变频器的变频过程解析

据我所知，在自动感应电动机出现以来，交流发电机的形式已经存在变频操作。更改发电机的转速，并更改其输出频率。在高速晶体管出现之前，这是改变电机转速的主要途径之一，但由于发电机转速降低了输出频率而不是电压，频率变化受到限制。

因此，我们来看一下变频器的组件，看看它们是如何实际一起工作的，以改变频率和电机转速。

变频器元件-整流器

由于在交流模式下很难改变交流正弦波的频率，变频器的第一项工作就是将波形转换为直流。为了使它看起来像AC，操作DC相对容易。所有变频器的第一个组成部分是一个被称为整流器或转换器的设备，如下图所示：

变频整流器

整流器电路将交流电转换成直流电，其工作方式与电池充电器或电弧焊机的方式大致相同。它使用一个二极管电桥来限制交流正弦波只向一个方向移动。其结果是完全整流的交流波形被直流电路解释为本地直流波形。三相变频器接受三个独立的交流输入相并将其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，所以变频器输出（HP）必须降额，因为所产生的直流电流成比例地降低。另一方面，真正的单相变频器（控制单相电机的单相变频器）利用单相输入，并产生与输入成比例的直流输出。

当涉及到变速运行时，三相电机比单相计数器部件更普遍的应用有两个原因。首先它们拥有更广泛的功率范围。另一方面，单相电动机通常需要一些外部干预来开始旋转。

变频器元件-直流母线

直流母线（图中DC bus 所示）的第二个组成部分，在所有变频器中都看不到，因为它不直接影响变频运行。但是，它始终存在于高质量的通用变频器中。直流总线使用电容器和电感来滤除转换后的直流电中的交流“纹波”电压，然后进入逆变器部分。它还包括阻止谐波失真的滤波器，可以反馈给变频器电源。较老的变频器和需要单独的线路滤波器来完成这项流程。

变频器元件-逆变器

插图右侧是变频器的“内脏”（图中 inverter 所示）。逆变器使用三组高速开关晶体管（图中 IGBT 所示）来创建模拟交流正弦波的所有三相的DC“脉冲”。这些脉冲不仅决定了波的电压，还决定了它的频率。逆变器或逆变器这个术语的意思是“反转”，简单地说就是所产生波形的上下运动。现代变频器逆变器使用称为“脉宽调制”（PWM）的技术来调节电压和频率。

然后我们说一下IGBT，IGBT指的是“绝缘栅双极型晶体管”，它是逆变器的开关（或脉冲）元件。晶体管（取代真空管）在我们的电子世界中起到两种作用。它可以像放大器那样充当放大器并增加信号，或者可以充当开关，只需打开和关闭信号。IGBT是一种现代版本，可以提供更高的开关速度（3000 - 16000 Hz）并减少热量产生。较高的开关速度可以提高交流电波仿真的精确度，降低电机噪音。产生的热量减少意味着散热片更小，因此变频器占地面积更小。

变频器PWM波形

下图显示了PWM变频器的逆变器与真正的AC正弦波相比产生的波形。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。在这个特殊的情况下，有三组脉冲 - 中间是一个宽的集合，在AC周期的正负两部分的开始和结束处有一个窄的集合。

脉冲的面积之和等于真正的AC波的有效电压。如果要切掉真正交流波形上方（或下方）的脉冲部分，并用它们填充曲线下方的空白区域，就会发现它们几乎完美匹配。正是这样，变频器才能控制电机的电压。

脉冲宽度和它们之间的空白宽度的总和决定了电机看到的波形的频率（因此是PWM或脉宽调制）。如果脉冲是连续的（即没有空白），频率仍然是正确的，但是电压将比真正的AC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两者之间的空白宽度。

有些人可能想知道这个“假”AC（实际上是DC）是如何运行交流感应电机的。毕竟，是不是需要一个交流电来“感应”电机转子中的电流及其相应的磁场呢？那么，AC会自然而然地导致感应，因为它是不断变化的方向 另一方面，DC不会因为一旦电路被激活而正常动作。

但是，如果DC开启和关闭，DC可以感应出电流。对于那些年纪已久的人来说，汽车点火系统（在固态点火之前）曾经在分配器中有一组点。这些要点的目的是从电池“脉冲”到线圈（变压器）。这在线圈中感应出一个电荷，然后将电压升高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是由数百个单独的脉冲组成的，逆变器输出的这种开启和关闭运动允许通过直流感应发生。

有效电压

使交流电复杂的一个因素是它不断地改变电压，从零到某个最大的正电压，然后回到零，然后到一些最大的负电压，然后再回到零。如何确定施加到电路的实际电压？下方的插图是60Hz，120V的正弦波。但是要注意，它的峰值电压是170V。如果它的实际电压是170V，我们怎么可能称之为120V波呢？

在一个周期中，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.原来上边界在120V的绿色矩形的面积是相等的到曲线正负部分的面积总和。那120V就是平均水平？

好，如果要平均整个周期中每个点的所有电压值，结果将是大约108V，所以不能是答案。那么为什么这个值是由VOM测量的120V呢？它与我们所说的“有效电压”有关。

如果您要测量流过电阻的直流电流产生的热量，则会发现它大于等效交流电流产生的热量。这是由于AC在整个周期中不保持恒定的值。如果在实验室中，在受控的条件下进行，发现特定的直流电流产生了100度的热量升高，其交流电当量将产生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％。还可以看出，交流电压的有效值等于曲线前半部分的电压平方之和的平方根。

如果峰值电压为1，并且要测量从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170的峰值电压的0.707倍等于120V。这个有效电压也被称为均方根或RMS电压。因此，峰值电压总是有效电压的1.414。230V交流电流具有325V的峰值电压，而460具有650V的峰值电压。

除了频率变化之外，即使电压与交流电机的运行速度无关，变频器也必须改变电压。

该图显示了两个460V交流正弦波。红色是60hz曲线，蓝色是50hz。两者都有一个650V的峰值电压，但是，50hz要宽得多，可以很容易地看到50Hz曲线的前半部分（0 - 10ms）内的区域大于60hz曲线的前半部分（0 - 8.3ms）。而且，由于曲线下面积与有效电压成正比，所以其有效电压更高。随着频率的降低，有效电压的增加变得更加剧烈。

如果允许460V电动机在这些较高的电压下工作，则其寿命可以大大减少。因此，变频器必须不断改变相对于频率的“峰值”电压，以保持恒定的有效电压。操作频率越低，峰值电压越低，反之亦然。您现在应该对变频器的工作原理以及如何控制电机速度有一个很好的了解。大多数变频器可以让用户通过多位置开关或键盘手动设置电机转速，或使用传感器（压力，流量，温度，液位等）使过程自动化。