(yīng)，效率更高，成本更低。PWM 變頻器使用一系列不同長度的電壓脈沖來模擬正弦波。理想情況下，脈沖定時，以便驅(qū)動器的時間平均積分產(chǎn)生完美的正弦曲線。產(chǎn)生該波形的當(dāng)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(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，注入增強型柵極晶體管（IEGT）將用于執(zhí)行此任務(wù)。更長遠(yuǎn)來說，憶阻器可能會成為這項任務(wù)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(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器由六個二極管組成，類似于管道系統(tǒng)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(dāng)A相電壓（電壓類似于管道系統(tǒng)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(dāng)B相比A相更正時，B相二極管將打開，A相二極管將關(guān)閉。對于總線負(fù)側(cè)的3個二極管也是如此。因此，當(dāng)每個二極管打開和關(guān)閉時，我們得到六個電流“脈沖”。這稱為“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)動器在480V電源系統(tǒng)上運行。480V等級為均方根。480V系統(tǒng)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(tǒng)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?yōu)榇蠹s650VDC。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(tǒng)的電壓不平衡水平，電機負(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)換器有時也稱為轉(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)分開來，它通常被稱為“逆變器”。在任何工業(yè)中，將任何DC-AC轉(zhuǎn)換器稱為逆變器已經(jīng)變得很普遍。
注意，在實際的變頻器中，所示的開關(guān)實際上是晶體管或晶閘管。
當(dāng)我們關(guān)閉逆變器中的一個頂部開關(guān)時，電機的該相連接到正直流總線，并且該相上的電壓變?yōu)檎．?dāng)我們關(guān)閉轉(zhuǎn)換器中的一個底部開關(guān)時，該相連接到負(fù)直流總線并變?yōu)樨?fù)極。因此，我們可以使電機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(chǎn)生正弦輸出。對于通用配電系統(tǒng)，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?nèi)绾谓档碗妷耗兀?/p>
這稱為脈沖寬度調(diào)制或PWM。想象一下，我們可以通過高速打開和關(guān)閉閥門來控制水管中的壓力。雖然這對于管道系統(tǒng)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(guān)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(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(yōu)勢之一。變頻器允許您將電機驅(qū)動設(shè)備的速度與負(fù)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(xiàn)這一目標(biāo)。
電動機系統(tǒng)占當(dāng)今工業(yè)功耗的65％以上。通過安裝或升級到變頻器來優(yōu)化電機控制系統(tǒng)可以將設(shè)施的能耗降低多達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。
通過更嚴(yán)格的過程控制來提高產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)高產(chǎn)量。
延長設(shè)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(fù)載時可以避免電機或驅(qū)動負(fù)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。