什么是变频驱动器 (VFD)？
当我们需要改变工业电机的速度时，无论是控制过程还是节省能源成本，我们都会求助于变频驱动器，简称为 VFD。简而言之，变频驱动器（VFD）是一种调节输入到三相电机的交流电流的频率，同时将 VFD 的输出电压保持在稳定的直流电平的设备，确保电机能够响应调整所需的运行转速。
但 VFD 实际上是如何工作的呢？VFD 用于哪些地方？如何正确确定 VFD 的尺寸？这些都是非常好的问题，无法在一篇文章中完整解释，但请务必查看本文末尾的链接，以进一步详细说明这种多功能且非常令人难以置信的工业控制设备。
图 1.显示线圈的三相电机内部。图片由作者提供
变频器和伺服驱动器的区别
三相电机如何工作？
也许并不奇怪，在讨论电机驱动单元之前必须先对电机本身进行快速概述，解释为什么需要这种驱动器。三相电机直接连接到来自电源线的 60 Hz 电压。当电机达到全速时，电流的交替方向使电机外部的绕组与速度完美地极化。
如果您计划始终全速运行电机，那么这种方法非常有效，但正如您可能猜到的那样，此策略存在两个主要问题：当电机加速时（尚未达到最高速度），以及当您需要运行时永久低于全速。在这两种情况下，您都需要一种设备来将交流电流的频率降低到适当的量。
这就是 VFD 的工作：它通过使用大电流半导体开关来降低电机绕组的交替频率，以提供目标运行速度。请注意，虽然提供给电机引线的直流母线电压不会改变，但线圈电阻和电感之间的电压分布会发生变化，并且绕组的视在电压将作为 Hz 的函数而变化，从而产生我们在 VFD 控制策略中经常看到的 V/Hz 比。
变频器如何工作？
既然我们已经确定了它们是什么以及它们解决什么问题，那么 VFD 究竟如何执行其预期工作呢？
我们知道，为了控制电机旋转，我们必须降低电流通过电磁线圈时交替（翻转方向）的速度。
图 2.脉宽调制 (PWM) 改变直流总线电压脉冲的宽度，使计算机能够重新创建任何波形，包括交流波形。图片由作者提供
顺便说一句，如果电机中的电压实际上被降低，电机确实会旋转得更慢，但这只是因为负载在交替后面拖动它。磁铁被极化，就好像电机以全速旋转一样，但由于它没有足够的扭矩来更快地旋转，因此它会损失很多效率，并且如果负载增加，它可能会完全停止旋转。
VFD 产生较慢频率的方法分为两步：将输入电压转换为直流总线电压，然后重新创建交流输出。
直流母线电压
首先，输入电压被整流，这意味着它被转换为直流电压。这就是为什么一些较小的 VFD 可以采用单相甚至直流电源供电。无论如何，他们可以将所有这些转换成直流电。
带 PWM 的交流波
为了向电机发送直流电压，通过在正向和反向上打开和关闭 MOSFET，可以非常快速地产生电流脉冲。该脉冲或 PWM 信号的速度可以设计为非常类似于交流波形。由于处理器负责晶体管切换的速度，因此创建低于 60 Hz 的频率非常简单。
有关 VFD 中 PWM 的更多信息可以在其他文章中找到。
VFD 用于哪些地方？
也许更好的问题是，哪些地方不使用 VFD？电动机应用数量的不断增加加上大多数变频器的低成本意味着它们几乎可以应用于需要某种程度控制的任何情况。
图 3.该系列电机用于变速泵送，每个电机都包含一个安装在电机侧面的集成 VFD。图片由Adobe Stock提供
暖通空调中的变频驱动
楼宇自动化，特别是空气输送系统，依靠变速风扇来改变整个建筑物区域的温度和湿度。过去，单速电机将空气均匀地输送到空气处理分支的所有部分，仅打开或关闭，但现在，使用变频器，可以通过以最低所需功率运行来大大提高建筑物的能源效率确保舒适。
VFD 在泵应用中的应用
空气的流速可以通过可变风扇速度来改变，并且我们对来自变速泵的流体应用完全相同的策略。当泵全速运行时，多余的压力必须通过泄压再循环阀排出。所有多余的流量都是被浪费的能量。通过调节泵速，可以控制精确的压力和流量以节省能源。
每个三相电机环境中的 VFD
我无法描述或列出所有 VFD 应用。只要在网上搜索“三相电机在哪里使用”，很可能这数万种情况中的每一种都不止一次配备了变频器。
如何确定 VFD 的尺寸？
VFD 通常通过电压和功率来额定。电机功率（以 HP 或 kW 为单位）定义了峰值消耗时将消耗多少电流和电压。购买前必须选择电机（VFD 输出）和电源（VFD 输入）的电压。对于几乎所有超过 1 HP (0.75 kW) 的电机，电机和电源均为三相线电压。
图 4.该 VFD 显示使用单相电压电源时的额定功率为 0.75 kW (1 HP)。图片由作者提供
请注意电压，因为电机可以接线为 230/240 或 480，并且选择具有错误 VFD 输出的错误电机可能会永久损坏这两个设备。
通信端口、制动电阻、参数列表、HMI 附件等还有许多其他选项，但这些选项必须根据控制系统进行选择，并且通常不属于选型过程的一部分。
如何使用变频器
使用 VFD 是一个最好留给其他文章的主题，因为我们连接和编程电机驱动器的方式多种多样。然而，在介绍了该主题之后，如果您需要更多信息，我们还有大量其他文章来解释使用电动机和驱动器的细节。