什么是变频器？

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供水和水处理行业使用变频器来节约能源和改善控制

变频器（VFD）是控制交流感应电机速度的电子设备。在研究它的工作原理以及如何使用它之前，我们先了解电机控制器的历史以及电机本身的工作原理。

工业应用经常需要控制电动机的速度。几乎所有电机运行都受益于对速度的控制。不仅可以从总体上改善流程, 而且为许多特殊情况（特别是使用泵和风机）节约巨大的能源。

在电子控制器出现之前，电机的控制方式多种多样，例如通过使用一系列电阻器控制直流电机上的励磁电流，或使用其他电机。当20世纪50年代第一代功率半导体晶闸管问世时，就可以通过相位控制来控制直流电机的电枢电压，从而控制其速度。这些直流驱动器至今仍在生产和广泛使用。

然而，控制交流感应电机（又称异步电动机）的速度一直是个难题。直流电机通常有两个绕组（励磁和电枢绕组）以及电刷和换向器，而交流电机有一个简单的固定绕组（定子）和一个转子。转子通常由在铁芯中浇铸铝或铜形成的导体组成。没有电刷或换向器。因此更便宜、更简单、更可靠。这种结构构的电机是工业中使用最多的电机。那么它们是如何工作的，它们为什么需要变频器?

让我们先看一个三相变压器，如图-1所示：图-1 三相变压器

如果将变压器绕组连接到三相交流电源，则正弦电流将在初级绕组中流动。电流将在变压器的铁芯中感应出磁通量，该磁通量会随着所施加的电压（以及电流）交替变化而上升和下降，通常取决于电源系统，频率为50或60 Hz。

然后，变化的磁通量将在次级绕组中感应出电压，并且如果连接了负载（或者即使绕组短路在一起），也会有电流流过。初级和次级绕组的匝数比将决定初级电压和次级电压的比值，这就是变频器如此有用的原因。

现在想象一下，我们将绕组卷起来，在它们之间留一个小气隙，然后让次级绕组（现在称为转子）自由移动。这是感应电动机的基础，如图2所示。图-2 交流感应电动机截面

因此，将三相电源连接到初级绕组（现在称为定子）时，我们像以前一样具有变压器作用，并且电流在转子（次级）绕组中流动。如上所述，如上所述，转子通常由铁芯内的铸造导体组成，铁芯的两端各有一个短路环。由于这种结构看上去有点像圆形笼子（当然不考虑铁心！），因此有时将电动机称为鼠笼电机。在图2中，导体垂直于该图，短路环未显示。

图-3 典型的电动机结构。

图-3 感应电动机切面图

现在，如果我们有一个磁场和一个电流，我们就会得到一个力，根据弗莱明的左手定律，这将使转子转动，所以我们就有了一个电动机。但是，随着电机的加速，它开始“追赶”磁场，该磁场实际上以三相电源的频率绕定子旋转-交替-旋转。现在，只要磁场不断变化，我们就能得到变压器的作用。变压器只能与交流电一起使用。因此，如果转子追上电源，则不再有变化的磁场，因此就没有变压器作用，也没有转子电流和转矩了。因此，标准感应电机将始终比供电频率稍慢一些。这种速度差称为滑差。当感应电机加载时，滑差会稍微增加，会得到更大的电流，电机转动带动负载。因此，电机的速度基本上取决于所施加的频率。在简单的感应电机应用中，该速度通常比同步速度（无转矩时）低几个百分点。

将绕组或磁极的数量加倍，可以降低速度。因此，以50（60）Hz电源运行的带有一对极的电机（两极电机）将以每秒48（58）转或2880（3480）rpm的速度运行。因此，最常见的四极电机以1440（1740）rpm的速度运行。也有六极和八极电机，在特殊应用中需要使用特殊电机来满足要求。

图-4显示了交流感应电动机的经典转矩/速度关系。

图-4 交流感应电动机的转矩/速度特性

因此，如果要控制电机的速度，则需要改变应用频率。但是，如果我们设法改变频率，则也需要注意电压，因为定子中的励磁电流取决于电压随时间的积分。即正弦波曲线下的面积。如果降低频率，则正弦波的周期或长度会增加，因此其下方的面积也会增加，从而导致电机中过大的励磁电流。因此，如果我们降低频率，我们还必须按比例降低施加到电动机上的电压。

在下一篇文章中，我们将讨论如何使用变频器。

借助变频器的控制，在现代化工厂中搬运货物既方便又快捷

在上一篇文章中，我们看到交流感应电机的运行速度取决于所施加的频率，但速度略有降低，称为滑差。为了控制电机速度，我们将需要改变该频率，并控制施加的电压以保持最佳的磁通量或磁场。

几乎所有的变频器都是交流电源供电，使用整流器将其转换为直流，然后使用逆变器将其转换为变频电源。逆变器是其中的关键部分，因此有时将变频器简称为逆变器。

逆变器和小功率整流器都依赖于现代功率半导体，这些功率半导体可以切换并传导高电压（例如电源电压）和数百安培的电流。它们还需要功能强大的微处理器来控制它们。这些组件在过去三十年左右才以合理的价格和可靠性得到广泛应用，因此交流变频器是一种相对较新的工业产品。

它们是如何工作的?

让我们从整流器开始。图-5所示三相整流器由六个二极管组成，分别连接到电容和电阻，电阻作为简单负载。

图-5 带电容器和电阻器负载的三相整流器

二极管仅在一个方向上（在其指向的方向上）导通; 电容器像电池一样储存能量，电阻作为负载。如果将三相电源连接到左侧的输入，我们将开始向电容器中注入电流，并且电压会升高，导致电流流入电阻。可以通过一个上面的二极管，电容器/电阻再通过一个下面的二极管由一相到另一相的路径传导。

在稳定状态下，电容器上的电压非常接近输入正弦波电压的峰值。现在，仅当输入电压高于电容器电压时，二极管才会导通。因此,有一个短的电流脉冲依次流过每个二极管，从而导致如图所示，在三相的每相中均具有特征性的“双峰”波形。如果我们使用单相电源，则只需要四个二极管，并且每半个周期将获得一个峰值，因此我们需要一个更大的电容器来保持电压峰值中的间隙。

在单相或三相系统上，这些电流脉冲可能会对电源产生影响，我们将在后面介绍。但是，我们现在在电容器上有一个相对平滑的直流电压。如果我们拆下电阻，然后连接逆变器，它看起来就像是变频器（图6）。由于直流部分连接整流器和逆变器，因此直流部分有时称为直流链路。

图-6 变频器功率部分

现在继续，我们有六个绝缘栅双极晶体管（IGBT）。这些模块开关速度非常快。它们具有并联的二极管，其原因将变得显而易见。

现在，我们可以导通上下IGBT，并通过电机任何两相连接提供电流回路。要导通IGBT，我们只需向栅极施加几伏电压（此处未连接）。然后，IGBT沿箭头方向导通。根据我们导通的IGBT，我们可以通过电机创建正向或负向电流路径。因此可以从DC变成AC。

我们不会导通同一组上下两个IGBT，因为这会将直流母线造成短路。相反，如果我们以严格控制的顺序打开和关闭IGBT，则可以在电动机绕组中建立三相电流。如果我们改变打开和关闭IGBT的时间，则可以控制此电流。这是因为电机电流变化不是很快，因此通过增加和减少“接通”时间，我们可以选择在电机中以几乎任何希望的频率建立正弦波电流。当然，这是我们要控制电机速度的方法。使用相同的技术，我们可以控制有效电压，进而控制磁场。

这种开/关时间控制称为脉冲宽度调制（PWM），在图7中简化显示。接通和断开六个IGBT的开关为电机提供了电流路径，并允许三相正弦波电流流过，从而以所需的速度旋转电机。