在巴基斯坦這樣的國家，節能非常重要。為了克服能源危機，以最低成本實現的唯一解決方案是節省能源。據說世界上25％的電力都是由交流電機消耗的。這些電機存在一個很大的問題，即啟動浪湧電流很大。當電動機啟動時，電動機吸收大電流，直到電動機達到同步速度時才有用。這種高電流不僅會產生熱量，還會縮短電氣設備的使用壽命，並且功耗也會增加。因此，需要以某種方式或另一種方式減小該電流。通過使用變頻驅動器可以減小該電流。變頻驅動是一種用於控制交流感應電機的速度和頻率的技術，因此它也被稱為可調速驅動器或變速驅動器。在這種現象中，電機的電壓和頻率使用稱為PWM（脈衝的技術）來控制。寬度調製）。有許多其他技術用於降低電機電流，如軟啟動器。但變頻驅動器的好處不僅僅是軟啟動器。就像它根據需求為電器提供能源一樣，它提高了設備的使用壽命，但最大的優點是，它是節能裝置，在像巴基斯坦這樣能源危機已經停止經濟發展的國家非常需要這種裝置。
歷史背景
變頻驅動器通常是電力電子設備的工具，在不瞭解電力電子設備的情況下，我們永遠無法獲得變頻驅動器的深度。電力電子的歷史告訴我們，它的演變始於20世紀初。而Peter Cooper在世界面前提出的第一項發明是汞弧整流器。隨著時間的推移，電力電子產品經歷了許多變化，在20世紀的第3和第4個十年，它逐漸演變為燃氣管電子和飽和磁芯放大器。在20世紀中期，許多在電力電子領域取得了進步，出現的工作是可控硅整流器（SCR）和晶閘管。此後，電力電子技術在研發領域取得了無數進展，直到今天。變頻驅動器的歷史並不像電力電子技術那麼古老。相反，它的發展非常迅速，並且在很短的時間內它在工業中獲得了非常重要的地位。第一個變頻器基於機械原理，因為電力電子技術直到那天才取得了很大的進步。它由可調節直徑的滑輪組成。交流感應電機首先在1924年設計[3]，電機的速度取決於電機的頻率和極點。在發明電動機之後，人們認為電動機可以以可變速度運行，因為唯一可能的解決方案是改變頻率，以便以可變速度運行電動機，因為頻率與電動機速度有直接關係。基於脈衝寬度調製的變頻潛水最早是在芬蘭60年代早期發明的。但在商業規模上，Martti Harmoinen於1972年在赫爾辛基地鐵取得了巨大成就。最初的變頻驅動器基於6步電壓設計。但過了一段時間後，引入了修改後的表格。這是由菲利普斯在80年代中期設計和展示的，它由正弦編碼的PWM芯片組組成。現在出現了一個問題，即變頻驅動器僅用於交流感應電機。答案如下。通常，對於感應電動機的最佳工作，需要滑動，並且該滑動產生所需的可利用扭矩。用於提高交流感應電動機效率和工作的不同技術和方法，如軟啟動器，電壓降低方法，滑差補償和矢量控制。但是，所有這些方法都沒有被證明可以避免已經存在於電動機中的滑動。因為電動機中的這種滑動表示以熱量形式消散的能量，並且可能損害電動機的許多其他敏感部件和繞組，因此減少了電動機的壽命。因此，在應用中需要基於脈衝寬度調製的變頻驅動，其不需要高扭矩和動態響應。價格是使用這種可調速驅動器的一個非常重要的因素，因為它與系統的安裝和維護相關的成本相對較低。在過去10年中，變頻驅動器取得了巨大進步，這無疑取決於電力電子領域的進步。現在市場上的驅動器具有幾個比以前更好的功能。在驅動器中，正在使用高效電容器，用於消除進入直流母線的電壓中的波紋，這種電容器的進步使得驅動器更加節能，因為新制造的電容器的功率損耗比舊技術。此外，新的驅動器包括直流電抗器，用於防止不必要的諧波。交流電機驅動器中增加的額外功能是熱管理系統，通過使用該系統，可以正確監控熱量並執行自動操作相應地。半導體器件的進步使驅動器的效率得到了更大程度的提高。處理設備睡眠功能的電源管理控制是一項非常關鍵的功能，它可以節省能源並防止不必要的功率損耗。這些驅動器佈局的許多新進展，如速度調節，輸入鍵盤和儀表，用於提供有關維護和與其他設備通信的信息。驅動器中的這些特性不僅美化了產品，而且提高了其能力和利用率。
引言
汽車正在全球範圍內用於工業或家用。電力是運行任何電動機的最強大的全功能工具。在所有電動機中，交流感應電動機由於其大量應用而最常使用和廣泛使用。但是需要消除與交流感應電動機相關的問題並以非常有效的方式運行它。就此而言，使用了許多設備，但所有設備中最好的是變頻驅動器，它用於控制電機的速度和頻率，並且通過降低速度，電機可以在各種負載下運行。電機速度與電機運行頻率之間存在直接關係。因此，通過改變交流電壓的頻率，可以根據期望值調節電動機速度。
N = f * 120 / P（1）
N =電機速度（RPM）
F =電機電氣頻率
P =電機電極數
這些變頻器對HVAC系統非常重要，因為HVAC系統在電機達到全速之前消耗了非常大的功率，並且電機吸收了非常大量的浪湧電流，導致這種巨大的能量損失。通過使用變頻驅動器可以減小該啟動電流，從而在很大程度上節省能量。變頻器在風機，泵，塔冷卻系統，微波爐，空調和船舶推進系統等不同設備中有各種應用。據說，從交流電機消耗的能量來看，10％的電機在滿負荷運行時會怠速運轉，12％ - 15％會丟失。因此，用戶非常希望減少這種能量浪費，這隻能通過使用變頻驅動器等設備來實現，因為它的最大優點是節能。
變頻驅動器基本上由三部分組成。這些如下。
- 交流到直流轉換器
- 直流母線
- 逆變器（直流到交流轉換器）
當將固定的AC電壓饋入AC到DC整流器時，AC電壓被轉換為DC電壓。這進一步針對直流總線，其包括電容器並用於存儲電壓並消除直流電壓中的紋波，從而使波形平滑。逆變器是最重要的部分，因為它通過近似方波波形進行直流到交流轉換，正弦波形的脈衝被調整以控制電機的電壓和頻率。變頻驅動的一個非常重要的工具是PWM，它是控制電機速度的關鍵技術。還有很多其他技術，但在本文中，只討論了PWM方法。
工作原理
變頻驅動器包括如上所述的三個主要部分，每個部分都具有其關鍵重要性。第一部分是整流部分，然後是直流總線，最後我們有一個逆變器部分，負載連接。下面在圖1中給出了這些部分的圖示。
圖1：VFD的框圖
- 整流器
本節可包括二極管，晶體管或可控硅整流器。但通常使用二極管是因為它們的成本較低。來自主線的交流電壓具有正峰值和負峰值。當這些電壓饋入該整流器部分的二極管的橋式配置時，負峰值消失，僅保留正峰值。以這種方式，即將到來的電壓的頻率加倍。整流器部分也稱為AC到DC轉換器。此外，這個脈動直流電流通過一個電容器，以消除波形中存在的波紋。這些波紋會導致扭曲並妨礙電器的平穩工作，因此必須使用過濾器將其拆除。交流到直流轉換器的電路圖如圖2所示。
圖2
- DC總線
DC總線用於存儲來自AC到DC轉換器的電壓。這包括電容器和一些其他項目，如電感器或扼流圈，以平滑來自前一部分的電源。因此，通過在該DC總線中存儲電壓來進一步去除波紋。因此，這種直流總線不僅可以用於消除波紋，而且還有助於改善功率因數校正。
- 基於微控制器的PWM
脈衝寬度調製是非常廣泛用於控制電機速度和頻率的基本技術。這可以通過使用微控制器來完成。在這項研究中，我們使用PWM選擇了5Hz至50Hz的頻率範圍。 PWM的基本原理是在微控制器中產生正弦波，該正弦波被強加在三角波上。這導致方波，然後將其饋送到逆變器部分。可以通過改變脈衝的佔空比來控制該方波的寬度。基本上佔空比描述了脈衝波形打開和關閉的時間，因此通過在兩個離散電平之間切換波形，方波用所需佔空比的正弦波近似。 PWM表示如圖3所示。
圖3
- 基於軟件和硬件的PWM上述技術首先使用微控制器在proteus上進行編程並進行仿真。圖示如下圖4所示。
圖4：PWM的軟件表示
此外，這是在控制器硬件上實現的，並且觀察結果並與示波器上的軟件結果相匹配。下圖5顯示了結果。
圖5：PWM硬件結果
- 逆變器的然後將使用PWM生成的方波饋入逆變器部分。本節由絕緣柵雙極結型晶體管（IGBT）組成，它們是功率晶體管。這些IGBT具有非常快的開關速度，其電壓和電流額定值也很高，因此它們最好用於變頻器。在逆變器部分，這些IGBT以H橋配置連接。這些IGBT由兩個PWM饋電，一個是正常的，而另一個是補充。這是因為首先我們需要激勵1號和4號IGBT，這將產生以時鐘方式上升的波形。雖然PWM的補碼用於以反時鐘方式產生波形上升，因此將實現波形的完整循環。但有一點需要注意，有必要引入一個小的死時間。
圖6：PWM波中的死區時間表示
原因很簡單，但重要的是關閉電源設備的時間比打開該設備的時間長得多。由於這個原因，這個死區時間插入了互補通道的切換動作。功率晶體管在方波饋入它們時打開。由於該方波的脈衝寬度在非常高的開關速度下從微控制器變化，因此當在負載下施加時，該方波脈衝用正弦波近似。負載的電感也有助於將這種波形整形為正弦波。因此，使用逆變器和PWM實現了期望的目標。
- VFD的
優點此驅動器有很多好處。
其中一些列在下面。
- 節省能源
- 降低浪湧電流
- 簡單安裝
- 提高功率因數
- KVA降低
- 電機效率
- 低熱和
- 損耗機械損耗
電機中一個非常普遍的問題是，當它們沒有滿負荷運行時，它們的功率因數很低，這會導致嚴重的損壞。因此必須改善這個功率因數。為此目的，正在使用電容器。但使用VFD的另一個優點是直流母線中使用的電容器執行相同的動作。因此，無需添加額外設備，即可進行功率因數校正。變頻驅動器的這些屬性誘使行業選擇它並在能量和損失方面享受額外的節省。
VFD作為節能裝置如前所述，VFD的最大優點是節能。這不僅吸引了消費者，而且在我們需要降低能耗的國家也非常有幫助。為此，我們描述了泵和水流的一個簡單例子，以說明節能的工作。下面提到的等式顯示了功率和泵速度之間的關係。
Flow2 / Flow1 = Speed2 / Speed1（2）
Head2 / Head1 =（Speed2）2 /（Speed1）2（3）
Power2 / Power1 =（Speed2）3 /（Speed1）3（4）
這裡下表1和2顯示不同操作點。上述公式告訴我們，通過使用變頻器，可以在泵的不同工作點節能約85％。
VFD VS其他技術為了克服感應電動機中的電流湧入問題，使用了各種方法。使用軟起動器，自耦變壓器為什麼-Δ起動器和VFD。選擇VFD的原因是VFD將電流浪湧降低到滿載電流。軟啟動器和自耦變壓器不是那麼節能。這兩種方法都以固定頻率（巴基斯坦為50赫茲）運行，這與以可變頻率運行電動機的VFD不同。下表基於實驗結果。
表1：為什麼VFD更可取
上表基於實驗結果。直接啟動是指在沒有任何電流降低裝置的情況下直接在線電壓上啟動電動機。 IFL是指電機的滿載電流，對於每個電機都是唯一的。
結果：
從上述討論和發現中我們推斷出一些有用的結果，這種驅動VFD對工業和家用電器非常有益，因為它可以提高電氣設備的效率並節省大量的能源，並且我們知道它們存在能量和電流之間的直接關係，即
P = I2 * R（5）
P =功率（瓦特）
I =負載電流（安培）
R =負載電阻（歐姆）
因此通過減小電流權力也將減少。如圖4所示，VFD將給出所需的結果。
未來的擴展
通過牢記目前的VFD形式，它將來幾乎不可能發生任何變化。但隨著技術的迅速發展和人們提出的新研究，任何事情都可以預測。FPGA的新興技術，DSP的進步，遺傳算法，模糊邏輯，創新的PWM技術以及電力電子領域的革命可以使我們體驗任何神奇的設備。
此外，VFD還可以使用NANO技術進行小型化。這種微型VFD在小型設備中非常有用，因此也可以在較小的水平上節能。
建議的改進
通過設計這個設備，我們現在可以在這個驅動器上帶來很多改進。就像我們可以引入一個數字鍵盤，通過它可以給出所需的頻率值作為輸入。這就是我們自己選擇的頻率如何驅動負載。此外，我們可以使用GSM模塊遠程監控驅動器的速度和頻率。並且可以從遠處控制驅動器的啟動和停止操作。
結論
從上面的討論和結果我們已經看到變頻驅動器是解決固有電機問題的最佳解決方案，並且該驅動器可以最好地解決節能問題。像軟起動器這樣的其他技術並不像變頻驅動器那樣有效，因為變頻驅動器有許多優點，例如它可以控制電機的啟動和停止，同樣它提供了電機動作的多功能性。過載保護，不需要時的功率降低和動態轉矩控制是變頻器的其他關鍵特性。我們可以建議，在像巴基斯坦這樣的國家，這種設備非常有用，因為我們非常需要能耗最小化，因此VFD應該用於工業和家用電器的HVAC系統。與此設備相關的唯一缺點是成本。這是非常昂貴的，也需要維護。但仍然不能否認變頻驅動器的重要性。
變頻器官網：www.czdrives.com
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