最初,，變頻裝置被用于控制電機(jī)的速度,，消耗的能源約占到世界工商業(yè)應(yīng)用總能耗的25%。根據(jù)定義,，變頻器使用戶能夠以任何轉(zhuǎn)速運(yùn)行,，這和在全部運(yùn)行曲線上都以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行形成鮮明對(duì)比。這種變速控制可以提高能源效率,，減少機(jī)械接頭的磨損和撕裂,，如齒輪、皮帶和滑輪等等,。

盡管具有能源節(jié)約和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命方面的優(yōu)勢(shì),，變頻器有時(shí)也會(huì)對(duì)鄰近電氣設(shè)備造成意想不到的影響。從常規(guī)設(shè)計(jì)方案的本質(zhì)上來(lái)講,，變頻器是非線性電力負(fù)載,，也就意味著，它們的輸入電流不隨電源電壓的正弦波形而變化。

傳統(tǒng)變頻器,，利用輸入的交流電（AC）電壓,，為電容器充電，建立直流（DC）總線電壓,。驅(qū)動(dòng)控制機(jī)制隨后生成兩個(gè)內(nèi)部波形——載波和輸出,。載波為三角波形，其頻率遠(yuǎn)高于驅(qū)動(dòng)電機(jī)所用的頻率,，通常約為8 kHz到15 kHz,。輸出頻率是一個(gè)模擬的正弦波，頻率為期望電機(jī)轉(zhuǎn)速所需的頻率,。

變頻器為電機(jī)提供電壓,，采用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)其輸出頻率。由于輸出電壓來(lái)自于直流電源總線,，變頻器利用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來(lái)形成模擬的正弦波輸出電壓：當(dāng)載波電平小于輸出頻率水平時(shí)開(kāi)啟直流電壓,，在載波電平高于輸出頻率水平時(shí)關(guān)閉直流電壓。

電機(jī)電感過(guò)濾PWM波形,，所以它運(yùn)行在模擬正弦波上,。在運(yùn)行過(guò)程中，變頻器改變脈沖的時(shí)間和寬度,，提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在負(fù)載所需轉(zhuǎn)速上的頻率,。

由于電機(jī)消耗能源，它會(huì)拉低直流總線上的電負(fù)荷,，隨后電容從交流電源充電,。盡管總線電壓水平隨著負(fù)載的不同而有所波動(dòng)，直流總線只是在正弦波的峰值時(shí)才會(huì)拉低充電電流,。這些電流脈沖,，在保持為直流總線充電并保持驅(qū)動(dòng)器可運(yùn)行的同時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電源諧波方面問(wèn)題,。

諧波電流發(fā)生的頻率為基波頻率的倍數(shù),，美國(guó)的基波為60Hz。圖1顯示的是基波（一階）和五階諧波電流之和,。在實(shí)踐中,，額外諧波會(huì)進(jìn)一步造成電流波形的失真，只是程度較輕而已,。諧波電流（在這種情況下,，五階× 60 Hz = 300 Hz）不能用于實(shí)際工作，只能轉(zhuǎn)換成廢熱或機(jī)械能,。

圖1：此圖說(shuō)明了總電流和一階與五階諧波的總和,。圖片來(lái)源：安川

諧波會(huì)引起電纜過(guò)熱,、斷路器跳閘，并對(duì)上游變壓器造成壓力,。較大的諧波電流,，會(huì)對(duì)電源提供優(yōu)質(zhì)輸出電流的能力造成負(fù)面影響，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電壓畸變,、設(shè)備中斷和電力公司的罰款,。

一個(gè)相對(duì)較新的變頻器設(shè)計(jì)，是利用矩陣排列的九個(gè)雙向絕緣柵雙極晶體管來(lái)代替直流母線,，直接從交流輸入產(chǎn)生變頻交流輸出,。無(wú)需對(duì)直流母線充電，就不需要相關(guān)的非線性輸入電流,。圖2顯示了矩陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

圖2：圖中顯示了矩陣設(shè)計(jì)變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對(duì)使用矩陣設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器,，在任何時(shí)間,，任何輸入相位都可以直接連接到任何輸出相。驅(qū)動(dòng)矩陣操作的關(guān)鍵是在正確的時(shí)間把雙向開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換以產(chǎn)生運(yùn)行電機(jī)所需的適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷汉皖l率的能力,。

內(nèi)置到變頻器矩陣設(shè)計(jì)的控制,，可連續(xù)監(jiān)測(cè)三個(gè)輸入相電壓之間的電壓差。這些相電壓差異,，使變頻器矩陣設(shè)計(jì)可以為電機(jī)提供一個(gè)連續(xù)可調(diào)的電壓,，還具有利用九個(gè)絕緣柵雙極晶體管在任何時(shí)刻開(kāi)關(guān)任何輸入相的能力。同時(shí)采用脈寬調(diào)制,，產(chǎn)生適當(dāng)頻率,、適當(dāng)電壓的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的電機(jī),。

此外,，可用電壓的范圍，使變頻器矩陣設(shè)計(jì)逐步建立脈沖,，從而減少尖峰電壓對(duì)電機(jī)軸承電流以及對(duì)電機(jī)長(zhǎng)引線的反射波所造成的影響,。

除了超低諧波和接近單位功率因數(shù)，變頻器矩陣設(shè)計(jì)還通過(guò)再生實(shí)現(xiàn)能源節(jié)省,。當(dāng)電機(jī)由負(fù)載驅(qū)動(dòng),，而不是直驅(qū)動(dòng)負(fù)載，它就是一個(gè)發(fā)電機(jī),，回送電壓至變頻器,。這樣的例子有泵、千斤頂?shù)?，?fù)載在電機(jī)和再生之間波動(dòng),，向下的傳輸帶則是一個(gè)連續(xù)的再生狀態(tài)（見(jiàn)圖3）,。

圖3：本圖所示為傳統(tǒng)變頻器與用于能量再生的安川矩陣變頻器的比較。

在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)中,，動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻將再生能量從變頻器轉(zhuǎn)移,，以防止直流母線過(guò)電壓。矩陣設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)則利用九個(gè)雙向絕緣柵雙極晶體管來(lái)將再生電壓回送至電源,，從而可以抵扣用戶的電費(fèi),。

變頻器的主要優(yōu)點(diǎn)是將定速電機(jī)以變頻的方式運(yùn)行。然而,，某些應(yīng)用,，在某段時(shí)間內(nèi)的大部分時(shí)間都是全速運(yùn)轉(zhuǎn)。在這些情況下,，矩陣設(shè)計(jì)可以關(guān)閉相應(yīng)的絕緣柵雙極晶體管,，直接將輸入作為輸出連接到電機(jī)，從而可以最大限度地提高效率,，而不需要使用通過(guò)接觸器旁路驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)變頻器,。.

由于在保證穩(wěn)定開(kāi)/關(guān)狀態(tài)時(shí)，絕緣柵雙極晶體管可以“休息”,，所以這種模式也延長(zhǎng)了變頻器的壽命,。

矩陣設(shè)計(jì)的變頻器可以用幾種方法檢測(cè)電源，提供及時(shí)反饋以節(jié)約能源,。如果提供每千瓦時(shí)的美元結(jié)算價(jià)格,，變頻器的顯示屏可以按需選擇以下信息：

• 功率輸出

• 功率消耗

• 再生能源

• 節(jié)省的電能

• 電費(fèi)賬單

也可以通過(guò)其它方式來(lái)降低變頻器的諧波。這些方法包括有源前端和多脈沖變壓器,，它需要大量的附加組件與變頻器）配合,，所有這一切都意味著增加體積、成本以及導(dǎo)線連接,。矩陣設(shè)計(jì)的變頻器在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)低諧波：三線進(jìn),，三線出。盡管矩陣設(shè)計(jì)變頻器的價(jià)格要高于傳統(tǒng)變頻器,，但價(jià)格通常與其它低諧波解決方案相當(dāng)甚至更低,。

矩陣設(shè)計(jì)變頻器的電壓和功率額定值的范圍較寬，通常在240伏時(shí)可達(dá)到100馬力,，在480伏時(shí)可達(dá)到350馬力或更高,。具體可參照美國(guó)安全檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室公司（UL）、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（CSA）,、CE和RoHS認(rèn)證和支持的感應(yīng),、表面永磁、內(nèi)部永磁電機(jī),。

用戶期望從傳統(tǒng)的變頻器獲得的所有特性和功能,，矩陣設(shè)計(jì)變頻器都能夠提供,，且還具有其它優(yōu)勢(shì)。對(duì)持續(xù)性的較高要求,，以及為了滿足IEEE 519-2014標(biāo)準(zhǔn)的要求,，矩陣變頻器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)省空間并且節(jié)省能源的方法,。

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