变频驱动(VFD)–电路图、工作原理、类型、优点、缺点和应用
有不同的大型电动机的类型用于耗电量非常高的行业。为了提高交流电机的效率并提供速度控制，这些电机配备了VFD(变频驱动)。除了速度控制，它们还提供相位保护，过压保护和过电流保护.
什么是变频器？
VFD代表变频驱动器，顾名思义，它是一种可调节频率的驱动器，可以改变交流电源的频率。由于感应电机的速度取决于电源频率，VFD可用于改变其速度。VFD是一种功率转换器，它使用电子电路将固定频率和固定电压转换成可变频率和可变电压。它甚至可以通过提高频率使电机以超过额定速度的速度运行。由于其可编程和易于使用的用户界面，它可以很容易地用来监测和保持电机的速度。
VFD电路图
通常，VFD由四个块或部分组成，每个部分都有自己的功能。VFD的四个模块或部分是整流器, DC总线/过滤器, 换流器和控制部件。VFD的框图也在下面给出。
下面将详细解释每个模块。
VFD的工作：VFD的主要功能是改变交流电源的工作频率。简而言之，它将交流电转换成DC，然后转换成频率可调的交流电，但该操作使用四个VFD模块或部分。这些部分是整流器部分、DC总线/滤波器部分、逆变器部分和控制单元部分。每一个电路解释如下。
整流器：输入交流电源连接到整流器VFD的一部分。它是一个全波整流器，将交流电转换成未经过滤的DC。
它是由6或4个二极管或者半导体闸流管。六个二极管用于三相电源转换，而四个桥式二极管用于单相交流电源转换。而二极管整流器用于不受控制的转换，而晶闸管提供改变输出DC功率的受控开关。
给定电路代表一个三相二极管整流器。它由6个二极管组成，每相连接一对二极管进行整流。六个二极管中的三个正向偏置连接正DC输出，而其余三个反向偏置连接负DC输出。
整流器将正弦输入转换为脉动DC，在最大正峰值和零伏之间摆动。为了直观的表示，电路给出了输入和输出波形。
DC总线和过滤器：该中间部分用于过滤和存储逆变器获取的DC功率。它的主要功能过滤是从整流器的脉动DC输出中消除波纹。
它主要由电容器组成，用于过滤脉动DC中的波纹，并将其储存起来。根据纹波的类型，它可能还包括一个电感。
逆变器：这是换流器或者将稳定的DC转换成频率可调的交流的开关部分。
它是由力量构成的晶体管或者IGBTs。它们快速切换，在输出端提供交流电压。它的开关频率确定输出交流频率。然而，IGBTs的开关速率是通过控制单元控制的。
有4个IGBT用于单相转换，而6个IGBT用于三相功率转换。
该控制单元：该部分是控制单元，负责控制开关操作、输出频率、输出功率。它与用户界面和传感器集成在一起，以获取必要的数据。它还监控故障情况。
控制单元包括一个嵌入式微处理器，用于控制整流器和逆变器部分。它可以在微秒内对任何故障情况做出反应。来自速度传感器的反馈数据用于监控速度，并根据需要进行调整。
VFD的类型：基于功率转换的方法，有三种类型的VFD。
VSI型变频器：VSI或电压源逆变器型VFD是最常见的类型。它提供取决于输出频率的平滑电压波形。它有一个非常简单的设计，包括一个简单的二极管整流器和一个用于过滤和存储DC能量的电容器。然后使用逆变器将DC电压转换成交流电。他们提供了非常好的运行速度和控制多个电机。
VSI的缺点是他们有功率因数差以及它们在低于6 Hz的低频下引起电机齿槽效应。除此之外，它们还是不可再生的，也就是说，它们不能储存从电机流回的能量。
优势：以下是VSI VFD的一些优势
不足之处：以下是基于VSI的VFD的一些缺点
CSI型VFD：与VSI型的平滑电压波形相反，CSI或电流源逆变器型VFD提供平滑的电流波形。它利用大电感和昂贵的电感来存储和传递稳定的DC电流。
它由可控硅整流器组成，用于交流到DC的转换，并带有一系列电感器，用于过滤和存储DC电流。逆变器将DC电流转换成交流电。
CSI型VFD具有再生功率能力，即它们存储从负载(如电机)流回的能量。但是它们也会在低于6Hz的低频下引起电机齿槽效应。它们主要用于信号处理。
优势：以下是基于CSI的VFD的一些优势
不足之处：以下是基于CSI的VFD的一些缺点
PWM型变频器：PWM或脉冲宽度调制是一种改变信号占空比以改变平均输出功率的技术。基于PWM的VFD使用不同占空比的固定DC电压脉冲来模拟正弦波形。它是VSI的改进版本，因此，它提供了稳定的电压与改善的功率因数。
它有一个简单的二极管桥式整流器，将交流电转换成DC。控制单元被编程为通过调节逆变器的开关速度来控制逆变输出的占空比。它还要求在其输出端有一个额外的调节器来调节电压脉冲电压和电流波形。
这是VFD中最常用的方法，因为它比VSI和CSI VFD有许多优点。例如，它不会在效率提高的电机中引起齿槽效应。它有更好的功率因数。但是它们的设计和实现非常复杂。它们还需要额外的电路电压和目前的监管。
优势：以下是基于PWM的VFD的一些优点
不足之处：以下是基于PWM的VFD的一些缺点
VFD的优势
VFD不仅提供变速控制，还通过提高效率和简单控制提供节能。以下是VFD的一些优势或好处
提高效率:
与变频方法相比，使用变压方法的传统速度控制浪费了大量能量。因此，VFD在工业中用于提高电机效率和节约大量能源。
精确控制:
VFD允许使用传感器对速度进行更严格的控制，使电机以不会造成阻碍的有效速度运行，并提高工业中的生产速度。
限制涌入电流:
浪涌电流是感应电机启动时产生的巨大启动电流。比其额定电流大5到8倍。它会损坏电机的绕组。VFD可以安全地限制启动电流，是感应电机启动的方法之一。
延长机械寿命:
它可以安全地启动和停止电机，逐渐改变速度，没有任何机械冲击。它延长了电机的机械寿命。
减少维护:
电机的平稳运行减少了机械应力，消除了冲击，最终减少了这种电机所需的维护。从而降低长期成本。
功率因数:
功率因数不佳会导致无功功率损耗，即以热量形式浪费的能量。异步电动机通常具有低功率因数。VFD提高了功率因数，以利用力量更有效率。
保护:
VFD还可以提供过载、过压和缺相保护。在这种故障的情况下，它立即停止供电电流，以保护连接的负载免受损坏。
易于安装
:它们易于安装和操作，因为它们是在制造过程中编程的，具有易于操作和友好的用户界面。
VFD的缺点
VFD有许多优点，但它们都有一些成本。以下是VFD的一些缺点。
初始成本:
VFD比直接在线或跨线电机起动器昂贵。因此，在大型工厂中安装VFD的初始成本相当高。
特殊电机设计:
VFD基于PWM的交流输出不是纯正弦波。它会在普通交流电机的绕组中产生应力，从而使绕组绝缘变热并退化。因此，使用VFD运行时，需要一台具有改进绝缘设计的专用电机，额定用于PWM逆变器。
谐波:
VFD会在电源中产生谐波。整流器电路的非线性电流消耗在电源中产生失真，影响并联的电气设备。因此，它需要额外的谐波滤波器。
复杂操作:
与直接在线DOL或跨线启动器相比，VFD的操作和设置较为复杂。现代VFD具有更友好的用户界面，但仍然无法与直接在线启动器简单的按钮操作竞争。
极端环境:
与DOL启动器相比，VFD中的电子电路非常敏感，其运行会受到极冷或极热的影响。它需要额外的措施来应对这种极端的环境。
VFD的应用：VFD的主要功能是改变交流电源频率，但它也可以改变电压。下面是VFD的一些应用。
