什么是变频器（VFD）？

变频器改变输出电压频率和幅度，以改变所连接的感应电机的速度、功率和扭矩，以满足负载条件。典型的变频器由三个主要部分组成：

整流器 中间电路/直流母线 逆变器

您可能会注意到该图看起来与双转换 UPS 非常相似。事实上，两者之间的主要区别在于，UPS 中逆变器部分的控制试图保持一致的电压和频率输出，而不管电流输出如何，而不是通过通常一致的电流输出来改变电压和频率来加速或减慢电机负载。因此，变频器通常根据最大电流输出来额定，而 UPS 根据功率输出来额定。

虽然变频器各部分的具体配置可能因制造商而异，但基本结构是相同的。整流器部分由一组快速开关组成，可将输入的交流电压源转换为脉动直流电压。中间电路由直流总线和相关电路组成，用于稳定和平滑脉动整流器输出。直流总线电压大约是输入交流电源电压的 1.414 倍，具体取决于设计类型。该直流母线电压可供逆变器部分使用，逆变器部分从直流母线电压合成交流正弦波电压输出。

逆变器部分的输出不是真正的正弦波，而是基于脉宽调制 (PWM) 原理的近似值，脉宽调制 (PWM) 是主要的逆变器技术。逆变器部分中的一组快速动作开关产生与直流母线电压成比例的恒定幅度的电压脉冲。在三相变频器中，有六个开关，每相有一对开关。在每对开关中，一个开关生成正弦波的正分量，第二个开关根据直流总线电压生成正弦波的负分量。开关“接通”的时间越长，输出电压就越高；相反，开关“关闭”的时间越长，输出电压就越低。每个脉冲的持续时间称为脉冲宽度。这些正负直流电压脉冲的持续时间/间隔决定了合成的交流输出电压和频率。

这些开关打开和关闭的速度称为载波频率。当载波频率增加时，相关输出可以具有更高的分辨率，从而产生更平滑的输出波形，并且纹波/失真更少。这种更平滑的输出可以提高低速时的电机扭矩性能，并降低电机叠片噪音。此外，更快的开关有可能实现更好的逆变器输出可控性以及相关的改进的动态响应。

较旧的逆变器设计通常使用可控硅整流器 (SCR) 或双极结型晶体管 (BJT) 作为开关组件。SCR 可以在 250 至 500 Hz 范围内工作，而 BJT 可以在 1 至 2 kHz 范围内工作。大多数现代变频器的逆变器部分都使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。IGBT 可以以更高的频率（高达 20 kHz）开启和关闭。与老式 SCR 和 BJT 逆变器相比，与 IGBT 相关的更高载波频率提供了一些关键优势，但也有一个稍后讨论的严重权衡。

IGBT 通常不用于变频器整流器前端。变频器整流器通常使用 SCR 或类似的较慢开关组件。SCR 的优势在于，其设计更简单，在输入电压质量可变的情况下更加稳健，并且成本相对较低。然而，正如有人提到逆变器上 IGBT 的较高载波频率可能会导致问题一样，整流器前端的 SCR 频率较低也会导致问题。前端的这些较慢的开关频率可能会导致电压源中出现过多的谐波失真。根据变频器引入的总谐波失真的大小以及共享相同服务的其他负载（照明、计算机等），可能需要根据 IEEE 519-1992 进行缓解。通过使用 12 脉冲逆变器代替 6 脉冲逆变器，或者添加线路电抗器或用于驱动隔离的相移锯齿形变压器，可以实现一些缓解措施。驱动隔离变压器旨在保护变频器免受上游电源干扰的干扰。它们对于减轻变频器反射回电力系统的谐波电流的幅度作用甚微。