变频驱动器（VFD），也称为变速驱动器（VSD），有时也称为逆变器，自20世纪70年代推出以来，已经从许多进步中受益。然而，在大部分时间内，驱动器的基本设计保持不变，性能，尺寸和成本的改进主要来自驱动器半导体元件的进步。从一开始，VFD就被用来控制电动机的速度，这种电动机在工业和商业应用中消耗了世界上大约25％的电能。根据定义，VFD使用户能够以任何指令速度操作电动机，而不是以固定速度跨越线路运行。这种变速控制可提高能效并减少机械联轴器（例如齿轮，皮带和皮带轮）的磨损。传统的VFD尽管节能和延长设备寿命的优点，VFD有时也会对其附近的电气设备产生不良影响。根据其传统设计的性质，VFD是非线性电气负载;也就是说，它们的输入电流不遵循与电源电压相同的正弦波形。图1说明了这种非正弦电流的原因。传统的VFD对输入的交流（ac）电压进行整流以对电容器充电并建立直流（dc）总线电压电平。然后驱动控制产生两个内部波形-载波和输出。载波是三角波形，其频率远高于用于驱动电动机的频率，通常约为8kHz至15kHz。输出频率是所需电机速度所需频率的模拟正弦波。图2显示了两个内部波形。VFD通过使用脉冲宽度调制（PWM）以输出频率向电机提供电压。由于输出电压源来自总线的直流电压，VFD使用其绝缘栅双极晶体管（IGBT）通过在载波电平低于输出频率电平时接通直流电压来产生模拟输出电压正弦波。当载波大于输出频率电平时将其关闭。图3显示了相应的PWM。电机的电感对PWM波形进行滤波，因此它可以作为模拟正弦波对脉冲进行操作。在操作期间，VFD改变脉冲的时间和宽度，以提供正确的频率，以便以负载所需的速度驱动电动机。当电动机消耗能量时，它会降低直流母线电荷，然后从整流的输入交流电压中补充。虽然总线电压电平随负载而变化，但直流母线仅在整流正弦波的峰值处吸收补充电流。这些电流脉冲在保持直流总线充电和驱动器运行的同时，可能会导致电流谐波出现问题。谐波电流出现在基频的倍数频率，在美国为60赫兹。下面的图4显示了基波（第一）和第五谐波电流之和。为简单起见，图4显示了单相表示，仅显示了五次谐波。实际上，额外的谐波会进一步扭曲电流波形，尽管程度较小。谐波电流（在这种情况下为5次谐波x60Hz=Hz）不能用于实际工作，并将转换为浪费的热量或机械能。谐波会导致电缆过热，断路器跳闸，并对上游变压器造成压力。显着的电流谐波会对电源提供清洁电源的能力产生负面影响，从而导致电压失真，设备中断和电力公司罚款。VFD矩阵设计和操作另一方面，相对较新的VFD设计通过在矩阵布置中使用九个双向IGBT来直接从交流输入生成可变频率交流输出，从而避免了直流总线。在没有直流总线充电的情况下，可以消除相关的非线性输入电流消耗。图5显示了矩阵拓扑。对于使用矩阵设计的驱动器，任何输入阶段都可以随时直接连接到任何输出阶段。驱动器矩阵操作的关键是能够在正确的时间打开和关闭双向开关，以产生操作电机所需的正确输出电压和频率。为了更好地理解，请查看图6中所示的三个输入相电压。现在，在运行中，VFD矩阵设计中内置的控制器会持续监控每个相之间的电压差，如图7所示。这些相电压差为VFD的矩阵设计提供了可用于发送到电机的连续电压范围，以及使用九个IGBT随时将任何输入相切换到任何输出相的能力。同样使用PWM，它们以适当的频率产生适当的电压，以根据负载的需要驱动电机。此外，可用的电压范围使VFD的矩阵设计能够逐步建立其脉冲，以减少电机轴承电流和长电机引线中反射波的陡峭电压升高的影响。（见图8）。除了超低谐波和接近单位功率因数外，VFD的矩阵设计还通过再生提供节能。当电动机由负载驱动时，与驱动负载相反，它充当发电机，将电压发送回VFD。示例包括诸如泵千斤顶的应用，其中负载在电动和再生之间振荡，以及处于连续再生状态的下坡输送机。（见图9）。在传统驱动器中，动态制动电阻器可用于将再生能量转移远离VFD并防止直流总线过压情况。采用矩阵设计的驱动器使用9个双向IGBT，可以将再生电压引导回电源，从而抵消用户的电费。VFD的主要优点是使定速电机能够以可变速度运行。但是，某些应用需要在很长一段时间内全速运行。在这些情况下，矩阵设计可以关闭适当的IGBT，以在电机的输入和输出之间提供直接连接，从而最大化效率，而无需传统的VFD使用接触器绕过驱动器。（见图10）。该模式还允许所有IGBT在保持稳定的开/关位置时“休息”，从而延长了VFD的寿命。VFD用于监控一些采用矩阵设计的VFD可以通过多种方式监控功率，从而提供节能的即时反馈。当提供每千瓦时计费率的美元金额时，VFD上的显示可以根据要求显示以下信息：功率输出能量消耗再生能力节省了电力电费单。将VFD与矩阵或传统设计进行比较还有其他方法可以减轻VFD的谐波。这些包括有源前端和多脉冲变压器，它们需要与VFD结合使用大量附加元件，所有这些都意味着增加了体积，成本和布线连接。采用矩阵设计的VFD可在驱动器中实现低谐波-三线输出，三线输出。虽然采用矩阵设计的VFD价格高于传统VFD，但价格通常与其他低谐波解决方案相当或更便宜。采用矩阵设计的VFD可提供各种电压和功率额定值，通常在V时最高可达HP，在V时最高可达HP或更高。寻找相同的UnderwritersLaboratories（UL），加拿大标准协会（CSA），CE和有害物质限制指令（RoHS）认证和对感应，表面永磁体和内部永磁电机的支持。采用矩阵设计的VFD提供了用户对传统VFD所期望的所有特性和功能，以及额外的优势。随着对可持续性和符合IEEE-的要求的提高，矩阵VFD为应用提供了经济高效，节省空间和能效的方法。

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