變頻器到底是如何變頻的？

在自動感應(yīng)電動機(jī)出現(xiàn)以來，交流發(fā)電機(jī)的形式已經(jīng)存在變頻操作。更改發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并更改其輸出頻率。在高速晶體管出現(xiàn)之前，這是改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的主要途徑之一，但由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低了輸出頻率而不是電壓，頻率變化受到限制。

因此，我們來看一下變頻器的組件，看看它們是如何實際一起工作的，以改變頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

01?變頻器元件-整流器

由于在交流模式下很難改變交流正弦波的頻率，變頻器的第一項工作就是將波形轉(zhuǎn)換為直流。為了使它看起來像AC，操作DC相對容易。所有變頻器的第一個組成部分是一個被稱為整流器或轉(zhuǎn)換器的設(shè)備，如下圖所示：

變頻整流器

整流器電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，其工作方式與電池充電器或電弧焊機(jī)的方式大致相同。它使用一個二極管電橋來限制交流正弦波只向一個方向移動。其結(jié)果是完全整流的交流波形被直流電路解釋為本地直流波形。三相變頻器接受三個獨(dú)立的交流輸入相并將其轉(zhuǎn)換為單個直流輸出。

大多數(shù)三相變頻器也可以接受單相（230V或460V）電源，但由于只有兩個輸入支路，所以變頻器輸出（HP）必須降額，因為所產(chǎn)生的直流電流成比例地降低。另一方面，真正的單相變頻器（控制單相電機(jī)的單相變頻器）利用單相輸入，并產(chǎn)生與輸入成比例的直流輸出。

當(dāng)涉及到變速運(yùn)行時，三相電機(jī)比單相計數(shù)器部件更普遍的應(yīng)用有兩個原因。首先它們擁有更廣泛的功率范圍。另一方面，單相電動機(jī)通常需要一些外部干預(yù)來開始旋轉(zhuǎn)。

02?變頻器元件-直流母線

直流母線（圖中DC bus 所示）的第二個組成部分，在所有變頻器中都看不到，因為它不直接影響變頻運(yùn)行。但是，它始終存在于高質(zhì)量的通用變頻器中。直流總線使用電容器和電感來濾除轉(zhuǎn)換后的直流電中的交流“紋波”電壓，然后進(jìn)入逆變器部分。它還包括阻止諧波失真的濾波器，可以反饋給變頻器電源。較老的變頻器和需要單獨(dú)的線路濾波器來完成這項流程。

03?變頻器元件-逆變器

插圖右側(cè)是變頻器的“內(nèi)臟”（圖中 ?inverter 所示）。逆變器使用三組高速開關(guān)晶體管（圖中 IGBT 所示）來創(chuàng)建模擬交流正弦波的所有三相的DC“脈沖”。這些脈沖不僅決定了波的電壓，還決定了它的頻率。逆變器或逆變器這個術(shù)語的意思是“反轉(zhuǎn)”，簡單地說就是所產(chǎn)生波形的上下運(yùn)動?，F(xiàn)代變頻器逆變器使用稱為“脈寬調(diào)制”（PWM）的技術(shù)來調(diào)節(jié)電壓和頻率。

然后我們說一下IGBT，IGBT指的是“絕緣柵雙極型晶體管”，它是逆變器的開關(guān)（或脈沖）元件。晶體管（取代真空管）在我們的電子世界中起到兩種作用。它可以像放大器那樣充當(dāng)放大器并增加信號，或者可以充當(dāng)開關(guān)，只需打開和關(guān)閉信號。IGBT是一種現(xiàn)代版本，可以提供更高的開關(guān)速度（3000 - 16000 Hz）并減少熱量產(chǎn)生。較高的開關(guān)速度可以提高交流電波仿真的精確度，降低電機(jī)噪音。產(chǎn)生的熱量減少意味著散熱片更小，因此變頻器占地面積更小。

04?變頻器PWM波形

下圖顯示了PWM變頻器的逆變器與真正的AC正弦波相比產(chǎn)生的波形。逆變器輸出由一系列具有固定高度和可調(diào)寬度的矩形脈沖組成。在這個特殊的情況下，有三組脈沖 - 中間是一個寬的集合，在AC周期的正負(fù)兩部分的開始和結(jié)束處有一個窄的集合。

脈沖的面積之和等于真正的AC波的有效電壓。如果要切掉真正交流波形上方（或下方）的脈沖部分，并用它們填充曲線下方的空白區(qū)域，就會發(fā)現(xiàn)它們幾乎完美匹配。正是這樣，變頻器才能控制電機(jī)的電壓。

脈沖寬度和它們之間的空白寬度的總和決定了電機(jī)看到的波形的頻率（因此是PWM或脈寬調(diào)制）。如果脈沖是連續(xù)的（即沒有空白），頻率仍然是正確的，但是電壓將比真正的AC正弦波大得多。根據(jù)所需的電壓和頻率，變頻器將改變脈沖的高度和寬度以及兩者之間的空白寬度。

有些人可能想知道這個“假”AC（實際上是DC）是如何運(yùn)行交流感應(yīng)電機(jī)的。畢竟，是不是需要一個交流電來“感應(yīng)”電機(jī)轉(zhuǎn)子中的電流及其相應(yīng)的磁場呢？那么，AC會自然而然地導(dǎo)致感應(yīng)，因為它是不斷變化的方向另一方面，DC不會因為一旦電路被激活而正常動作。

但是，如果DC開啟和關(guān)閉，DC可以感應(yīng)出電流。對于那些年紀(jì)已久的人來說，汽車點(diǎn)火系統(tǒng)（在固態(tài)點(diǎn)火之前）曾經(jīng)在分配器中有一組點(diǎn)。這些要點(diǎn)的目的是從電池“脈沖”到線圈（變壓器）。這在線圈中感應(yīng)出一個電荷，然后將電壓升高到允許火花塞點(diǎn)火的水平。上圖中看到的寬直流脈沖實際上是由數(shù)百個單獨(dú)的脈沖組成的，逆變器輸出的這種開啟和關(guān)閉運(yùn)動允許通過直流感應(yīng)發(fā)生。

05?有效電壓

使交流電復(fù)雜的一個因素是它不斷地改變電壓，從零到某個最大的正電壓，然后回到零，然后到一些最大的負(fù)電壓，然后再回到零。如何確定施加到電路的實際電壓？下方的插圖是60Hz，120V的正弦波。但是要注意，它的峰值電壓是170V。如果它的實際電壓是170V，我們怎么可能稱之為120V波呢？

在一個周期中，它從0V開始，上升到170V，然后再次下降到0.它繼續(xù)下降到-170，然后再次上升到0.原來上邊界在120V的綠色矩形的面積是相等的到曲線正負(fù)部分的面積總和。那120V就是平均水平？

好，如果要平均整個周期中每個點(diǎn)的所有電壓值，結(jié)果將是大約108V，所以不能是答案。那么為什么這個值是由VOM測量的120V呢？它與我們所說的“有效電壓”有關(guān)。

如果您要測量流過電阻的直流電流產(chǎn)生的熱量，則會發(fā)現(xiàn)它大于等效交流電流產(chǎn)生的熱量。這是由于AC在整個周期中不保持恒定的值。如果在實驗室中，在受控的條件下進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)特定的直流電流產(chǎn)生了100度的熱量升高，其交流電當(dāng)量將產(chǎn)生70.7度的上升或者70.7％的直流值。所以AC的有效值是DC的70.7％。還可以看出，交流電壓的有效值等于曲線前半部分的電壓平方之和的平方根。

如果峰值電壓為1，并且要測量從0度到180度的各個電壓，則有效電壓將為0-707的峰值電壓。圖中170的峰值電壓的0.707倍等于120V。這個有效電壓也被稱為均方根或RMS電壓。因此，峰值電壓總是有效電壓的1.414。230V交流電流具有325V的峰值電壓，而460具有650V的峰值電壓。

除了頻率變化之外，即使電壓與交流電機(jī)的運(yùn)行速度無關(guān)，變頻器也必須改變電壓。

該圖顯示了兩個460V交流正弦波。紅色是60hz曲線，藍(lán)色是50hz。兩者都有一個650V的峰值電壓，但是，50hz要寬得多。您可以很容易地看到50Hz曲線的前半部分（0 - 10ms）內(nèi)的區(qū)域大于60hz曲線的前半部分（0 - 8.3ms）。而且，由于曲線下面積與有效電壓成正比，所以其有效電壓更高。隨著頻率的降低，有效電壓的增加變得更加劇烈。