变频器的历史

特斯拉于1888年首次推出三相交流（AC）感应电机，这项新的发明比爱迪生的直流（DC）电机更有效，更可靠。但是，交流电动机速度控制需要改变磁通量或改变电动机的极数。这使得感应电机得到广泛使用几十年后，改变速度控制的频率仍然是一项极其困难的任务，因为电机的物理结构使制造商无法制造速度超过两种的电机。

因此，在需要精确的速度控制和大功率输出的情况下，DC电机是必需的。与交流电机速度控制要求相比，直流电机速度控制是通过将可变电阻器插入低功率直流电路来实现的，这在现有技术中是可行的。这些简单的电机控制装置改变了速度和扭矩，并且是几十年来最经济的方式。

到20世纪80年代，交流电机驱动技术变得可靠且价格低廉，足以与传统的直流电机控制竞争。这些变频驱动器可精确控制标准交流感应或同步电机的速度。对变频器来说，可以控制从0 rpm到最大额定速度的全转矩控制，而且在需要的情况下，还可以在减小的转矩下高于额定速度。

变频器通过将输入的AC电流整流为DC来操纵其输出频率，然后使用电压脉冲宽度调制来重建AC电流和电压输出波形。但是，这种频率转换过程会导致变频器损失2％至3％的热量，而且还会产生电压突波和谐波电流畸变。

什么是变频器？

变频器是一种电动机控制器，通过改变提供给电动机的频率和电压来驱动电动机。

所谓频率（或赫兹）与电机速度（RPM）直接相关。换句话说，频率越快，RPM越快。如果应用不需要电动机全速运行，变频器可用于降低频率和电压，以满足电动机负载的要求。随着应用的电机速度要求发生变化，变频器可以简单地调高或调低电机速度以满足速度要求。

变频器的类型

目前有三种常见类型的变频器。电流源型变频器（CSI）已成功用于信号处理和工业电源应用。CSI 变频器是唯一具有再生功率能力的类型。换句话说，它们可以吸收从电机回流到电源的功率流。CSI 变频器提供非常干净的电流波形，但在其结构中需要大而昂贵的电感器，并导致低于6 Hz的齿槽效应（旋转期间的脉动运动）。

电压源型变频器（VSI）的功率因数较差，可能导致电机齿槽电压低于6 Hz，并且不再生。因此，CSI和VSI变频器器尚未被广泛使用。

脉波宽度调变（PWM）变频器是工业中最常用的，因为固定的直流母线电压具有出色的输入功率因数，没有电机齿槽效应，效率更高，成本更低。PWM 变频器使用一系列不同长度的电压脉冲来模拟正弦波。理想情况下，脉冲定时，以便驱动器的时间平均积分产生完美的正弦曲线。产生该波形的当前选择方法是通过比较器运行三角波和正弦波，并且只要正弦波的值大于三角波，就输出电压脉冲。用于产生电压脉冲的当前电气元件是绝缘栅双极晶体管（IGBT），尽管可控硅整流器（SCR）也可以工作。在不久的将来，注入增强型栅极晶体管（IEGT）将用于执行此任务。更长远来说，忆阻器可能会成为这项任务的首选组成部分。

变频器如何工作？

变频器的第一个阶段是转换器。转换器由六个二极管组成，类似于管道系统中使用的止回阀。它们允许电流仅在一个方向流动; 二极管符号中箭头所示的方向。例如，每当A相电压（电压类似于管道系统中的压力）比B或C相电压更正时，那么该二极管将打开并允许电流流动。当B相比A相更正时，B相二极管将打开，A相二极管将关闭。对于总线负侧的3个二极管也是如此。因此，当每个二极管打开和关闭时，我们得到六个电流“脉冲”。这称为“六脉冲变频器”，这是当前变频器的标准配置。

我们假设驱动器在480V电源系统上运行。480V等级为均方根。480V系统的峰值为679V。如您所见，变频器直流总线具有带交流纹波的直流电压。电压在大约580V和680V之间。

我们可以通过增加一个电容来消除直流母线上的交流纹波。电容器以类似于管道系统中的储存器或蓄电池的方式操作。该电容吸收交流纹波并提供平滑的直流电压。直流母线上的交流纹波通常小于3伏。因此，DC总线上的电压变为大约650VDC。实际电压取决于为变频器供电的交流线路的电压水平，电力系统的电压不平衡水平，电机负载，电力系统的阻抗以及变频器上的任何电抗器或谐波滤波器。

将AC转换为DC的二极管桥转换器有时也称为转换器。将直流电转换为交流电的转换器也是转换器，但为了将其与二极管转换器区分开来，它通常被称为“逆变器”。在任何工业中，将任何DC-AC转换器称为逆变器已经变得很普遍。

注意，在实际的变频器中，所示的开关实际上是晶体管或晶闸管。

当我们关闭逆变器中的一个顶部开关时，电机的该相连接到正直流总线，并且该相上的电压变为正。当我们关闭转换器中的一个底部开关时，该相连接到负直流总线并变为负极。因此，我们可以使电机上的任何相位随意变为正或负，从而可以产生我们想要的任何频率。因此，我们可以使任何阶段为正，负或零。

显示蓝色正弦波仅用于比较目的。驱动器不会生成此正弦波。

请注意，变频器的输出是“矩形”波形。变频器不产生正弦输出。对于通用配电系统，这种矩形波形不是一个好的选择，但对于电机来说是完全合适的。

如果我们想将电机频率降低到30 Hz，那么我们只需更慢地切换逆变器输出晶体管。但是，如果我们将频率降低到30Hz，那么我们还必须将电压降低到240V以保持V / Hz比。如果我们唯一的电压是650VDC，我们如何降低电压呢？

这称为脉冲宽度调制或PWM。想象一下，我们可以通过高速打开和关闭阀门来控制水管中的压力。虽然这对于管道系统来说不实用，但它对变频器来说效果很好。请注意，在前半个周期中，电压开和关的时间各占一半。因此，平均电压是480V或240V的一半。通过脉冲输出，我们可以在变频器的输出上实现任何平均电压。

我为什么要使用变频器？

降低能源消耗和能源成本

如果您的应用不需要全速运行，那么您可以通过使用变频器控制电机来降低能源成本，这是变频器的优势之一。变频器允许您将电机驱动设备的速度与负载要求相匹配。没有其他交流电动机控制方法可以让您实现这一目标。

电动机系统占当今工业功耗的65％以上。通过安装或升级到变频器来优化电机控制系统可以将设施的能耗降低多达70％。此外，变频器的使用提高了产品质量，降低了生产成本。

通过更严格的过程控制来提高产量

通过以最有效的速度运行电机，可以减少错误，从而提高生产水平，从而为您的公司带来更高的收益。在传送带和皮带上，您可以消除启动时的冲击，从而实现高产量。

延长设备寿命并减少维护

由于变频器可以最佳地控制电机的频率和电压，因此变频器可以为您的电机提供更好的保护，使其免受电热过载，相位保护，欠压，过压等问题的影响。同时，变频器启动负载时可以避免电机或驱动负载受到线路起动的“瞬间冲击”，从而消除皮带，齿轮和轴承的磨损。