什么是变频器？它怎么运作？
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自感应电动机问世以来，变频运行就以交流发电机的形式出现了。改变发电机的转速，你就改变了它的输出频率。在高速晶体管出现之前，这是可用于改变电机速度的少数选项之一，但是，频率变化受到限制，因为发电机速度降低会降低输出频率而不是电压。我们稍后会看到为什么这很重要。在我们的行业中，变速泵送应用在过去比现在复杂得多。一种更简单的方法是使用多极电机，该电机的绕线方式允许一个（或多个）开关改变在任何给定时间处于活动状态的定子极数。可以手动或通过连接到开关的传感器更改转速。许多可变流量泵送应用仍然采用这种方法。示例包括冷热水循环器、池泵和冷却塔风扇和泵。一些家用增压泵使用流体驱动或可变皮带驱动系统（一种自动变速器）根据来自压力隔膜阀的反馈来改变泵速。而且，其他几个甚至更复杂。 基于我们过去必须跳过的障碍，很明显为什么现代变频器的出现彻底改变了（又一个双关语）变速泵送环境。您今天所要做的就是在应用现场安装一个相对简单的电子箱（通常取代更复杂的启动设备），然后您突然可以手动或自动根据您的意愿改变泵速。 因此，让我们看一下变频器的组件，看看它们如何共同发挥作用以改变频率，从而改变电机速度。我想你会对这个过程的简单性感到惊讶。所需要的只是我们称为晶体管的固态器件的成熟。 变频器组件 整流器 由于在交流模式下很难改变交流正弦波的频率，因此变频器的首要任务是将波转换为直流。正如稍后您将看到的，操作 DC 以使其看起来像 AC 是相对容易的。所有变频器的第一个组件是称为整流器或转换器的设备，如下图所示。
整流器电路将交流电转换为直流电，其方式与电池充电器或弧焊机的方式大致相同。它使用二极管电桥将交流正弦波的传播限制在一个方向。结果是完全整流的 AC 波形被 DC 电路解释为原生 DC 波形。三相变频器接受三个独立的交流输入相位并将它们转换为单个直流输出。大多数三相变频器也可以接受单相（230V 或 460V）电源，但由于只有两个输入支路，变频器输出 (HP) 必须降额，因为产生的直流电流按比例减少。另一方面，真正的单相变频器（控制单相电机的变频器）利用单相输入并产生与输入成比例的直流输出。 在变速操作方面，三相电机比单相计数器更受欢迎的原因有两个。首先，它们提供更广泛的功率范围。但是，同样重要的是他们自己开始轮换的能力。另一方面，单相电机通常需要一些外部干预才能开始旋转。在这种情况下，我们将讨论限制在三相变频器上使用的三相电机。 直流总线 第二个组件称为直流母线（如图中央所示），在所有变频器中都没有看到，因为它不直接有助于变频运行。但是，它始终存在于高质量的通用变频器（由专用变频器制造商制造的变频器）中。无需详细介绍，直流总线使用电容器和电感器在转换后的直流电进入逆变器部分之前过滤交流“纹波”电压。它还可以包括阻止谐波失真的滤波器，这些滤波器可以反馈到为变频器供电的电源中。较旧的变频器和某些泵专用变频器需要单独的线路滤波器来完成此任务。 逆变器 插图的右侧是变频器的“内脏”。逆变器使用三组高速开关晶体管来产生模拟交流正弦波的所有三相的直流“脉冲”。这些脉冲不仅决定了波的电压，还决定了它的频率。术语逆变器或反转意味着“反转”，简单地指的是生成的波形的上下运动。现代变频器逆变器使用一种称为“脉冲宽度调制”(PWM) 的技术来调节电压和频率。当我们查看逆变器的输出时，我们将更详细地介绍这一点。 您在阅读变频器文章或广告时可能遇到的另一个术语是“IGBT”。IGBT是指“绝缘栅双极晶体管”，它是逆变器的开关（或脉冲）元件。晶体管（取代了真空管）在我们的电子世界中有两个功能。它可以充当放大器并像在收音机或立体声中一样增加信号，或者它可以充当开关并简单地打开和关闭信号。IGBT 只是一个现代版本，可提供更高的开关速度（3000 – 16000 Hz）并减少发热。较高的开关速度可提高交流波仿真的准确性并降低可听电机噪声。产生热量的减少意味着更小的散热器，因此更小的变频器占地面积。 下图显示了 PWM 变频器的逆变器产生的波形与真正的交流正弦波的比较。逆变器输出由一系列具有固定高度和可调宽度的矩形脉冲组成。在这种特殊情况下，有三组脉冲 - 一组位于中间的宽脉冲组，一组位于 AC 循环正负部分的开始和结束处的窄组脉冲。脉冲面积之和等于真正交流波的有效电压（我们将在几分钟内讨论有效电压）。如果您要切掉真实交流波上方（或下方）的脉冲部分，并用它们填充曲线下方的空白区域，您会发现它们几乎完美匹配。变频器正是以这种方式控制进入电机的电压。
脉冲宽度和它们之间的空白空间的总和决定了电机看到的波的频率（因此是 PWM 或脉冲宽度调制）。如果脉冲是连续的（即没有空格），频率仍然是正确的，但电压会比真正的交流正弦波大得多。根据所需的电压和频率，变频器将改变脉冲的高度和宽度以及其间的空白区域的宽度。尽管实现这一点的内部结构相对复杂，但结果却非常简单！ 现在，你们中的一些人可能想知道这种“假”交流电（实际上是直流电）如何运行交流感应电机。毕竟，难道不是需要交流电才能在电机转子中“感应”出电流及其相应的磁场吗？嗯，交流电自然会引起感应，因为它不断改变方向。另一方面，直流电不会，因为一旦电路被激活，它通常是静止的。但是，如果打开和关闭 DC，它会感应出电流。对于那些大到可以记住的人来说，汽车点火系统（在固态点火出现之前）曾经在分配器中有一组点。这些点的目的是将电池中的电力“脉冲”到线圈（变压器）中。这会在线圈中感应出电荷，然后将电压增加到允许火花塞点火的水平。上图中看到的宽直流脉冲实际上由数百个单独的脉冲组成，正是逆变器输出的这种开关运动允许通过直流进行感应。 有效电压 交流电源是一个相当复杂的量，难怪爱迪生几乎赢得了使直流成为美国标准的战斗。幸运的是，对我们来说，它的所有复杂性都已得到解释，我们所要做的就是遵循我们之前制定的规则。 使交流电变得复杂的属性之一是它不断地改变电压，从零到某个最大正电压，然后回到零，然后到某个最大负电压，然后又回到零。如何确定施加到电路的实际电压？左图是 60 Hz、120V 的正弦波。但是请注意，它的峰值电压为 170V。如果它的实际电压是 170V，我们怎么可能称之为 120V 波呢？在一个周期内，它从 0V 开始上升到 170V，然后再次下降到 0。它继续下降到 –170，然后再次上升到 0。事实证明，顶部边界为 120V 的绿色矩形的面积相等为曲线正负部分下的面积之和。那么120V可以是平均值吗？出色地，如果您要对整个周期中每个点的所有电压值进行平均，结果将约为 108V，因此这一定不是答案。那么为什么用 VOM 测量的值是 120V？它与我们称之为“有效电压”的东西有关。
如果您要测量流过电阻的直流电流产生的热量，您会发现它大于等效交流电流产生的热量。这是因为 AC 在其整个周期中不保持恒定值。如果您在实验室中在受控条件下执行此操作，并发现特定直流电流产生 100 度的热升高，则其交流等效电流将产生 70.7 度或仅 70.7% 的直流值。因此交流的有效值为直流的70.7%。事实证明，交流电压的有效值等于曲线前半部分电压平方和的平方根。如果峰值电压为 1，并且您要测量从 0 度到 180 度的各个电压，则有效电压将为 0。707的峰值电压。图中看到的 170 峰值电压的 0.707 倍等于 120V。该有效电压也称为均方根或 RMS 电压。因此，峰值电压将始终是有效电压的 1.414。230V AC电流的峰值电压为325V，而460的峰值电压为650V。稍后我们将看到峰值电压的影响。 好吧，我可能已经讲了比必要的时间更长的时间，但是，我希望您了解有效电压，以便您理解下面的插图。除了改变频率之外，变频器还必须改变电压，即使电压与交流电机的运行速度无关。
该图显示了两个 460V 交流正弦波。红色的是 60hz 曲线，蓝色的是 50hz。两者都具有 650V 的峰值电压，但 50hz 更宽。您可以很容易地看到，50hz 曲线前半部分（0 - 10 ms）下的面积大于 60hz 曲线前半部分（0 - 8.3 ms）的面积。并且，由于曲线下面积与有效电压成正比，因此其有效电压较高。随着频率的降低，有效电压的这种增加变得更加显着。如果允许 460V 电机在这些更高电压下运行，其寿命可能会大大缩短。因此，变频器必须不断地改变相对于频率的“峰值”电压，以保持恒定的有效电压。工作频率越低，峰值电压越低，反之亦然。正是出于这个原因，在欧洲和加拿大部分地区使用的 50hz 电机的额定电压为 380V。看，我告诉过你交流电可能有点复杂！ 您现在应该对变频器的工作原理以及它如何控制电机的速度有了很好的了解。大多数变频器为用户提供通过多位置开关或键盘手动设置电机速度的能力，或使用传感器（压力、流量、温度、液位等）使过程自动化。 |
