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变频器

变频器（英语：Variable-frequency Drive，缩写：VFD），也称为变频驱动器或驱动控制器，在日本的商品名称用Inverter，和逆变器的英文相同。变频器的英文名称Variable-frequency Drive，是现代科技中少数源自中文者之一。

小型变频器
变频器系统运作原理

变频器是可调速驱动系统的一种，是应用变频驱动技术改变交流电动机工作电压的频率和幅度，来平滑控制交流电动机速度及转矩[1][2]:p210–215[3][4]:p4，最常见的是输入及输出都是交流电的交流/交流转换器。在变频器出现之前，要调整电动机转速的应用需透过直流电动机才能完成，不然就是要透过利用内建耦合机的VS电动机，在运转中用耦合机使电动机的实际转速下降，变频器简化上述的工作，缩小设备体积，大幅度降低维修率。不过变频器的电源线及电动机线上面有高频切换的讯号，会造成电磁干扰，而变频器输入侧的功率因数一般不佳，会产生电源端的谐波。

变频器的应用范围很广，从小型家电到大型的矿场研磨机及压缩机。全球约1/3的能量是消耗在驱动定速离心泵、风扇及压缩机的电动机上，而变频器的市场渗透率仍不算高。利用变频器来控制电动机的转速，带来能源效率的显著提升，是使用变频器的主要原因之一。变频器技术和电力电子有密切关系，包括半导体切换元件、变频器拓扑、控制及模拟技术、以及控制硬件及固件的进步等。

名称 编辑

变频器在台湾及韩国因为受到日本厂商影响而曾经被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter），[来源请求]VVVF原为日文“可変電圧可変周波数制御”的英语直译缩写。直译为可变电压可变频（控制器，控制元件）。

1980年代中期沈阳居乃明提出VVVF可简化命名为变频器或变频调速器并用于产品设计，他随后在中国起重学会沈阳仓储设备专题年会上正式发表这个意见（参见《年会论文集》）。东北工学院（今东北大学）著名电力控制与拖动专家佟纯厚教授肯定这个意见，并应用在他自己在校内外的课堂和各种讲学中。此后迅速流行开来，而被普遍接受，部分国外厂家也使用这个命名，并且采用对应的英文译名Variable-frequency Drive作为产品通用名称，部分日本厂家也逐渐接纳这个命名。[来源请求]

历史 编辑

变频技术诞生背景是交流电动机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。

  • 1960年代以后，电力电子器件普遍应用晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。
  • 1970年代开始，脉宽调制变压变频（PWM－VVVF）调速的研究得到突破，1980年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。
  • 1980年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到广泛应用。

最早的变频器可能是日本人买下英国专利来研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高阶产品迅速抢占市场。

系统描述及运作 编辑

变频器是一个驱动系统中的一部分，其中重要的组件包括交流电动机、驱动控制器（即变频器）本身以及变频器的操作界面[2]:p210–211[4]:p4。

交流电动机 编辑

变频器所驱动的交流电动机一般是三相感应电动机，有些变频器可以驱动单相电动机或特殊的同步电动机使用，但主要仍以驱动三相感应电动机为主，在成本上也比较便宜。一般常会用变频器驱动为定速驱动而设计的感应电动机，不过变频器驱动感应电动机时，其电压应力也会提高，因此一般会建议选用为变频器驱动而设计的变频电动机，且需符合NEMA标准MG-1的Part31[4]:p13，也就是电动机在没有噪声滤波器或电抗器的条件下，可以承受大小为额定电压3.1倍，上升时间不小于0.1μs的电压[5]。

变频器 编辑

变频器部分是一个利用固态电子器件的电力电子系统，大多数的变频器是交流/交流转换器，输入及输出都是交流的电压。不过像使用共同直流电源（common DC bus）或是利用太阳能为电源时，则会使用直流/交流转换器的架构。交流/交流转换器可分为三个部分：分别是交流转换为直流的整流器、直流链（DC link）及是直流转换为交流的逆变器，其中又以电压源变频器（Voltage-source inverter，简称VSI）最常见。

电压源变频器所用的整流器，最简单的是三相、六步脉冲、全波整流的二极管电桥，其直流链包括一个大容量的电容，可以平滑直流输出的涟波及提供后级逆变器稳定的电压输入，再利用逆变器的主动功率晶体将电压转换为近似弦波的交流电压输出。电压源变频器的输入功因较导通角控制（英语：Phase fired controllers）的电流源变频器（CSI）或负载换流变频器（LCI）要高，其失真量也较低。变频器也可以规划成将单相交流电转换为三相交流电的相转换器（英语：phase converter）[6]。

自1950年代起，因着固态功率元件额定电压、电流及切换频率的大幅增加，使得变频器技术有明显的进步。绝缘闸双极晶体管（IGBT）在1983年发明[7]，自1990年代起成为变频器逆变器中最常使用的功率晶体 [8][9][10]。

变频器驱动电动机的方式有很多，其中最简单的是V/f标量控制，变频器的输出电压和输出频率成正比，适用在定转矩的负载中。例如460V，60 Hz的电动机，其电压和频率的比例为460/60 = 7.67 V/Hz，电压和频率的关系称为V/f曲线．有些V/f控制的变频器有输出电压和输出频率平方成正比的曲线，或是多段可设定的V/f曲线[11][12]。V/f控制可以适用在许多简单的应用中，但一些需要低速高转矩、动态速度调整、位置控制或转矩控制的高阶应用中，较不适合使用V/f控制。

另外二种常用的驱动技术分别是向量控制及直接转矩控制（DTC），根据输出电流及电动机转速调整输出电压的大小及角度[13]，目的是精准控制电动机的磁通及转矩。

 
SPWM的弦波输入及二阶（2-level）的PWM输出

变频器的输出是利用逆变器，用脉冲宽度调变（PWM）的方式输出交流电压，其中弦波PWM（SPWM）是最直接调整电动机电压及频率的方式，在右图上方，有大小及频率均可调整的参考弦波讯号（绿色）及锯齿型的载波讯号（蓝色），若参考信号超过载波，则输出高电势，反之，则输出低电势，即可产生一个脉冲宽度随时间变化的输出讯号，输出讯号在滤波后即接近弦波[14][8][15]。变频器的脉冲宽度调变除了SPWM外，还有其他的方式，其中空间向量调变（SVPWM）越来越受到欢迎[16]。

利用变频器可以将电动机在大于额定速度的条件下运作，但提供给电动机的功率不得超过其额定功率。这种应用称为“弱磁”，电压和频率的比例会比较低。永磁同步电动机由于磁铁产生的磁链为定值，因此弱磁区的速度范围较窄，绕线转子电动机及感应电动机弱磁区的速度范围较广。在弱磁时，电动机速度提高了，但其输出转矩会下降，例如对100 hp, 460 V, 60 Hz, 1775 RPM（4极）的感应电动机提供460 V, 75 Hz的电压（6.134 V/Hz），其转速为额定转速的125%（2218.75 RPM），在输出功率不超过100%的条件下，其转矩只有额定转矩的60/75 = 80%。若感应电动机的速度更高时，因着崩溃转矩（breakdown torque）的下降，电动机所能输出的转矩会更低[注解 1]。一般电动机可输出额定功率的转速上限约为额定转速的130%至150%，绕线同步电动机的转速上限更高，有些碾轧用的电动机可以在额定转速的200%至300%时输出额定功率，电动机的最大转速则受转子的机械强度所限制。

变频器中会有一个以微处理器或数字信号处理器为核心的嵌入式系统，控制变频器的运作。相关程序则是在微处理器或者数字信号处理器的固件中。变频器会提供显示信息、变数及机能方块有关的参数，使用者可以透过操作器或通讯进行修改，来监制及保护变频器及驱动的电动机及设备[8][17]。

变频器可以配合以下的功率选配件使用：

操作界面 编辑

 
变频器，上方的操作器有显示器及按钮

变频器一般会有一个操作器作为操作界面，有按键可以启动及停止电动机运转，及调整电动机转速，操作器的其他功能可能包括正反转切换、切换由操作器设定速度或是由外部程序控制讯号设定速度等。变频器一般会包括一组文数字的显示界面及几个LED灯，以提供变频器的相关信息，显示界面可能是有七段显示器或液晶萤幕。操作器一般会设计在变频器的正前方，多半是用信号线和变频器连接。

除了操作器外，变频器也会提供输入及输出端子，可以连接按钮、开关或来自其他设备的信号，信号类型可能是数位、类比或是脉波型的。变频器也常会提供串列通信埠，以提供电脑或PLC规划及监控变频器的运作[8][20][21]。

变频器运作 编辑

变频器可以分为单象限、二象限及四象限运作，四个象限的定义如下：[22][23][24]

  • 第一象限，电动机正转运转[25]，能量从变频器到电动机，电动机的转速及转矩都为正。
  • 第二象限，电动机正转回升或减速制动运转，电动机呈发电机模式，能量从电动机到变频器，转速为正，转矩为负。
  • 第三象限，电动机反转运转，能量从变频器到电动机，电动机的转速及转矩都为负。
  • 第四象限，电动机反转回升或减速制动运转，电动机呈发电机模式，能量从电动机到变频器，转速为负，转矩为正。

其中第一象限及第三象限是转速及转矩同方向，第二象限及第四象限是转速及转矩反方向。

大部分的应用只在第一象限内运作，应用过程中都是由变频器提供能量给电动机，例如像变动转矩的负载（如离心泵浦及风扇）及一些定转矩负载，像压出机（英语：Extrusion），其转速及负载均为正。

有些应用会在第一及第二象限内运作，表示其速度为正，但转矩可能为正或为负，像风扇的减速时间若比其机械损失消耗能量的速度要快，就会进入第二象限。有些资料定义二象限运作是在第一及第三象限内运作，其速度及转矩可能同为正或同为负。

有些应用会有四象限的运作，其速度及转矩都可以为正值或负值，而速度和转矩的方向可能相同，也可能相反，例如升降机在车厢满载时上行，变频器需提供能量给电动机，速度和转矩的方向相同，若在车厢满载时下行，电动机需提供能量给变频器，速度和转矩的方向相反，有些非平面使用的输送带也有类似特性。当变频器的直流链电压小于电动机反电动势（Back EMF），且变频器的电压及反电动势极性相同时，会出现能量回升（Regeneration）的现象，也就是能量从电动机流到变频器[26]。

电动机若不透过变频器，直接接一般三相交流电源，在启动瞬间会有很大的突入电流，约为额定电流的6至8倍。若使用变频器启动，变频器一开始会输出较小频率及电压的交流电压给电动机，再依已规划好的速度提升频率及电压，此启动方式比较不会造成大的突入电流，配合变频器启动，电动机在低速时可以在输入电流不到额定电流50%的条件下输出150%的额定转矩。若经过适当的调整及控制技术，电动机可以从静止到额定转速的转速范围内，都输出150%的额定转矩[27]。不过一般电动机的散热风扇是由电动机本身驱动，在低速时风扇转速也一起变慢，散热效率不佳，若在低速运转时，因为冷却条件的恶化，不太容易在低速时有明显的大转矩，需透过独立提供风扇电源的专用电动机才比较有可能。

电动机透过变频器减速的过程和启动加速的过程类似，变频器用已规划好的速度降低频率及电压，当频率接近零时，变频器停止输出电压，电动机自然停止。另一种停止方式是变频器不降低频率及电压，直接停止输出，电动机会因为本身的摩擦力而停止，但前者可提供的制动转矩较大，电动机减速停止所需的时间也较短。减速过程可能会有能量由电动机进入变频器，若在直流链上加装一个由功率晶体及电阻组成的制动电路，将电动机回昇的能量转换为热能，可以提升变频器的制动转矩。若配合四象限的整流器，也就是主动式前端（active front end），变频器在制动时可以产生反向转矩，并且将能量回灌到三相交流电源端。

优点 编辑

节能 编辑

 
广州地铁列车上的VVVF标识

许多电动机的应用是在定频下驱动电动机，也就是直接用交流电源作为电动机的电源，交流电源的频率即为电动机的频率，但其中一些应用可以允许电动机以比交流电源频率要慢的频率运转，此时若改用变频器驱动，在变频的模式下运作，可以节省不必要的能源消耗。

变频器应用于风机水泵型负载时节能效果明显[28]，离心式的风扇和泵的转矩和转速的平方成正比[29]，功率则和转速的立方成正比。因此速度略为调降时，在变速的模式下运作可以节省较多的能源，例如在不考虑铁损铜损及热损耗的条件下，一台离心泵的电动机转速下降到工频转速的79%时，其耗电量约只有原来的50%，这是依照流体机械理论中相似定律（英语：affinity laws）定义离心负载中各物体量相对关系下的结果。

不过在实际应用时，需考虑电动机的铁损、铜损及热损耗，因为变频运转需配合变频器使用，定频运转不用，比较起来多了变频器本身消耗的能量，若变频运转所节省的能量不够多，变频运转就无法达到节能的效果。

以美国为例，估计约60-65%的电能是用来驱动电动机，其中又有75%是用在负载特性为变动转矩的风扇、泵及压缩机[30]。若使用变频器驱动，估计可节省四千万颗电动机中所消耗能量的18%[31][32]。

所有已安装的交流电动机中，约只有3%是用变频器驱动[33]。不过在新安装的交流电动机中．约有30%至40%会配合变频器使用[34]。

下表列出不同容量的交流电动机，其数量及在交流电动机总能耗中，所占的比例：

2009年统计的电动机数量[35]
小功率 泛用，中功率 大功率
功率 10W至750W 750W至375 kW 375 kW至100MW
电源相数及电压 单相，<240V 三相，200V至1kV 三相，1kV至20kV
在交流电动机总能耗中所占的比例 9% 68% 23%
总数量（百万） 2000 230 0.6

控制性能 编辑

在工业及商业应用中，交流变频器常用来控制加速度、流量、压力、速度、温度、张力及转矩等物理量[36]。

配合定频启动电动机的负载，在启动时有高启动转矩，电流突波可以到满载电流的八倍。若配合变频器使用，启动变频器会慢慢的将电动机加速到定速，减少机械及电子的应力，也降低保养及维修的成本，延长电动机及设备的寿命。

变频器也可以让电动机以一个事先规划的方式运转，进一步的减少机械及电子的应力。例如一般变频器启动时，速度会连续变化，而加速度会有不连续的变化。若在运送带的应用中，可以配合S曲线的机能，使加减速时的加速度也是连续变化，使加减速的过程更为平顺，减少运送带在加减速过程出现的背隙。

直流电动机的控制性能一般会比交流电动机要好，包括可以在低速下连续运转，有回昇机能，可配合四象限运转，也可以有频繁的加减速，但因为有碳刷，在危险环境下需额外的保护[37]。下表比较交流驱动器及直流驱动器的一些重要特性，其中速度部分都是相对电动机同步转速的百分比：[38][39][40]

驱动器种类 直流 交流变频器 交流变频器 交流变频器 交流变频器
控制方式 直流有刷 V/Hz控制 向量控制 向量控制 向量控制
控制架构 闭回路 开回路 开回路 闭回路 开回路
（高频谐波注入）
电动机 直流电动机
DC		 感应电动机
IM		 感应电动机
IM		 感应电动机
IM		 内藏式永磁电动机
IPM
典型的调速比例（%） 0.01 1 0.5 0.01 0.02
典型定转矩的速度范围（%） 0-100 10-100 3-100 1-1500 1-100
100%转矩的最低频率（%） 静止 8% 2% 静止 静止（200%）
是否可同时驱动多个电动机 否 是 否 否 否
故障保护（透过保险丝或是驱动器本身） 保险丝 驱动器内建 驱动器内建 驱动器内建 驱动器内建
保养 碳刷 低 低 低 低
速度回授方式 转速计或编码器 无 无 编码器 无

变频器分类及额定 编辑

变频器拓扑 编辑

 
电压源变频器（VSI）的拓扑
 
电流源变频器（CSI）的拓扑
 
变频器六步方波的波形
 
直接矩阵转换器的拓扑

交流变频器可以分为以下几种拓扑[注解 3][41][42]：

  • 电压源变频器（VSI）：在电压源变频器中，二极管桥式整流的直流输出接到电容器中，电容器为储能元件，提供稳定的电压给变频器，大部分的电动机驱动器都是电压源变频器，输出为PWM的电压[注解 4]。
  • 电流源变频器（CSI）：在电流源变频器中，硅控整流器（SCR）桥式整流的直流输出接到电感器中，电感器为储能元件，提供稳定的电流给变频器，电流源变频器的输出可以是PWM输出或是六步方波输出。
  • 六步方波变频器[43]：可以是电压源变频器或电流源变频器，一般会称为脉波振幅调变（PAM）驱动器[44]或方波驱动器[45]。六步方波变频器中，SCR桥式整流的直流输出经过电容器，提供达灵顿对或IGBT六步方波的电压或电流给电动机[46]。
  • 循环换流器（英语：Cycloconverter）或矩阵转换器（matrix converter）：循环换流器及矩阵转换器都没有中间储存能量的直流电容器或电抗器，循环换流器可视为三相的电流源，三相之间再接三个反并联连接的SCR桥式整流器，每一相个别产生一相的交流电源，矩阵转换器则是将每一相电源各接三个开关，分别对应电动机的三相，用三相电源的九个开关切换控制输出的电压，一般矩阵转换器的开关会以IGBT为基础。。
  • 双馈电机（英语：Doubly fed electric machine）滑差功率回复系统：只适用在绕线转子电动机，转子的滑差功率透过整流，再经过电感器滤波，透过另一个逆变器将能量回复到电源端．可以透过调整直流电流来调整电动机的转速。

控制架构 编辑

变频器使用的控制架构主要可分为以下三种[41][47]：

负载的转矩及功率特性 编辑

变频器的负载可以依其转矩及功率特性分为以下几类：

  • 变转矩：一般是指转矩和频率（或其平方）成正比，例如离心扇、离心泵浦等应用。
  • 定转矩：例如输送带或是容积式泵。
  • 定功率：例如机床或曳引应用。

功率及电压范围 编辑

变频器可以配合不同电压及电流范围的单相及三相电动机使用。低压（LV）变频器一般是指输出电压小于或等于690 V的变频器，低压变频器的功率范围最大可以到约5或6MW[48]，不过低压变频器若应用在较大的功率，其电流也会比较高，而电动机铜损和电流的平方成正比，因为经济性的考量，一般在功率超过375 kW（500HP）到750 kW (1000HP)的范围时，就会使用中压（MV）的变频器，配合中压的电动机使用。

中压变频器有各种不同的拓扑（参考表3），其差异是如何用额定电压较小的功率模组组合出所需的额定电压[49]，其变频器额定电压会大于或等于以下标准电动机额定电压中的一个：2.3/4.16 kV (60 Hz)或3.3/6.6 kV (50 Hz)。有些应用会用低压的变频器，透过升压变压器驱动中压的电动机。

在发展过程中，中压变频器在设计时需要的考量会比低压变频器要多[50][51]。中压变频器的功率最大可以到100 MW，由于不同的功率额定、性能、电源品质及可靠度要求，其中会出现许多不同的变频拓扑[52][53][54]。

依电动机及驱动架构的分类 编辑

变频器可以用以下二种方式分类：

表1：依电动机的分类

电动机
感应电动机（旋转或线性）
鼠笼式感应电动机
 

CSI或VSI（六步方波或PWM）、循环换流器或矩阵转换器

 
 
绕线转子感应电动机
 

机电控制

 
 
双馈电机
 

滑差功率回复（利用Kramer/Scherbius电路）

 
 
 
同步电动机（旋转或线性）
绕线式激磁同步电动机
 

CSI (LCI)、循环换流器、VSI

 
 
永磁电动机
 

轴向或碟式

 
径向
 

内藏式永磁电动机（IPM）

 
表面型永磁电动机（SPM）
梯形波直流无刷电动机、弦波直流无刷电动机
 

VSI

 
 
 
 
 
同步磁阻电动机
 

VSI

 
 
 
变磁阻电动机（旋转或线性）
开关磁阻电动机（英语：Switched reluctance motor）、步进电动机
 

VSI

 
 
 
 

表2：依变频器拓扑的细部分类

 

拓扑

 
间接型AC-AC
低压
IGBT^
二电平VSI PWM
 

大部分的低压变频器

 
 
三电平VSI PWM
 

主要是安川的机种

 
 
 
（SCR/CSI或二极管/VSI）+IGBT
六步方波或PAM
 

例如Baker-Hughes

 
 
 
 
中压
VSI
GCT（门极换流晶闸管）^
三电平中性点嵌位（NPC）变频器
 

主要是ABB及GE的机种

 
 
 
IGBT^
二电平变频器
 

主要是GE-Converteam的机种

 
 
三电平中性点嵌位（NPC）变频器
 

主要是Eaton、GE-Toshiba、西门子的机种

 
 
多电平CHB（级联H桥）变频器
 

主要是GE、西门子（Robicon）、Toshiba的机种

 
 
飞跨电容型变频器
 

主要GE-Converteam的机种

 
 
中性点嵌位/H桥变频器
 

主要是Toshiba的机种

 
 
 
 
CSI
主要是ABB、GE‑Converteam、西门子的机种
SCR^^
 

LCI

 
 
 
主要是Allen-Bradley
有主动式前极的SGCT^^
 

有共模消除技术的CSR PWM/CSI PWM变频器

 
 
SCR + SGCT
 

18-脉冲CSI PWM变频器

 
 
GTO^^
 

利用电容辅助的CSI PWM变频器（旧有机种）

 
 
 
 
 
 
直接型AC-AC
SCR
循环换流器
 

主要是ABB、GE-Converteam、西门子的机种

 
 
 
IGBT
矩阵转换器
 

主要是安川的机种

 
 
 
 

表3：变频器拓扑

 
简化的二电平拓扑
 
简化的中性点嵌位（Neutral Point Clamped）三电平拓扑
 
简化的级联H桥（Cascaded H-bridge）变频器拓扑
 
简化的飞跨电容型（Flying Capacitor）四电平拓扑
 
简化的中性点嵌位H桥变频器拓扑

表1至表3的符号及缩写说明

^ 换流器功率模组（整流器则使用二极管）
^^ 换流器及整流器的功率模组
CHB 级联H桥
CSI 电流源变频器
CSR 电流源整流器
GCT 门极换流晶闸管
GTO 可关断晶闸管
IGBT 绝缘栅双极晶体管
LCI 负载换流变频器
NPC 中性点嵌位
PAM 脉波振幅调变
PWM 脉冲宽度调变
SCR 硅控整流器
SGCT 对称门极换流晶闸管
VSI 电压源变频器

应用考量 编辑

电源端谐波 编辑

主条目：功率因素

[注解 5]

变频器整流器将交流电压转换为直流电压时会出现非线性的半波整流电流，因此造成电源端电流及电压的畸变。若变频器及其他非线性的负载占总负载（或是电源容量）的比例够大，这些负载带来的畸变会影响交流电的波形，其使用同一电网的其他设备有负面的影响。

当交流电源端的电压因为谐波而产生畸变，其他使用交流电源端设备（例如直接接交流电源的电动机）的功率损失会增加，会造成设备过热，降低其使用寿命。而谐波对于供电站的变压器及功因补偿用电容均有负面影响，尤其谐波可能会使电容器产生共振，使谐波的振幅变的更大。

电力公司常会要求客户端的谐波需符合在IEC或IEEE的相关标准，例如IEEE 519标准限制客户在使用一般的交流供电系统时．在供电端的各频率最大谐波电压不得超过市电电压的3%，而电压总谐波失真（THD）不得超过5%[62]。

改善电源端谐波的方式有许多种，例如在变频器的直流链加装电感器、交流电源端加装电感器、变频器的电源加装有多组相位移绕组的变压器（例如12脉波整流变压器）[63]、或是将整流端由二极管改为用IGBT驱动（主动式前端）等。在电源端加装主动式或被动式低波滤波器也可以降低谐波。可以针对五次、七次、十一次、十三次……等kq+/-1次的谐波频率进行滤波，其中k为整数，q为整流器的脉波数，一般三相桥式整流器的q为6[64]。

长导线效应 编辑

[65][66][67][68]

电压型变频器的输出PWM电压有高频的载波成分，电压的上升时间很短，此时需将连接到电动机的导线视为传输线，考虑传输线的效应，由于导线和电动机的阻抗不同，若导线很长时，输出电压的脉波会从电动机端子反射到导线，所造成的过电压等于直流链电压的2倍，或是额定线电压的3.1倍，造成导线及电动机绕线的高电气应力，甚至会破坏绝缘。若是电压为460V或575V的系统，使用第3代，上升时间为0.1ms的IGBT，最长建议的导线长度为50米。若要避免长导线造成的过电压，可以缩短导线长度、降低载波频率、加装dV/dt滤波器、加装低通的LCR弦波滤波器、或是使用变频电动机（其额定电压为600V，可以承受上升时间小于0.1ms的脉波）[69][70][71]。

当载波频率降低时，不但会改善长导线造成的过电压，也会降低变频器的发热量，不过当载波频率低于6kHz，其噪音会变大，在3kHz时最明显，因此仍需要根据噪音、变频器的发热、电压绝缘应力、电动机共模电压等因素选择最佳的载波频率。透过加装LCR低通滤波器或dV/dt滤波器可以进一步的减少谐波成分。

电动机轴承电流 编辑

主条目：轴电压

PWM电动机驱动器会产生高频的共模（英语：common mode）电压及电流，进而产生轴电压，破坏电动机的轴承[72]。当轴上的高频电压借由轴承流到接地点时，在轴承的滚珠和座圈之间会出现放电加工的火花。久而之之会在轴承座圈上产生侵蚀的图案。大电动机绕组的杂散电容提供高频电压路径可以通过轴承，因此轴承电流会形成一个回路。小电动机若接地不良时也可能会产生高频的轴承电流[73]。

避免轴承电流的方式有以下几种：良好的配线及接线、中断轴承电流的传导路径、针对共模电流进行滤波或阻尼的处理。良好的配线及接地包括电动机使用有屏蔽层、几何对称的缆线，装置轴接地电刷，以及使用有导电性的轴承用润滑油。若使用绝缘的轴承，或是特制有静电屏蔽的电动机，可以中断轴承电流的传导路径。除了针对轴承电流进行滤波或阻尼外，使用三电平的变频器或是矩阵转换器也可以改善轴承电流[73][74]。

电动机制动 编辑

感应电动机在驱动负载时，由于输出转矩，电动机有滑差产生，电动机转速会略低于同步转速。当电动机减速时，电动机会输出负转矩，此时电动机会类似发电机，将机械能转换为电能，回灌给变频器的直流链（电容器或电感器）。电阻制动（dynamic braking）也称为动态制动，是指变频器直流链中内建或外挂的制动斩波器，可连接制动电阻，将此能量转换为电阻器的热能，不过电阻器可能需要散热装置，以避免电阻器过热[24]。

动态制动是将电动机的动能转换为电阻器的热能。另外二种制动的方式是再生制动及直流制动，再生制动是指变频器的架构允许将电动机的动能再输回电网，但有此机能的变频器价格较高[75]。直流制动则是变频器输出直流电压及电流给电动机，将电动机的动能转换为电动机本身的热能。

在变频器应用时，若有多台变频器容量相当，且不会同时进行减速，也可以使用共同直流链（common DC bus）的技术，将各台变频器的直流链相连接，有能量回灌给变频器的直流链时，可以由其他几台的电容器吸收，避免因能量回昇出现变频器过电压的情形。

能量回昇机能 编辑

 
可回昇能量给电源线的变频器，变频器上方的电容器及电感器是进行回昇能量的滤波
 
一个复合式电动车的架构简图[76]

回昇型交流变频器是指变频器可以将电动机制动时回昇的能量，并且可以回昇到交流电源系统。

循环换流器、Scherbius型变频器、矩阵转换器、电流源变频器（CSI）及负载换流变频器（LCI）本身都有可将能量回昇到交流电源系统的功能，不过电压源变频器（VSI）则需针对整流器的线路进行修改才可提供此机能[77][78]。

回昇型交流变频器会增加成本，若以成本考量，只有在系统常常进行制动及启动，回昇能量后可节省电费较其成本高时，安装回昇型交流变频器才有其经济效益[77]。若需要控制高惯量负载或是被动拖拽型负载（overhauling load），较适合使用回昇型交流变频器[2]:p210–215[3][79]。

以下是一些应用例：

  • 工厂生产线输送带用的变频器，大约每几分钟就停一次，停止时由各站组装成品，当组装完成后，输送带才继续前进，将成品送到下一站。
  • 起重机的应用，在拉重物上升时的减速过程，以及在拉重物下降时的定速过程都需要制动机能。
  • 各种插电式或混合式的电动车（参照插图及油电复合动力系统）

关连项目 编辑

注解 编辑

  1. ^ NEMA指南定义电动机的崩溃转矩为电动机在额定频率下提供额定的交流电压，在速度不会有突然变化的条件下所能产生的最大转矩
  2. ^ 数学符号dV/dt，是电压V对时间t的微分，表示电压变化的速率，其最大值表示电容器、电动机或其他电路可以承受因快速电压变化带来大电流或电压突波的程度，dV/dt一般的单位会是V/microsecond。
  3. ^ 在电力电子中，拓扑是指交流驱动器之间不同元件之间的关系
  4. ^ 一般PWM电压会简称为PWM，但除了电压源变频器外，其他变频器也可能会有PWM电压或电流的输出
  5. ^ 本章节针对电源端谐波的处理仅限于低压的电压源PWM变频器

参考资料 编辑

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外部链接 编辑

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