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在本文中，我们将了解 VFD 及其应用。我们还将详细介绍转换器和直流链路。最后，我们将介绍 IGBT 模块，以及 PWM 如何为电机提供交流输出以实现精确的电机速度控制。
交流电机转速
感应或交流电动机以由电动机本身内部的极数和所提供的功率设定的速率旋转。
频率（以赫兹为单位）与电机的每分钟转数 (RPM) 直接相关。频率越高，转速越快或发动机转速越高。
在中国，电力公司提供频率为 50Hz 的交流电。在此频率下运行的标准两极交流电机提供 3000RPM 的标称转速。
减速
如果应用程序不需要电动机以 3000 RPM 的全速运行（这很常见），则存在一些解决方案：
1：使用机械减速机
它通过增加扭矩以机械方式降低输出速度——输出齿轮的齿数比输入齿轮的齿数多。
它们需要润滑，对振动和噪音很敏感，并且不适用于轴距离较远的情况。
2：增加更多套极
它降低了速度而不改变它的电力。目前，有一些晶体管系统可以打开和关闭电机内部的磁极。但是，这些系统可能很复杂，并且无法提供精细控制。
3：使用变频驱动器 (VFD)
可以对其进行配置和微调以生成斜坡、频率和电压，以便电机根据负载要求（所需的速度和电压）运行。
变频驱动器的一个重要特点是，随着给定应用中电机速度要求的变化，驱动器可以简单地提高或降低电机的速度以满足新的运行要求，否则仅使用机械装置是不可能的。减速器，或晶体管系统添加更多的极。
变频器应用
VFD 的使用广泛用于许多工业和商业应用。
– 在工业应用中，VFD 用于控制挤出机、电动起重机、过山车和机械公牛，其中有很多应用！
– 在商业应用中，VFD 广泛用于泵中以控制水箱中的流量甚至容积，以及 HVAC 行业，被认为是节能环保技术。
最终，VFD 会改变提供给交流电机的频率以控制其速度；使电机能够平稳启动，并根据应用需要调整电机速度。
既然我们知道了为什么以及在何处使用变频驱动器，那么让我们深入了解变频驱动器的工作原理。
变频器(VFD)电路
让我们看一下这个 VFD 图：
我们发现的第一件事（T3 ） 是一个电流互感器，它具有测量进入我们的 VFD 的电流的功能，以便VFD 控制可以比较进入和离开 VFD 的电流- 由 T1 指示的两个电流互感器测量和 T2。
如果测量的电流不同，VFD 将由于我们所说的接地故障而解除。
六脉冲整流器或转换器
接下来，我们有转换器，也称为整流器。如果我们展开并查看整流器图，它会是这样的：
这被称为六脉冲整流器或转换器，它是通过使用二极管将三相交流电转换为直流电的地方。
使用液压系统的类比，那些（六个）二极管可以等同于止回阀。二极管相互连接的形式非常具有意义。
就像止回阀只允许一个方向流动，我们的二极管有电流流动（方向由二极管符号上的箭头表示）。
电流按二极管图上箭头的方向通过二极管，即电流从阳极流向阴极，如下图所示：
只有当阳极电压大于阴极电压时，才会有电流。
因此，当我们将三相交流电连接到转换器时：
– 当 A 相电压大于 B 相或 C 相电压时，该二极管打开，允许电流流动，
– 当 B 相大于 A 相时，B 相二极管打开，而 A 相二极管关闭，
– 对于 C 以及总线负侧的三个二极管也是如此。
这会在每个二极管打开和关闭时产生六个电流脉冲 。生成的波形将如下所示：
直流母线或直流滤波器和缓冲器
接下来，我们有直流 滤波器和缓冲器，也称为直流总线。直流母线在图上只用一个电容和电阻表示，但实际上有各种电容和电阻串联和并联。
由于电容器未充电，因此它们的阻抗非常低。如果我们要给它们充电，最初的浪涌可能会损坏输入功率设备或整流器/转换器，以防入口保险丝不会中断电路。
因此，我们有一个预充电电路。预充电是一种限流电路，可在上电期间减慢总线电容器的充电速率。
此处显示的预充电电路由以下部分组成：
– 接触器，
– 一个电阻器，
– 恒温器。
当我们为 VFD 通电，而电容器组尚未充电时，电容器开始通过电阻器充电——一旦 VFD 控制器确定直流链路已充满电，它将关闭触点，成为电阻最小的路径为电流。
在接触器未闭合，而变频器仍在启动电机的情况下，流过电阻的电流会增加，导致预充电电阻过热。然后恒温器将起作用，并且由于过热它会解除 VFD。
现在让我们回到直流总线——它的电阻器功能是分压，它会保证所有电容器具有相同的电压。
IGBT
最后，我们有IGBT，这是驱动输出的最后一步：直流到交流转换器和我们的 PWM 输出。
我们知道，最后一步会将直流电转换为交流电，作为脉冲宽度调制输出。但是，这是什么意思？那是怎么发生的？
如果不了解脉冲宽度调制 (PWM) 是什么，就不可能谈论 VFD 和绝缘栅双极晶体管，也称为 IGBT。
模拟输入信号可以通过生成可变宽度脉冲来表示其幅度来进行调制。简而言之，PWM 是一种通过数字输出控制模拟信号的方法。
要了解 IGBT 在 VFD 中的功能，了解 IGBT 如何单独工作非常重要。
IGBT是如何工作的？
在最简单的层面上，绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 是一种开关，用于在打开时允许功率流动并在关闭时停止。
然而，重要的是要注意，它们具有每秒打开和关闭数千次的能力！
IGBT 是一种固态器件，这意味着它没有移动部件。
它不是打开和关闭物理连接，而是通过向称为栅极的半导体组件施加电压来操作，该组件会改变其属性以创建或阻止电气路径。
让我们仔细看看典型的 IGBT：端子（引脚）代表栅极、集电极和发射极。
电流沿着由集电极和发射极组成的电导路径流动，而栅极控制器件。
这是它的电气绘图表示。
IGBT 的行为类似于开关。正如这个词本身所暗示的，
– 当施加正电压时，门将关闭（打开），允许电流在集电极和发射极之间流动；
– 如果没有施加足够的电压，栅极保持关闭（关闭），不允许任何电流在集电极和发射极之间流动。
为防止设备关闭，此电压在此关闭状态下保持为负。
脉宽调制信号
现在我们已经了解了我们的 IGBT 是如何工作的，让我们回到 IGBT 在 VFD 中的应用，让我们将我们的 IGBT 表示为接触开关以便更简单地理解。
顶部 IGBT（在我们的表示中是开关）位于正直流母线中，而下部 IGBT 位于负直流母线中，因此当顶部开关之一闭合时，电机相位和电压变为正值。
另一方面，当下部开关之一闭合时，电机相位和电压变为负值。
因此，通过控制这些开关打开和关闭的速度和顺序，我们可以控制信号的相位和频率：零、负或正。
需要注意的是，VFD 的输出信号是 PWM 信号，结果是矩形波形。
该波在 VFD 的运行中至关重要，因为正是这种可变的电压和频率使 VFD 能够控制电机的速度。
VFD控制处理器程序
VFD 的控制处理器包含一个通常用户无法访问的程序，但是，有许多参数和设置可以调整和调整，以便为每个应用程序优化 VFD 操作，以满足特定的电机和驱动设备规格和需求。
以下是 VFD 中常见的可调参数和设置：
– 可调：比例、积分、微分 (PID)
– 最小和最大速度
- 限流，等等！
参数的数量根据 VFD 的复杂程度而有所不同。它们的范围可以从 50 到 200 多个参数！
概括
变频驱动器通过改变其电源的频率和电压来实现精确的电机速度控制。
变频驱动器是用于数字应用的电机控制器设备，从小型电器到大型压缩机，等等！
VFD 的主要功能是通过改变电源电压和频率来驱动和控制电机速度和转矩以满足应用要求。
VFD 控制器内部有多个阶段：
– 驱动输入阶段是交流电被馈入逆变器时。
– 对于保护，电流互感器测量和比较进入和离开 VFD 的电流，检查接地故障；此外，使用预充电电路可防止初始浪涌损坏。
– 在驱动和驱动输出阶段，交流电然后通过六脉冲整流器或转换器转换为直流电。
– 该直流电在直流总线中得到缓冲和过滤，其电阻器的功能是分压并保证所有电容器具有相同的电压。
– 现在过滤的直流电可以通过IGBT再次转换为交流电，其作用类似于开关，允许以脉宽调制输出的形式控制信号的相位和频率。
– 最后，在电机和传动系统阶段，此脉冲宽度调制输出允许控制电机的速度，从而控制其机械输出。
VFD 已经发生了巨大的变化。它们已经发展成为微处理器控制器形式的高度复杂的高频功率器件。
使用 VFD 可实现可预测、更顺畅、耐用且高效的操作流程！
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