变频驱动器 (VFD) 已成为用于交流线路频率控制的普遍
电子设备。VFD 产生频率可广泛变化的正弦波形的
开关近似值。因此，VFD 主要用于感应电机速度控制。
功率晶体管技术的进步使 VFD 能够以更低的成本控制越来越大的功率负载，从而实现方便的无级变速驱动器，覆盖广泛的速度范围，并且比同类机械驱动器更小、更便宜且更易于安装。
图片由丹佛斯提供
VFD 与机械驱动器
功率就是速度x扭矩。尽管驱动器中存在摩擦损失，机械驱动器仍作为恒定功率驱动器运行。当速度降低时，对于给定的可用输入功率，驱动器的可用输出扭矩增加。VFD 的根本不同之处在于它通常作为恒扭矩驱动器运行。随着电机速度降低，其可用输出功率也会降低。VFD 和机械驱动器之间的这一关键区别经常被忽视，但通常来说，这是机械驱动器的一个优势。在需要在速度降低时保留功率的应用中，仍然需要进行一些机械减速，或者必须加大电机尺寸，以适应由 VFD 控制时在较低转速下运行时的功率降低。
VFD 通常作为恒扭矩驱动器运行的原因是电动机的物理特性所固有的。对于给定的线电压，当感应电机的速度降低时，转子旋转磁场产生的反电动势将降低，因此线电流将上升，这将导致电机 BH 曲线上的工作点发生移动磁芯损耗较高（图 1）。如图 1 所示，对于低于某个水平的外加 H 场，磁导率呈相当线性的关系，但随着 H 进一步增加，磁场 B 的增加会减小。当达到磁饱和点时，磁芯损耗变得过大。为了避免磁饱和，VFD 将随着其频率降低而降低其有效输出电压，以保持恒定的伏/赫兹比。结果是恒扭矩驱动。
BH循环
图 1. 铁磁材料的代表性 BH 环。图片由 Blaine Geddes 提供
一些 VFD 确实允许全电压运行至较低的速度或调整伏/赫兹比。如果电机铁芯的尺寸足够大，那么在某些频率范围内这可能不是问题（通常，电机指定在 50 或 60 Hz 下运行），但在某些时候，铁芯损耗将变得高得令人无法接受。运行旨在以某个较低频率的线路频率运行的感应电机的第二个问题是，由于其冷却风扇速度较低，因此冷却效率较低。
VFD波形
电子产生的交流电源并不是旋转机器产生的真正的正弦电源，而是由处于开启状态或关闭状态的开关波形组成。结果是具有大量谐波含量的波形，该波形被无功负载部分滤除。尽管制造商多次声称“真正的正弦”输出，但所有 VFD 和逆变器都以这种方式运行。
通常，谐波含量对于交流电机来说不是问题，并且许多电机通常使用逆变器/VFD 电源运行。电子设备可以产生低谐波失真波形，但这需要线性放大器操作，这对于 VFD 或逆变器来说并不实用，因为效率非常低。为大线路负载供电而实际产生的真正的正弦波形是由旋转机器产生的。
逆变器和 VFD 产生的波形类型是脉冲输出，其脉冲宽度经过选择以产生与其近似的正弦波等效的 RMS 电压。电信号的有效能量含量由其均方根 (RMS) 电压表示。
RMS值是波的一个周期内所有点的幅度值的平方和的平均值的平方根。对于正弦曲线，其 RMS 幅度值等于其峰值的 1/√2 = 0.707。
对于方波，其 RMS 幅度等于其峰值幅度，因为它在其周期内的所有点都具有相同的幅度值。在简单的实施例中，为了改变方波以使其具有与具有相同峰值幅度的正弦波相同的能量含量，修改其脉冲宽度以使其具有70.7%的占空比，从而产生图2的波形。
图 2. 正弦波的基本两脉冲开关波形近似值，其中能量含量（RMS 电压）与具有相同峰值电压 (Vp) 的正弦波的能量含量相匹配。T 是周期，对于 60Hz 线路来说是 16.7 ms。图片由Blaine Geddes提供
简单的两脉冲正弦曲线近似的概念可以扩展为产生正弦曲线的脉宽调制近似，其中每个间隔上的脉冲电压的 RMS 值等于正弦波形电压的 RMS 值在相同的时间间隔内。
图 3 显示了正弦曲线的六脉冲 PWM 近似概念。高阶 PWM 序列的优点是更窄的脉冲更容易积分以产生正弦近似值。更高分辨率的代价是 VFD 输出驱动级的开关频率更高，这会导致这些晶体管的开关损耗更高。为了在降低输出频率时调整其有效输出电压以保持恒定的伏特/赫兹比，VFD 会与频率变化成比例地缩小其脉冲宽度。
图 3. 正弦曲线的六脉冲脉宽调制 (PWM) 近似值。每个脉冲的宽度设置为脉冲近似的波间隔内正弦曲线的 RMS 值。图片由Blaine Geddes提供
基本 VFD 结构
VFD 的基本元件包括用于实现参考某个时基的波形生成的电路、功率开关器件（通常为 FET 或 IGBT）的驱动级、用于将输入交流线路电源转换为输出直流电源的整流器和滤波器部分。开关设备，以及通过键盘、PC 或 PLC 的数字端口以及通常用于快速更改频率的电位计旋钮提供控制的某些用户界面方法。
常见的是，输出是一组彼此偏移 120 度的三相波形。通常，输入也是三相的，但由于使用直流电源为开关设备供电，因此输入很容易是单相线路，这使得 VFD 成为从单相电源为三相负载供电的便捷方式。相线。
图 4.VFD 的代表性框图。图片由Blaine Geddes提供
波形发生器合成一组可变频率和脉冲宽度的三相 PWM 信号来驱动输出驱动级。由于线路频率约为 60 Hz，生成波形的逻辑在常见的低成本微控制器的能力范围内，因此可以在固件中实现此功能。时基参考是为微控制器提供时钟的
晶体振荡器。
对于三相负载，输出驱动器是一组三对功率开关晶体管，如图 5 的代表性原理图所示。这些晶体管通常是金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 或绝缘栅双极晶体管 ( IGBT）。上部晶体管由来自波形生成模块的 PWM 控制信号驱动。
较低的设备由这些信号的互补信号驱动，具有一定的时序余量，使得一对中的两个设备永远不会同时打开，并且避免了一个设备打开而另一个设备仍然关闭的状态。下部器件与小信号控制电子器件共享一个公共接地参考，因此可以通过针对 IGBT 栅极电压的适当电平转换来直接驱动它们。上面的器件显示为通过光隔离器驱动，因为它们不能参考相同的电路接地电位。
图 5. 三相输出 VFD 驱动级的代表性基本原理图。所示晶体管为 IGBT。上部晶体管通过光隔离器驱动，因为连接到正高功率直流轨的设备不以小信号接地为参考。图片由Blaine Geddes提供
VFD 已成为无处不在的电机控制设备。对它们的基本结构、操作和局限性的一些了解应该会让任何使用它们的人受益。
