變頻器（VFD）是控制交流感應(yīng)電機(jī)速度的電子設(shè)備。在研究它的工作原理以及如何使用它之前，我們先了解電機(jī)控制器的歷史以及電機(jī)本身的工作原理。

工業(yè)應(yīng)用經(jīng)常需要控制電動(dòng)機(jī)的速度。幾乎所有電機(jī)運(yùn)行都受益于對(duì)速度的控制。不僅可以從總體上改善流程, 而且為許多特殊情況（特別是使用泵和風(fēng)機(jī)）節(jié)約巨大的能源。

在電子控制器出現(xiàn)之前，電機(jī)的控制方式多種多樣，例如通過(guò)使用一系列電阻器控制直流電機(jī)上的勵(lì)磁電流，或使用其他電機(jī)。當(dāng)20世紀(jì)50年代第一代功率半導(dǎo)體晶閘管問(wèn)世時(shí)，就可以通過(guò)相位控制來(lái)控制直流電機(jī)的電樞電壓，從而控制其速度。這些直流驅(qū)動(dòng)器至今仍在生產(chǎn)和廣泛使用。

然而，控制交流感應(yīng)電機(jī)（又稱異步電動(dòng)機(jī)）的速度一直是個(gè)難題。 直流電機(jī)通常有兩個(gè)繞組（勵(lì)磁和電樞繞組）以及電刷和換向器，而交流電機(jī)有一個(gè)簡(jiǎn)單的固定繞組（定子）和一個(gè)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子通常由在鐵芯中澆鑄鋁或銅形成的導(dǎo)體組成。沒(méi)有電刷或換向器。因此更便宜、更簡(jiǎn)單、更可靠。這種結(jié)構(gòu)構(gòu)的電機(jī)是工業(yè)中使用最多的電機(jī)。 那么它們是如何工作的，它們?yōu)槭裁葱枰冾l器?

讓我們先看一個(gè)三相變壓器，如圖-1所示：圖-1 三相變壓器

如果將變壓器繞組連接到三相交流電源，則正弦電流將在初級(jí)繞組中流動(dòng)。電流將在變壓器的鐵芯中感應(yīng)出磁通量，該磁通量會(huì)隨著所施加的電壓（以及電流）交替變化而上升和下降，通常取決于電源系統(tǒng)，頻率為50或60 Hz。

然后，變化的磁通量將在次級(jí)繞組中感應(yīng)出電壓，并且如果連接了負(fù)載（或者即使繞組短路在一起），也會(huì)有電流流過(guò)。 初級(jí)和次級(jí)繞組的匝數(shù)比將決定初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的比值，這就是變頻器如此有用的原因。

現(xiàn)在想象一下，我們將繞組卷起來(lái)，在它們之間留一個(gè)小氣隙，然后讓次級(jí)繞組（現(xiàn)在稱為轉(zhuǎn)子）自由移動(dòng)。 這是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)，如圖2所示。圖-2 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)截面

因此，將三相電源連接到初級(jí)繞組（現(xiàn)在稱為定子）時(shí)，我們像以前一樣具有變壓器作用，并且電流在轉(zhuǎn)子（次級(jí)）繞組中流動(dòng)。 如上所述，如上所述，轉(zhuǎn)子通常由鐵芯內(nèi)的鑄造導(dǎo)體組成，鐵芯的兩端各有一個(gè)短路環(huán)。由于這種結(jié)構(gòu)看上去有點(diǎn)像圓形籠子（當(dāng)然不考慮鐵心?。?，因此有時(shí)將電動(dòng)機(jī)稱為鼠籠電機(jī)。 在圖2中，導(dǎo)體垂直于該圖，短路環(huán)未顯示。

圖-3 典型的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖-3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)切面圖

現(xiàn)在，如果我們有一個(gè)磁場(chǎng)和一個(gè)電流，我們就會(huì)得到一個(gè)力，根據(jù)弗萊明的左手定律，這將使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，所以我們就有了一個(gè)電動(dòng)機(jī)。但是，隨著電機(jī)的加速，它開(kāi)始“追趕”磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)實(shí)際上以三相電源的頻率繞定子旋轉(zhuǎn)-交替-旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，只要磁場(chǎng)不斷變化，我們就能得到變壓器的作用。變壓器只能與交流電一起使用。因此，如果轉(zhuǎn)子追上電源，則不再有變化的磁場(chǎng)，因此就沒(méi)有變壓器作用，也沒(méi)有轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩了。因此，標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機(jī)將始終比供電頻率稍慢一些。這種速度差稱為滑差。當(dāng)感應(yīng)電機(jī)加載時(shí)，滑差會(huì)稍微增加，會(huì)得到更大的電流，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)負(fù)載。因此，電機(jī)的速度基本上取決于所施加的頻率。在簡(jiǎn)單的感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用中，該速度通常比同步速度（無(wú)轉(zhuǎn)矩時(shí)）低幾個(gè)百分點(diǎn)。

將繞組或磁極的數(shù)量加倍，可以降低速度。 因此，以50（60）Hz電源運(yùn)行的帶有一對(duì)極的電機(jī)（兩極電機(jī)）將以每秒48（58）轉(zhuǎn)或2880（3480）rpm的速度運(yùn)行。 因此，最常見(jiàn)的四極電機(jī)以1440（1740）rpm的速度運(yùn)行。也有六極和八極電機(jī)，在特殊應(yīng)用中需要使用特殊電機(jī)來(lái)滿足要求。

圖-4顯示了交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典轉(zhuǎn)矩/速度關(guān)系。

圖-4 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩/速度特性

因此，如果要控制電機(jī)的速度，則需要改變應(yīng)用頻率。但是，如果我們?cè)O(shè)法改變頻率，則也需要注意電壓，因?yàn)槎ㄗ又械膭?lì)磁電流取決于電壓隨時(shí)間的積分。即正弦波曲線下的面積。 如果降低頻率，則正弦波的周期或長(zhǎng)度會(huì)增加，因此其下方的面積也會(huì)增加，從而導(dǎo)致電機(jī)中過(guò)大的勵(lì)磁電流。因此，如果我們降低頻率，我們還必須按比例降低施加到電動(dòng)機(jī)上的電壓。

在下一篇文章中，我們將討論如何使用變頻器。

在上一篇文章中，我們看到交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行速度取決于所施加的頻率，但速度略有降低，稱為滑差。 為了控制電機(jī)速度，我們將需要改變?cè)擃l率，并控制施加的電壓以保持最佳的磁通量或磁場(chǎng)。

幾乎所有的變頻器都是交流電源供電，使用整流器將其轉(zhuǎn)換為直流，然后使用逆變器將其轉(zhuǎn)換為變頻電源。 逆變器是其中的關(guān)鍵部分，因此有時(shí)將變頻器簡(jiǎn)稱為逆變器。

逆變器和小功率整流器都依賴于現(xiàn)代功率半導(dǎo)體，這些功率半導(dǎo)體可以切換并傳導(dǎo)高電壓（例如電源電壓）和數(shù)百安培的電流。 它們還需要功能強(qiáng)大的微處理器來(lái)控制它們。 這些組件在過(guò)去三十年左右才以合理的價(jià)格和可靠性得到廣泛應(yīng)用，因此交流變頻器是一種相對(duì)較新的工業(yè)產(chǎn)品。

它們是如何工作的?

讓我們從整流器開(kāi)始。圖-5所示三相整流器由六個(gè)二極管組成，分別連接到電容和電阻，電阻作為簡(jiǎn)單負(fù)載。

圖-5 帶電容器和電阻器負(fù)載的三相整流器   

二極管僅在一個(gè)方向上（在其指向的方向上）導(dǎo)通; 電容器像電池一樣儲(chǔ)存能量，電阻作為負(fù)載。如果將三相電源連接到左側(cè)的輸入，我們將開(kāi)始向電容器中注入電流，并且電壓會(huì)升高，導(dǎo)致電流流入電阻。可以通過(guò)一個(gè)上面的二極管，電容器/電阻再通過(guò)一個(gè)下面的二極管由一相到另一相的路徑傳導(dǎo)。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，電容器上的電壓非常接近輸入正弦波電壓的峰值?，F(xiàn)在，僅當(dāng)輸入電壓高于電容器電壓時(shí)，二極管才會(huì)導(dǎo)通。因此,有一個(gè)短的電流脈沖依次流過(guò)每個(gè)二極管，從而導(dǎo)致如圖所示，在三相的每相中均具有特征性的“雙峰”波形。如果我們使用單相電源，則只需要四個(gè)二極管，并且每半個(gè)周期將獲得一個(gè)峰值，因此我們需要一個(gè)更大的電容器來(lái)保持電壓峰值中的間隙。

在單相或三相系統(tǒng)上，這些電流脈沖可能會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生影響，我們將在后面介紹。 但是，我們現(xiàn)在在電容器上有一個(gè)相對(duì)平滑的直流電壓。 如果我們拆下電阻，然后連接逆變器，它看起來(lái)就像是變頻器（圖6）。由于直流部分連接整流器和逆變器，因此直流部分有時(shí)稱為直流鏈路。

圖-6 變頻器功率部分

現(xiàn)在繼續(xù)， 我們有六個(gè)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。 這些模塊開(kāi)關(guān)速度非?？?。 它們具有并聯(lián)的二極管，其原因?qū)⒆兊蔑@而易見(jiàn)。

現(xiàn)在，我們可以導(dǎo)通上下IGBT，并通過(guò)電機(jī)任何兩相連接提供電流回路。 要導(dǎo)通IGBT，我們只需向柵極施加幾伏電壓（此處未連接）。 然后，IGBT沿箭頭方向?qū)ā?根據(jù)我們導(dǎo)通的IGBT，我們可以通過(guò)電機(jī)創(chuàng)建正向或負(fù)向電流路徑。 因此可以從DC變成AC。

我們不會(huì)導(dǎo)通同一組上下兩個(gè)IGBT，因?yàn)檫@會(huì)將直流母線造成短路。相反，如果我們以嚴(yán)格控制的順序打開(kāi)和關(guān)閉IGBT，則可以在電動(dòng)機(jī)繞組中建立三相電流。如果我們改變打開(kāi)和關(guān)閉IGBT的時(shí)間，則可以控制此電流。這是因?yàn)殡姍C(jī)電流變化不是很快，因此通過(guò)增加和減少“接通”時(shí)間，我們可以選擇在電機(jī)中以幾乎任何希望的頻率建立正弦波電流。 當(dāng)然，這是我們要控制電機(jī)速度的方法。使用相同的技術(shù)，我們可以控制有效電壓，進(jìn)而控制磁場(chǎng)。

這種開(kāi)/關(guān)時(shí)間控制稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM），在圖7中簡(jiǎn)化顯示。 接通和斷開(kāi)六個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)為電機(jī)提供了電流路徑，并允許三相正弦波電流流過(guò)，從而以所需的速度旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

圖-7 脈沖寬度調(diào)制

如果我們每秒將IGBT開(kāi)關(guān)幾千次（通常在4至16kHz之間），我們可以建立一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的電流波形，如圖8所示。

圖-8 電機(jī)上的電壓和電流

注意，輸出電壓由許多脈沖而不是一個(gè)正弦波組成。 電機(jī)將電流平滑為鋸齒狀的正弦波，但電壓仍由IGBT的PWM波形組成。 這可能會(huì)引起問(wèn)題，我們將在后面討論。然而，電機(jī)可以接受鋸齒狀電流，并以所需的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)功率因數(shù)，電機(jī)電流與“平均”電壓不同步。

那么，逆變器中的二極管在做什么呢？ 好吧，電機(jī)中的電流不會(huì)很快變化，因此，當(dāng)我們關(guān)閉IGBT時(shí)，電流需要持續(xù)流動(dòng)，否則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。 二極管通過(guò)接通或換向電流自動(dòng)提供該電流路徑。 因此命名為換向或飛輪二極管。

逆變器非常難以控制-被描述為等待發(fā)生的短路，但是現(xiàn)代功率半導(dǎo)體非常堅(jiān)固，而且快速，強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器可對(duì)通斷進(jìn)行可靠，精確的控制。

順便說(shuō)一下，變頻器的電源部分都連接到了交流電源，并使用工業(yè)三相電源在300V（帶有230V AC輸入）到600-900V的DC電壓下工作。 因此，控制電路，用戶界面和電源部分之間的內(nèi)部隔離至關(guān)重要。

在下一篇文章中，我們將研究變頻器的實(shí)際設(shè)計(jì)，其中包括保護(hù)，冷卻和用戶接口等。