变频驱动器是解决固有电机问题的最佳解决方案

电路

汽车正在全球范围内用于工业或家用。电力是运行任何电动机的最强大的全功能工具。在所有电动机中，交流感应电动机由于其大量应用而最常使用和广泛使用。但是需要消除与交流感应电动机相关的问题并以非常有效的方式运行它。就此而言，使用了许多设备，但所有设备中最好的是变频驱动器，它用于控制电机的速度和频率，并且通过降低速度，电机可以在各种负载下运行。电机速度与电机运行频率之间存在直接关系。因此，通过改变交流电压的频率，可以根据期望值调节电动机速度。
N = f * 120 / P（1）
N =电机速度（RPM）
F =电机电气频率
P =电机电极数
这些变频器对HVAC系统非常重要，因为HVAC系统在电机达到全速之前消耗了非常大的功率，并且电机吸收了非常大量的浪涌电流，导致这种巨大的能量损失。通过使用变频驱动器可以减小该启动电流，从而在很大程度上节省能量。变频器在风机，泵，塔冷却系统，微波炉，空调和船舶推进系统等不同设备中有各种应用。据说，从交流电机消耗的能量来看，10％的电机在满负荷运行时会怠速运转，12％ - 15％会丢失。因此，用户非常希望减少这种能量浪费，这只能通过使用变频驱动器等设备来实现，因为它的最大优点是节能。
变频驱动器基本上由三部分组成。这些如下。

交流到直流转换器
直流母线
逆变器（直流到交流转换器）

当将固定的AC电压馈入AC到DC整流器时，AC电压被转换为DC电压。这进一步针对直流总线，其包括电容器并用于存储电压并消除直流电压中的纹波，从而使波形平滑。逆变器是最重要的部分，因为它通过近似方波波形进行直流到交流转换，正弦波形的脉冲被调整以控制电机的电压和频率。变频驱动的一个非常重要的工具是PWM，它是控制电机速度的关键技术。还有很多其他技术，但在本文中，只讨论了PWM方法。
工作原理
变频驱动器包括如上所述的三个主要部分，每个部分都具有其关键重要性。第一部分是整流部分，然后是直流总线，最后我们有一个逆变器部分，负载连接。下面在图1中给出了这些部分的图示。

图1：VFD的框图

整流器

本节可包括二极管，晶体管或可控硅整流器。但通常使用二极管是因为它们的成本较低。来自主线的交流电压具有正峰值和负峰值。当这些电压馈入该整流器部分的二极管的桥式配置时，负峰值消失，仅保留正峰值。以这种方式，即将到来的电压的频率加倍。整流器部分也称为AC到DC转换器。此外，这个脉动直流电流通过一个电容器，以消除波形中存在的波纹。这些波纹会导致扭曲并妨碍电器的平稳工作，因此必须使用过滤器将其拆除。交流到直流转换器的电路图如图2所示。

图2

DC总线

DC总线用于存储来自AC到DC转换器的电压。这包括电容器和一些其他项目，如电感器或扼流圈，以平滑来自前一部分的电源。因此，通过在该DC总线中存储电压来进一步去除波纹。因此，这种直流总线不仅可以用于消除波纹，而且还有助于改善功率因数校正。

基于微控制器的PWM

脉冲宽度调制是非常广泛用于控制电机速度和频率的基本技术。这可以通过使用微控制器来完成。在这项研究中，我们使用PWM选择了5Hz至50Hz的频率范围。 PWM的基本原理是在微控制器中产生正弦波，该正弦波被强加在三角波上。这导致方波，然后将其馈送到逆变器部分。可以通过改变脉冲的占空比来控制该方波的宽度。基本上占空比描述了脉冲波形打开和关闭的时间，因此通过在两个离散电平之间切换波形，方波用所需占空比的正弦波近似。 PWM表示如图3所示。

图3

基于软件和硬件的PWM上述技术首先使用微控制器在proteus上进行编程并进行仿真。图示如下图4所示。

图4：PWM的软件表示

此外，这是在控制器硬件上实现的，并且观察结果并与示波器上的软件结果相匹配。下图5显示了结果。

图5：PWM硬件结果

逆变器的然后将使用PWM生成的方波馈入逆变器部分。本节由绝缘栅双极结型晶体管（IGBT）组成，它们是功率晶体管。这些IGBT具有非常快的开关速度，其电压和电流额定值也很高，因此它们最好用于变频器。在逆变器部分，这些IGBT以H桥配置连接。这些IGBT由两个PWM馈电，一个是正常的，而另一个是补充。这是因为首先我们需要激励1号和4号IGBT，这将产生以时钟方式上升的波形。虽然PWM的补码用于以反时钟方式产生波形上升，因此将实现波形的完整循环。但有一点需要注意，有必要引入一个小的死时间。

图6：PWM波中的死区时间表示

原因很简单，但重要的是关闭电源设备的时间比打开该设备的时间长得多。由于这个原因，这个死区时间插入了互补通道的切换动作。功率晶体管在方波馈入它们时打开。由于该方波的脉冲宽度在非常高的开关速度下从微控制器变化，因此当在负载下施加时，该方波脉冲用正弦波近似。负载的电感也有助于将这种波形整形为正弦波。因此，使用逆变器和PWM实现了期望的目标。

VFD的

优点此驱动器有很多好处。
其中一些列在下面。

节省能源
降低浪涌电流
简单安装
提高功率因数
KVA降低
电机效率
低热和
损耗机械损耗

电机中一个非常普遍的问题是，当它们没有满负荷运行时，它们的功率因数很低，这会导致严重的损坏。因此必须改善这个功率因数。为此目的，正在使用电容器。但使用VFD的另一个优点是直流母线中使用的电容器执行相同的动作。因此，无需添加额外设备，即可进行功率因数校正。变频驱动器的这些属性诱使行业选择它并在能量和损失方面享受额外的节省。
VFD作为节能装置如前所述，VFD的最大优点是节能。这不仅吸引了消费者，而且在我们需要降低能耗的国家也非常有帮助。为此，我们描述了泵和水流的一个简单例子，以说明节能的工作。下面提到的等式显示了功率和泵速度之间的关系。
Flow2 / Flow1 = Speed2 / Speed1（2）
Head2 / Head1 =（Speed2）2 /（Speed1）2（3）
Power2 / Power1 =（Speed2）3 /（Speed1）3（4）
这里下表1和2显示不同操作点。上述公式告诉我们，通过使用变频器，可以在泵的不同工作点节能约85％。
VFD VS其他技术为了克服感应电动机中的电流涌入问题，使用了各种方法。使用软起动器，自耦变压器为什么-Δ起动器和VFD。选择VFD的原因是VFD将电流浪涌降低到满载电流。软启动器和自耦变压器不是那么节能。这两种方法都以固定频率（巴基斯坦为50赫兹）运行，这与以可变频率运行电动机的VFD不同。下表基于实验结果。
表1：为什么VFD更可取

上表基于实验结果。直接启动是指在没有任何电流降低装置的情况下直接在线电压上启动电动机。 IFL是指电机的满载电流，对于每个电机都是唯一的。
结果：
从上述讨论和发现中我们推断出一些有用的结果，这种驱动VFD对工业和家用电器非常有益，因为它可以提高电气设备的效率并节省大量的能源，并且我们知道它们存在能量和电流之间的直接关系，即
P = I2 * R（5）
P =功率（瓦特）
I =负载电流（安培）
R =负载电阻（欧姆）
因此通过减小电流权力也将减少。如图4所示，VFD将给出所需的结果。

未来的扩展
通过牢记目前的VFD形式，它将来几乎不可能发生任何变化。但随着技术的迅速发展和人们提出的新研究，任何事情都可以预测。FPGA的新兴技术，DSP的进步，遗传算法，模糊逻辑，创新的PWM技术以及电力电子领域的革命可以使我们体验任何神奇的设备。
此外，VFD还可以使用NANO技术进行小型化。这种微型VFD在小型设备中非常有用，因此也可以在较小的水平上节能。
建议的改进
通过设计这个设备，我们现在可以在这个驱动器上带来很多改进。就像我们可以引入一个数字键盘，通过它可以给出所需的频率值作为输入。这就是我们自己选择的频率如何驱动负载。此外，我们可以使用GSM模块远程监控驱动器的速度和频率。并且可以从远处控制驱动器的启动和停止操作。
结论
从上面的讨论和结果我们已经看到变频驱动器是解决固有电机问题的最佳解决方案，并且该驱动器可以最好地解决节能问题。像软起动器这样的其他技术并不像变频驱动器那样有效，因为变频驱动器有许多优点，例如它可以控制电机的启动和停止，同样它提供了电机动作的多功能性。过载保护，不需要时的功率降低和动态转矩控制是变频器的其他关键特性。我们可以建议，在像巴基斯坦这样的国家，这种设备非常有用，因为我们非常需要能耗最小化，因此VFD应该用于工业和家用电器的HVAC系统。与此设备相关的唯一缺点是成本。这是非常昂贵的，也需要维护。但仍然不能否认变频驱动器的重要性。

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