變頻驅動(VFD)–電路圖、工作原理、型別、優點、缺點和套用
有不同的大型馬達的型別用於耗電量非常高的行業。為了提高交流電機的效率並提供速度控制，這些電機配備了VFD(變頻驅動)。除了速度控制，它們還提供相位保護，過壓保護和過電流保護.
什麽是變頻器？
VFD代表變頻驅動器，顧名思義，它是一種可調節頻率的驅動器，可以改變交流電源的頻率。由於感應電機的速度取決於電源頻率，VFD可用於改變其速度。VFD是一種功率轉換器，它使用電子電路將固定頻率和固定電壓轉換成可變頻率和可變電壓。它甚至可以透過提高頻率使電機以超過額定速度的速度執行。由於其可編程和易於使用的使用者介面，它可以很容易地用來監測和保持電機的速度。
VFD電路圖
通常，VFD由四個塊或部份組成，每個部份都有自己的功能。VFD的四個模組或部份是整流器, DC匯流排/過濾器, 換流器和控制部件。VFD的框圖也在下面給出。
下面將詳細解釋每個模組。
VFD的工作：VFD的主要功能是改變交流電源的工作頻率。簡而言之，它將交流電轉換成DC，然後轉換成頻率可調的交流電，但該操作使用四個VFD模組或部份。這些部份是整流器部份、DC匯流排/濾波器部份、逆變器部份和控制單元部份。每一個電路解釋如下。
整流器：輸入交流電源連線到整流器VFD的一部份。它是一個全波整流器，將交流電轉換成未經過濾的DC。
它是由6或4個二極體或者半導體閘流管。六個二極體用於三相電源轉換，而四個橋式二極體用於單相交流電源轉換。而二極體整流器用於不受控制的轉換，而閘流體提供改變輸出DC功率的受控開關。
給定電路代表一個三相二極體整流器。它由6個二極體組成，每相連線一對二極體進行整流。六個二極體中的三個正向偏置連線正DC輸出，而其余三個反向偏置連線負DC輸出。
整流器將正弦輸入轉換為脈動DC，在最大正峰值和零伏之間擺動。為了直觀的表示，電路給出了輸入和輸出波形。
DC匯流排和過濾器：該中間部份用於過濾和儲存逆變器獲取的DC功率。它的主要功能過濾是從整流器的脈動DC輸出中消除波紋。
它主要由電容器組成，用於過濾脈動DC中的波紋，並將其儲存起來。根據紋波的型別，它可能還包括一個電感。
逆變器：這是換流器或者將穩定的DC轉換成頻率可調的交流的開關部份。
它是由力量構成的晶體管或者IGBTs。它們快速切換，在輸出端提供交流電壓。它的開關頻率確定輸出交流頻率。然而，IGBTs的開關速率是透過控制單元控制的。
有4個IGBT用於單相轉換，而6個IGBT用於三相功率轉換。
該控制單元：該部份是控制單元，負責控制開關操作、輸出頻率、輸出功率。它與使用者介面和傳感器整合在一起，以獲取必要的數據。它還監控故障情況。
控制單元包括一個嵌入式微處理器，用於控制整流器和逆變器部份。它可以在微秒內對任何故障情況做出反應。來自速度傳感器的反饋數據用於監控速度，並根據需要進行調整。
VFD的型別：基於功率轉換的方法，有三種型別的VFD。
VSI型變頻器：VSI或電壓源逆變器型VFD是最常見的型別。它提供取決於輸出頻率的平滑電壓波形。它有一個非常簡單的設計，包括一個簡單的二極體整流器和一個用於過濾和儲存DC能量的電容器。然後使用逆變器將DC電壓轉換成交流電。他們提供了非常好的執行速度和控制多個電機。
VSI的缺點是他們有功率因數差以及它們在低於6 Hz的低頻下引起電機齒槽效應。除此之外，它們還是不可再生的，也就是說，它們不能儲存從電機流回的能量。
優勢：以下是VSI VFD的一些優勢
不足之處：以下是基於VSI的VFD的一些缺點
CSI型VFD：與VSI型的平滑電壓波形相反，CSI或電流源逆變器型VFD提供平滑的電流波形。它利用大電感和昂貴的電感來儲存和傳遞穩定的DC電流。
它由矽控整流器組成，用於交流到DC的轉換，並帶有一系列電感器，用於過濾和儲存DC電流。逆變器將DC電流轉換成交流電。
CSI型VFD具有再生功率能力，即它們儲存從負載(如電機)流回的能量。但是它們也會在低於6Hz的低頻下引起電機齒槽效應。它們主要用於訊號處理。
優勢：以下是基於CSI的VFD的一些優勢
不足之處：以下是基於CSI的VFD的一些缺點
PWM型變頻器：PWM或脈沖寬度調變是一種改變訊號占空比以改變平均輸出功率的技術。基於PWM的VFD使用不同占空比的固定DC電壓脈沖來模擬正弦波形。它是VSI的改進版本，因此，它提供了穩定的電壓與改善的功率因數。
它有一個簡單的二極體橋式整流器，將交流電轉換成DC。控制單元被編程為透過調節逆變器的開關速度來控制逆變輸出的占空比。它還要求在其輸出端有一個額外的調節器來調節電壓脈沖電壓和電流波形。
這是VFD中最常用的方法，因為它比VSI和CSI VFD有許多優點。例如，它不會在效率提高的電機中引起齒槽效應。它有更好的功率因數。但是它們的設計和實作非常復雜。它們還需要額外的電路電壓和目前的監管。
優勢：以下是基於PWM的VFD的一些優點
不足之處：以下是基於PWM的VFD的一些缺點
VFD的優勢
VFD不僅提供變速控制，還透過提高效率和簡單控制提供節能。以下是VFD的一些優勢或好處
提高效率:
與變頻方法相比，使用變壓方法的傳統速度控制浪費了大量能量。因此，VFD在工業中用於提高電機效率和節約大量能源。
精確控制:
VFD允許使用傳感器對速度進行更嚴格的控制，使電機以不會造成阻礙的有效速度執行，並提高工業中的生產速度。
限制湧入電流:
浪湧電流是感應電機啟動時產生的巨大啟動電流。比其額定電流大5到8倍。它會損壞電機的繞組。VFD可以安全地限制啟動電流，是感應電機啟動的方法之一。
延長機械壽命:
它可以安全地啟動和停止電機，逐漸改變速度，沒有任何機械沖擊。它延長了電機的機械壽命。
減少維護:
電機的平穩執行減少了機械應力，消除了沖擊，最終減少了這種電機所需的維護。從而降低長期成本。
功率因數:
功率因數不佳會導致無功功率損耗，即以熱量形式浪費的能量。異步馬達通常具有低功率因數。VFD提高了功率因數，以利用力量更有效率。
保護:
VFD還可以提供過載、過壓和缺相保護。在這種故障的情況下，它立即停止供電電流，以保護連線的負載免受損壞。
易於安裝
:它們易於安裝和操作，因為它們是在制造過程中編程的，具有易於操作和友好的使用者介面。
VFD的缺點
VFD有許多優點，但它們都有一些成本。以下是VFD的一些缺點。
初始成本:
VFD比直接線上或跨線電機起動器昂貴。因此，在大型工廠中安裝VFD的初始成本相當高。
特殊電機設計:
VFD基於PWM的交流輸出不是純正弦波。它會在普通交流電機的繞組中產生應力，從而使繞組絕緣變熱並退化。因此，使用VFD執行時，需要一台具有改進絕緣設計的專用電機，額定用於PWM逆變器。
諧波:
VFD會在電源中產生諧波。整流器電路的非線性電流消耗在電源中產生失真，影響並聯的電氣裝置。因此，它需要額外的諧波濾波器。
復雜操作:
與直接線上DOL或跨線啟動器相比，VFD的操作和設定較為復雜。現代VFD具有更友好的使用者介面，但仍然無法與直接線上啟動器簡單的按鈕操作競爭。
極端環境:
與DOL啟動器相比，VFD中的電子電路非常敏感，其執行會受到極冷或極熱的影響。它需要額外的措施來應對這種極端的環境。
VFD的套用：VFD的主要功能是改變交流電源頻率，但它也可以改變電壓。下面是VFD的一些套用。
