关于VFD的五个常见误解的真相
了解变频器的工作原理可以简化变频器的选择过程。
无论多么平凡变频驱动器(变频器)在某个地方，有人正在使用或考虑第一次使用一个(参见图1)。回想一下您第一次考虑应用今天的一个的时候基于脉宽调制(PWM)的vfd到一个交流电动机。你可能对他们的能力和设计有一些误解。本文阐述了五种常见的VFD神话，并纠正了有关其正确使用的误解。
误解1:变频器的输出是正弦的
人们往往更熟悉使用电动机启动器来运行交流感应电动机。使用起动器，启动电机需要将电机的三相引线连接到三相电源。每个相位是频率为60 Hz的正弦波，在美国通常具有230 V, 460 V或575 V的电压幅值。如果在电机引线处检查，则施加的电压会产生具有相同频率的正弦波电流波形。到目前为止，运行马达是相当简单的。
在VFD的输出端发生的事情是完全不同的。变频器通常将三相输入整流为固定直流电压，该电压使用大型直流母线电容器进行滤波和存储。然后将直流母线电压反转以产生可变电压、可变频率的输出。反转过程使用三对绝缘栅双极晶体管(IGBT)进行，每个输出相位一对(见图2a)。因为直流电压被转换成交流电压，所以输出级也被称为“逆变器”。可以控制给定对中每个IGBT开关开或关的持续时间，这决定了输出电压的均方根值。输出有效值电压与输出频率之比决定了交流电机中产生的磁链。一般来说，两者之间有固定的关系。当输出频率增加时，输出电压也应以相同的速率增加，以保持比值恒定，从而保持电机磁链恒定。通常，电压和频率之间的关系保持线性，以便产生恒定的转矩。 The resulting voltage waveform applied to the motor winding is not sinusoidal (see Figure 2b). Note that sometimes the voltage by frequency (V/f) ratio can be quite nonlinear, which is typical for fans, pumps, or centrifugal loads that do not require constant torque but instead favor energy savings.
是什么让这个工作，顾名思义，感应电机是一种大型电感器。感应的一个特性是它能抵抗电流的变化。无论电流是增加还是减少，电感都将反对这种变化。这与图2b中的PWM电压波形有什么关系?而不是让电流脉冲上升在相同的顺序作为施加的电压脉冲，电流将开始缓慢上升。当电压脉冲结束时，电流不会立即消失，而是慢慢地开始消退。一般来说，在电流降回零之前，下一个电压脉冲出现，电流又开始缓慢上升——甚至比以前更高，因为脉冲变宽了。最终，电流波形变为正弦波，尽管在电压脉冲开始和结束时存在一些锯齿状的上下转换(见图3)。
但是，不要认为您可以从PWM变频器的单相输出为螺线管供电。不是那种交流电压。
误解2:所有的vfd都是一样的
今天常见的交流变频器是一个相当成熟的产品。大多数商用驱动器都包含相同的基本组件:桥式整流器、软充电电路、直流母线电容器组和输出逆变器部分。当然，在逆变器部分如何进行开关，组件的可靠性和散热方案的效率方面存在差异。但基本组成部分保持不变。
这种“千篇一律”的想法也有例外。例如，一些变频器提供三电平输出部分。该输出部分允许输出脉冲从半总线、电压级脉冲和全总线级脉冲变化(参见图4)。
为了实现三电平输出，输出部分必须有两倍的输出开关数量，加上箝位二极管(见图5)。使用三电平输出的好处是，由于反射波、更低的共模电压、轴电压和轴承电流，减少了电机的电压放大。
矩阵式逆变器是一种更非典型的VFD类型。带矩阵式逆变器的变频器没有直流母线或桥式整流器。相反，它们使用双向开关，可以将任何输入相电压连接到三个输出相中的任何一个(见图6)。这种安排的好处是，功率可以在线路到电机或电机到线路之间自由流动，从而实现完全再生的四象限运行。缺点是需要对驱动器的输入进行滤波，因为需要额外的电感来滤波PWM波形，以便它不影响输入交流线。
除了具有三电平输出和矩阵式逆变器的变频器外，还有更多的例子证明并非所有交流变频器都是相同的。
了解VFD的其他神话，包括功率因数(PF)问题和VFD的输入电流应该是多少。
神话3:vfd解决功率因数(PF)问题
变频器制造商引用诸如“0.98位移PF”或“接近统一PF”之类的PF统计数据并不罕见，并且在变频器安装在感应电机之前后，输入位移PF确实有所提高。VFD使用其内部电容总线来提供电机所需的任何无功电流，从而保护交流线路不成为无功电流的来源，并降低位移PF。
PF计算的全部内容是，它必须包括交流电压整流到直流电压时产生的谐波所需的无功功率。二极管桥以不连续的方式将电流从交流线路传导到直流母线。重要的是要记住，二极管只有在阳极侧的电压高于阴极侧的电压(正向偏置)时才导通。这意味着二极管只在正弦波的正负部分的每个相位的峰值上打开。这导致了波纹状的电压波形。它还会导致输入电流失真和不连续(见图7)。
关于如何计算谐波以及如何减轻谐波，我们可以说很多。无论如何，要计算真正的PF，必须包括谐波的影响。下式表示谐波对真PF的影响:
式中THD =总谐波失真
对于方程中的不连续输入电流，THD将在100%附近或更大。将其代入方程得到接近0.71的真实PF，而忽略谐波的位移PF为0.98。
不过不要惊慌，目前有很多方法可以减少THD。这些技术利用无源和有源方法，使输入电流波形畸变更小，THD更低。前面提到的矩阵式变频器VFD是主动减少THD方法的一个例子。
神话4:你可以用变频器以任何速度运行电机
使用变频器的美妙之处在于它们可以改变输出电压和输出频率。它们运行电机的速度比其铭牌额定速度更慢、更快的能力是它们如此频繁被指定的部分原因。把马达排除在外，这个流言就成真了。没有电机的限制，变频器可以很容易地运行在其速度范围内的任何频率，没有限制。但在现实中，电机是必须做实际工作的，它的冷却和功率需求开始限制电机/驱动器组合的实际速度范围。
限量1
从电机冷却的角度来看，转动一些电机太慢不是一个好主意。特别是，全封闭风扇冷却(TEFC)电机具有局限性，因为将空气吹过电机外壳的风扇连接在电机轴上。电动机运转得越慢，进入电动机的冷却空气就越少。大多数电机制造商为其电机设计指定速度范围，以反映电机可以运行的速度-特别是在加载时。TEFC电机通常不建议在低于15 Hz(4:1速度范围)的满载情况下运行。
限额2
这并不总是在电机铭牌上说明，但从机械上讲，电机有速度范围限制。通常被称为最大安全运行速度，这个速度与机械限制有关，如轴承和平衡。一些电机数据表规定了最高转速。
限制号3
在电机达到最大运行速度之前，它可能会耗尽扭矩。这种速度限制不是由于冷却或机械，而是由于功率限制，这是速度和扭矩的乘积。确切地说，VFD耗尽了电压。请注意，电动机的旋转也会产生其自身的电压，称为反电动势(EMF)，其随速度增加而增加。反电动势由电动机产生，以反对变频器提供的电压。在更高的速度下，变频器必须提供更多的电压来克服反电动势，这样电流才能仍然流入电机，因为电流有助于产生转矩。在某一点之后，由于输出电压达到最大值，变频器无法再将电流推入电机，电机转矩减小，从而降低转速。这种速度的降低导致更低的反电动势，这反过来又允许更多的电流再次流入电机。在给定转矩条件下，电机达到最大转速时存在一个平衡点，使转矩和转速的乘积等于电机的功率能力。
让我们后退一步。通过保持V/f恒定，变频器可以从电机产生恒定的转矩(见图8)。
当输出频率增加时，电压线性增加。当频率超过电机的基频时，问题就出现了，在美国最常见的是60 Hz。超过基频，输出电压不能增加，这会导致V/f比降低。V/f比率是电机磁场强度的量度，降低它会降低电机的转矩能力。因此，使电机以高于基本速度产生额定转矩的能力必须以1/频率的速率下降，以便转矩和速度的乘积等于功率是恒定的。高于基本转速的运行区域称为恒功率范围，低于基本转速的运行区域称为恒扭矩范围(见图9)。
误解5:变频器的输入电流应该大于输出电流
也许这不是一个神话，而是一种误解。一些VFD用户用电流箝位计或使用VFD显示器检查他们的输出和输入电流，发现输入电流远低于输出电流。由于VFD本身的热元件损耗，它应该有一些损耗，因此输入应该总是略高于输出，这似乎与VFD应该有一些损耗的想法不一致。这个概念是正确的，但应该考虑的是功率，而不是电流:
前面功率方程的电压部分很简单。输入电压总是在交流电压。输出电压随速度按V/f模式变化。这个方程的当前组成部分有点复杂。理解电流元件的关键是要知道一个典型的感应电机有两个电流元件:一个负责在电机中产生磁场，这是电机旋转所必需的;而第二个组件是产生转矩的电流，顾名思义，它负责产生转矩。
驱动器消耗的输入电流与电机的主动转矩需求或负载成正比。产生磁场所需的电流通常不随速度变化，由驱动器的主直流总线电容器提供，在VFD上电期间充电。在低转矩条件下，输出电流可能看起来比输入电流高得多，因为输入电流只反映了产生转矩的电流加上一些谐波，而不包括磁化电流。磁化电流在直流母线电容器和电机之间循环。即使在满载条件下，输入电流通常也会低于电机电流，因为输入仍然没有任何磁化电流成分。
记住，我们是在平衡输入和输出功率。例如，考虑一个满载低速电机。输入电压在额定线路上，但由于转速低，输出电压较低。由于电动机的满载，输出电流会很高。为了平衡功率方程，输入电流必须小于输出电流。
Paul Avery是安川美国公司的高级产品培训工程师。自2000年以来，他一直是公司的VFD技术培训师，并拥有密歇根大学的电气工程学位。
-参见下文增刊中的其他文章。
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