什麼是變頻驅動器 (VFD)？

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變頻驅動器 (VFD) 是一種電力電子裝置，用於控制電動機（特別是感應電動機）的執行。它是一種電機驅動器，其工作原理基於電源電壓和頻率的變化。它也以許多其他名稱而聞名，例如變速驅動器、交流驅動器、可調頻率驅動器、可調速驅動器、微型驅動器等。

VFD 主要用於透過改變輸入電源的頻率和電壓來控制感應電動機的速度。在本文中，我們將討論變頻驅動器 (VFD) 的基礎知識、工作原理、優點、缺點和應用。

但在討論 VFD 之前，讓我們首先了解電動機的速度是如何依賴於頻率的。

速度與頻率之間的關係

對於電動機，電動機的速度 (RPM) 與電源電壓的頻率成正比，即：

$$\mathrm{N_S\:\varpropto \:f}$$

頻率和速度之間的關係由以下公式給出：

$$\mathrm{N_S\:=\:\frac{120f}{P}}$$

其中

• $\mathrm{N_s}$ 是電動機的同步速度（單位：RPM）

• f 是電源頻率（單位：赫茲）

• P 是電動機的極數

從這個公式可以看出，頻率越高，電動機的速度就越高。因此，如果我們需要控制電動機的速度，可以透過控制電源電壓的頻率來實現。為了調整頻率，我們可以使用變頻驅動器或 VFD。

什麼是變頻驅動器 (VFD)？

如上所述，VFD 或變頻驅動器是一種電機控制器或電機驅動器，用於改變電動機或感應電動機的速度。從基礎知識中我們知道，感應電動機的速度與施加電壓的頻率成正比。因此，透過調整電源頻率，我們可以調節電動機的速度。

VFD 是各種工業應用中最流行的電機控制器之一，在這些應用中需要精確的速度控制。

VFD 改變電源的頻率和電壓以滿足電機負載條件的速度要求。典型變頻驅動器的框圖如下所示：

它包括三個主要元件：輸入轉換器（將交流電轉換為直流電）、濾波器（濾除直流電中的交流電分量）和輸出逆變器（將直流電轉換為具有不同頻率和不同電壓值的交流電）。

現在讓我們詳細瞭解變頻驅動器的執行原理。

變頻驅動器的執行原理

變頻驅動器透過改變輸入到感應電動機的電源頻率和電壓來工作。這種變化是根據電機的負載和速度要求進行的。

我們可以從上面所示的框圖中瞭解變頻驅動器的執行原理。從該框圖可以看出，VFD 執行以下三個主要功能：

• 整流

• 濾波

• 逆變

在第一階段，使用整流器將輸入交流電壓轉換為直流電壓。然後，使用電容濾波電路對轉換後的直流電壓進行濾波，以去除交流脈衝。最後，將濾波後的直流電源提供給逆變器，逆變器將直流電轉換為所需頻率的交流電。最後，將這個變頻電源電壓提供給需要控制速度的電動機。

從上述討論可以看出，VFD 或變頻驅動器的執行原理非常簡單。

變頻驅動器的優點

變頻驅動器廣泛用於交流電動機的速度控制，因為它具有以下主要優點：

• 變頻驅動器透過根據負載要求調節電機的速度來提高能源效率。

• 變頻驅動器提供了一種高效且精確的控制電動機速度的方法。

• VFD 減少了電機在速度控制過程中的機械衝擊和應力。

• VFD 還配備了保護裝置，以保護電動機免受欠壓、過壓、短路、相位不平衡等故障的影響。

• VFD 還降低了電機執行過程中的振動和噪音。

• 變頻驅動器允許電動機軟啟動和軟停止。

• VFD 還減少了電動機在啟動階段所吸收的浪湧電流，因此可以防止電機過熱和絕緣失效。

• 變頻驅動器使電機的執行更加平穩，減少了磨損和撕裂。因此，它們延長了電機的壽命。

• VFD 降低了電機吸收的無功功率，從而提高了其功率因數。

• 使用 VFD 可以減少對用於功率因數校正的電容組的需求。

變頻驅動器的缺點

變頻驅動器具有上述諸多優點，但也具有一些缺點。變頻驅動器的一些主要缺點如下：

• 與其他型別的電機驅動器相比，變頻驅動器的初始成本非常高。

• VFD 需要安裝和程式設計以實現所需的操作，這增加了為此目的所需專業人員的額外成本。

• 變頻驅動器的設計、製造和維護比其他型別的電機控制驅動器相對複雜。

• 操作和維護變頻驅動器需要技術專業知識。

• 變頻驅動器可能會向電力供應系統注入諧波。這可能會干擾其他敏感裝置的執行並損壞它們。

• 變頻驅動器容易受到惡劣環境條件（如灰塵、潮溼、溫度變化等）的影響。

• 由於變頻驅動器涉及將交流電轉換為直流電，然後又將直流電轉換回交流電，這會導致某種程度的功率損失和效率降低。

變頻驅動器的應用

變頻驅動器的主要用途是控制交流電動機的速度。因此，VFD 廣泛用於以下應用中，用於控制電機的速度：

• 大型工業風扇

• 水泵和液體泵

• 壓縮機

• 過程控制系統

• 造紙和紡織廠

• 輸送機

• HVAC（暖通空調）系統

• 電梯和升降機

• 車床、鑽床、銑床等。

結論

變頻驅動器或 VFD 是一種電機控制器，用於控制交流電機的速度，主要是感應電動機的速度。由於其可靠性和效率，它被廣泛應用於各種應用中。

變頻驅動器只不過是一種電機驅動器，它透過改變輸入到電機的電源頻率和電壓來控制電動機的速度。VFD 的使用是因為其節能機制、廣泛的速度變化範圍、電機的軟啟動、延長的電機壽命等。