變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)電路及其工作原理

一、什么是變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)?

VFD 是變頻驅(qū)動(dòng)器或可調(diào)頻率驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)稱。頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過控制交流頻率可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。電子和電氣市場(chǎng)上有不同類型的 VFD，從小型電機(jī)相關(guān)應(yīng)用到高功率感應(yīng)電機(jī)。除三相變頻器外，還提供單相變頻器。

VFD是一種先進(jìn)的電力控制設(shè)備，也被稱為變頻器或變速驅(qū)動(dòng)器。其核心功能是通過改變供給到電動(dòng)機(jī)的電源頻率和電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。

VFD具有多種優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能、提高設(shè)備性能、延長(zhǎng)設(shè)備壽命和降低維護(hù)成本等。它可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載需求調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)，避免不必要的能量浪費(fèi)。同時(shí)，VFD還可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)和軟停止，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊和設(shè)備的磨損。

VFD廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，VFD可以控制生產(chǎn)線上的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化;在交通運(yùn)輸中，VFD可以控制電動(dòng)車輛和電梯等交通工具的電動(dòng)機(jī)，提高乘坐的舒適性和安全性;在空調(diào)系統(tǒng)中，VFD可以根據(jù)室內(nèi)溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

二、變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)電路及其工作原理

VFD電路由三部分組成。

1. 整流部分

2、 過濾部分

3. 開關(guān)或逆變器部分。

在下圖中，三個(gè)部分顯示在框圖內(nèi)。這是三相 VFD的基本電路框圖。

VFD電路整流部分

整流部分使用6個(gè)二極管。二極管D1、D2和D3與正軌連接，二極管D4、D5和D6與負(fù)軌連接。這 6 個(gè)二極管充當(dāng)二極管電橋，將三相交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單個(gè)直流電源軌。三相 R、B 和 Y 連接在二極管兩端。根據(jù)正弦波極性，二極管獲得正向偏置或反向偏置，從而在正軌和負(fù)軌中提供正脈沖或負(fù)脈沖。

VFD電路的濾波器部分

我們知道，標(biāo)準(zhǔn)整流二極管僅將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，但輸出的直流信號(hào)不夠平滑，因?yàn)檫€存在與頻率相關(guān)的交流紋波。為了整流交流紋波并產(chǎn)生平滑的直流輸出，需要某種紋波抑制濾波器。濾波器的標(biāo)準(zhǔn)組件是使用不同類型的大電容器和電感器。濾波部分，主要是電容濾除交流紋波，提供平滑的直流輸出。

在某些情況下，還使用其他類型的濾波器來減少輸入交流噪聲和諧波。

VFD 電路的開關(guān)或逆變器部分

開關(guān)或逆變器部分將直流電逆變?yōu)榻涣麟姟Ｔ诒竟?jié)中，使用不同類型的電子開關(guān)，包括高功率晶體管、IGBT或MOSFET。開關(guān)快速打開或關(guān)閉，負(fù)載接收與交流非常相似的脈動(dòng)電壓。輸出頻率與開關(guān)速率成正比。高開關(guān)速率提供高頻輸出，而低開關(guān)速率提供低頻輸出。

三、變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)的類型及其特點(diǎn)

VFD在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的角色。它能夠根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、提高生產(chǎn)效率等目標(biāo)。VFD有多種類型，每種類型都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。以下將詳細(xì)介紹幾種常見的VFD類型及其特點(diǎn)。

1、電壓源逆變器(Voltage Source Inverter，VSI)

電壓源逆變器(VSI)是較早的固態(tài)VFD類型，其主要特點(diǎn)是使用直流電壓源作為輸入，并通過PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)產(chǎn)生可調(diào)的交流輸出電壓。VSI變頻器在速度控制上表現(xiàn)出良好的性能，特別是在低速范圍內(nèi)，能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出。此外，VSI變頻器還具有以下特點(diǎn)：

調(diào)速范圍廣：VSI變頻器可以實(shí)現(xiàn)從零到最大轉(zhuǎn)速的廣泛調(diào)速范圍，適用于各種需要精確控制轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場(chǎng)景。

節(jié)能效果顯著：通過精確控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率輸出，VSI變頻器能夠顯著降低電動(dòng)機(jī)的能耗，提高能源利用效率。

易于維護(hù)：VSI變頻器的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本較低，易于安裝和調(diào)試。

2、電流源逆變器(Current Source Inverter，CSI)

電流源逆變器(CSI)與電壓源逆變器不同，它使用直流電流源作為輸入，并通過控制電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。CSI變頻器在低速時(shí)具有更好的功率因數(shù)，適用于需要高功率因數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，CSI變頻器還具有以下特點(diǎn)：

再生能力強(qiáng)：CSI變頻器在制動(dòng)過程中能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)能量的回收和再利用。

可靠性高：CSI變頻器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，適用于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)景。

適用于大型設(shè)備：由于CSI變頻器在低速時(shí)具有更好的功率因數(shù)，因此它更適用于大型電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制。

3、矩陣式變頻器

矩陣式變頻器是一種新型的VFD類型，它采用多個(gè)開關(guān)管組成的矩陣式電路結(jié)構(gòu)，能夠直接對(duì)輸入的三相交流電進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)。矩陣式變頻器具有以下特點(diǎn)：

輸出波形質(zhì)量好：矩陣式變頻器能夠輸出接近正弦波的交流電壓和電流，減少對(duì)電動(dòng)機(jī)的諧波干擾和損耗。

響應(yīng)速度快：矩陣式變頻器的控制響應(yīng)速度非常快，能夠迅速響應(yīng)外部控制信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

適用于高精度控制：由于矩陣式變頻器具有高精度的控制能力，因此它更適用于需要高精度控制的應(yīng)用場(chǎng)景，如數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械等。

綜上所述，不同類型的VFD具有不同的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。在選擇VFD時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求、電動(dòng)機(jī)類型、控制精度等因素進(jìn)行綜合考慮。同時(shí)，為了確保VFD的穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)其使用壽命，還需要定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。