淺談變頻器 (VFD)----------余曉光 VE7YXG

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               余曉光先生曾於七十年代初參與技術班組的輔導工作，後隨家人移民加拿大，並在當地考取得業餘電台牌照，呼號VE7YXG。

       簡單來說，變頻器是一個電子器件，應用變頻技術與微電子技術，通過改變電動機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備，一般用來控制三相交流感應電機的轉速、扭矩、加速、減速、剎車、和轉向。變頻器還有很多保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。圖5是一座變頻器，它可以控制一座功率為十匹馬力的電動機，圖6是內視圖。

       變頻器可以代替一個開關，以軟起動的方式去啟動一座大功率的電動機。在一段時間內(如15秒)，它 向電動機提供由零到滿度的工作電流，使電動機平滑啟動。如果沒有它，一座工作電流為一千安培的電動機在啟動時，其瞬間沖擊電流可能高達兩萬安培。我們需要一支兩萬安培的保險桿去保護電動機嗎？答案當然是不，一千安培足爾。其次，在巨大的沖擊電流影響下，供電系統的電壓會急劇下降，影響系統內其他器材的正常運作。還有，電動機的急劇啟動會造成由它所帶動的設備(如機床、水泵等)的嚴重機械損毀。

      當美國電機工程師泰斯拉(Nikola Tesla, 1856-1943)於1888年介紹他的三相交流感應電動機時，他知道他的發明比愛迪生的直流電動機更有效和更可靠。可是，要控制交流電動機的轉速并非一件容易的事。人們只能從改變電動機的磁通量或磁極的數量來達到這個目的。改變電動機磁極數量的方法基本上是不實際和不可行的。因此，即使是在三相交流感應電動機面世數以十年後，當在應用上需要精密的速度控制和功率輸出時，直流電動機始終處於主導地位。如果一定要用交流電動機的話，便要用上齒輪箱或類似的方法達到目的，它的代價是要占用大量的設備空間和進行頻密的機械損耗維修。

      在上世紀的六十年代，由於可控硅(SCR)的出現，上述的情況得到初步改善。人們可以摔掉齒輪箱，用可控硅對電動機的轉速進行連續無級可調。到了八十年代，變頻器的制造成本變得低廉和技術可靠。這時，三相交流感應電動機利用變頻器對傳統的直流電動機進行直接挑戰，改變了自己的地位。進入九十年代，微處器和微控器大量涌現，加上絕緣柵雙極型晶體管(IGTB)制作工藝精進，變頻器的設計和制造趨於成熟。自此，變頻器在各個領域得到廣泛應用，如工業(機床)、農業(水泵)、交通(高鐵電氣機車)等等。與變頻器的發展相似，可編程控制器(PLC)也由六十年代研發，到九十年代成熟。目前，兩者在工業自動控制上都經常共存，就像一對親密無間的夫妻，經常夫(PLC)唱婦(VFD)隨。

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變頻器的構造如圖1所示，它由整流器、濾波器、逆變器、和控制電路組成。

整流器
整流器是以六枚高壓大電流二極管組成橋式全波整流，把單相或三相的交流電(50/60Hz)轉變成脈動的直流電。整流器的輸入交流電壓可以高達600V。

濾波器
濾波器由兩個或多個大容量高電壓電容器組成，它們把脈動的直流電轉化成平滑的直流電，並存儲轉換後的電能。通常在濾波器內會有一枚限流電阻，防止電容器在充電瞬間遭受沖擊電流的破壞。

逆變器
與整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，它由六枚大功率開關晶體管(IGBT)陣列(見圖3，圖4是它的尺寸與中無通訊比較)組成電子開關，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波，以所確定的時間使六個開關器件導通、關斷就可以得到三相交流輸出。目前常見的變頻器是以脈沖寬度調制方式完成上述任務，這種方式可使輸出電流的波形非常接近正弦波，波形失真較少，因而諧波損耗亦較低。逆變器的輸出電壓取決於開關脈沖的寬度與極性，輸出頻率則取決於開關脈沖的周期時間。

控制電路
變頻器的控制電路可將電動機的速度、扭矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 它還不斷檢測外部電路和變頻器內部電路，如有異常，則發出警報，並停止工作。它還可以與外部的硬件或軟件通聯，進行各種操作。

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圖2是變頻器的標準接線圖。
L1，L2，L3是三相電源接線，如果電源是單相的話，則用L1和L2。
T1，T2，T3是三相電動機接線。
B1，B2是剎車電阻接線。是變頻器內斬波器的輸出端，通常接上一枚低阻值大功率電阻，如八歐姆二千瓦。

變頻器的工作模式可分為內控和外控兩種。如果是內控，上述的接線已足夠，這時只要按一下啟動鍵，電動機便會按預設的參數運轉，按一下停車鍵，電動機便會停轉。如果不需要剎車，B1和B2可以空接。 如果是外控，則要使用下列接線。

S1至S6是外接按鈕開關，開關的種類可以是常開(NO)或常關(NC)。每個開關的功能都可以預設，通常S1設為順轉/停車，S2設為逆轉/停車，S3設為外部故障，S4設為故障重置。

電動機的轉速可以以電壓或電流方式調控。如果用電流方式，要在FI接線注入控制電流。如果用電壓方式， 要在FV接線接上控制電壓。一般都是用電壓控制的，在FV輸入0V至10V直流電壓。當是0V時，電動機處於零速，當是10V時，電動機滿速運轉。FS是15V或10V輸出電源，供電壓調速之用，接線可參考由2K5電阻和5K電位器組成的分壓線路。如果FS的輸出電壓是10V時，2K5電阻可以略去。

RS-232是接到電腦去的串聯接口，電腦可以隨時改變變頻器的設定參數。變頻器的設定參數由數十個到一百多二百個不等。

M1，M2是一個內部開關，它的用途由參數設定。MA，MB，MC是一個內部繼電器， 它的用途也是由參數設定。

AM，AC一般接上一個10V直流電壓表，用來顯示電動機的轉速，0V是零速，10V是滿速。