变频器

變頻器（Variable-frequency Drive，縮寫：VFD），也稱為變頻驅動器或驅動控制器，另有一英文名稱Inverter，和逆變器的英文相同。變頻器的英文名稱Variable-frequency Drive，是現代科技中少數源自中文者之一。
變頻器是可調速驅動系統的一種，是應用變頻驅動技術改變交流馬達工作電壓的頻率和幅度，來平滑控制交流馬達速度及轉矩，最常見的是輸入及輸出都是交流電的交流/交流轉換器。在變頻器出現之前，要調整馬達轉速的應用需透過直流馬達才能完成，不然就是要透過利用內建耦合機的VS馬達，在運轉中用耦合機使馬達的實際轉速下降，變頻器簡化上述的工作，縮小設備體積，大幅度降低維修率。不過變頻器的電源線及馬達線上面有高頻切換的訊號，會造成電磁干擾，而變頻器輸入側的功率因數一般不佳，會產生電源端的諧波。
變頻器的應用範圍很廣，從小型家電到大型的礦場研磨機及壓縮機。全球約1/3的能量是消耗在驅動定速離心泵、風扇及壓縮機的馬達上，而變頻器的市場滲透率仍不算高。利用變頻器來控制馬達的轉速，帶來能源效率的顯著提昇，是使用變頻器的主要原因之一。變頻器技術和電力電子有密切關係，包括半導體切換元件、變頻器拓撲、控制及模擬技術、以及控制硬體及韌體的進步等。

名稱

變頻器在台灣及韓國因為受到日本廠商影響而曾經被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter），VVVF原為日文「可変電圧可変周波数制御」的英語直譯縮寫。直譯為可變電壓可變頻（控制器，控制元件）。
1980年代中期瀋陽居乃明提出VVVF可簡化命名為變頻器或變頻調速器並用於產品設計，他隨後在中國起重學會瀋陽倉儲設備專題年會上正式發表這個意見（參見《年會論文集》）。東北工學院（今東北大學）著名電力控制與拖動專家佟純厚教授肯定這個意見，並應用在他自己在校內外的課堂和各種講學中。此後迅速流行開來，而被普遍接受，部分國外廠家也接受這個命名，並且採用對應的英文譯名Variable-frequency Drive作為產品通用名稱，甚至連部分日本廠家也逐漸接納這個命名。

系統描述及運作

變頻器是一個驅動系統中的一部份，其中重要的組件包括交流馬達、驅動控制器（即變頻器）本身以及變頻器的操作介面。

交流馬達

變頻器所驅動的交流馬達一般是三相感應馬達，有些變頻器可以驅動單相馬達或特殊的同步馬達使用，但主要仍以驅動三相感應馬達為主，在成本上也比較便宜。一般常會用變頻器驅動為定速驅動而設計的感應馬達，不過變頻器驅動感應馬達時，其電壓應力也會提高，因此一般會建議選用為變頻器驅動而設計的變頻馬達，且需符合NEMA標準MG-1的Part31，也就是馬達在沒有雜訊濾波器或電抗器的條件下，可以承受大小為額定電壓3.1倍，上昇時間不小於0.1μs的電壓。

操作介面

變頻器一般會有一個操作器作為操作介面，有按鍵可以啟動及停止馬達運轉，及調整馬達轉速，操作器的其他功能可能包括正反轉切換、切換由操作器設定速度或是由外部程序控制訊號設定速度等。變頻器一般會包括一組文數字的顯示介面及幾個LED燈，以提供變頻器的相關資訊，顯示介面可能是有七段顯示器或液晶螢幕。操作器一般會設計在變頻器的正前方，多半是用信號線和變頻器連接。
除了操作器外，變頻器也會提供輸入及輸出端子，可以連接按鈕、開關或來自其他設備的信號，信號類型可能是數位、類比或是脈波型的。變頻器也常會提供串列通信埠，以提供電腦或PLC規劃及監控變頻器的運作。

功率及電壓範圍

變頻器可以配合不同電壓及電流範圍的單相及三相馬達使用。低壓（LV）變頻器一般是指輸出電壓小於或等於690 V的變頻器，低壓變頻器的功率範圍最大可以到約5或6MW，不過低壓變頻器若應用在較大的功率，其電流也會比較高，而馬達銅損和電流的平方成正比，因為經濟性的考量，一般在功率超過375 kW（500HP）到750 kW (1000HP)的範圍時，就會使用中壓（MV）的變頻器，配合中壓的馬達使用。
中壓變頻器有各種不同的拓撲（參考表3），其差異是如何用額定電壓較小的功率模組組合出所需的額定電壓，其變頻器額定電壓會大於或等於以下標準馬達額定電壓中的一個：2.3/4.16 kV (60 Hz)或3.3/6.6 kV (50 Hz)。有些應用會用低壓的變頻器，透過升壓變壓器驅動中壓的馬達。
在發展過程中，中壓變頻器在設計時需要的考量會比低壓變頻器要多。中壓變頻器的功率最大可以到100 MW，由於不同的功率額定、性能、電源品質及可靠度要求，其中會出現許多不同的變頻拓撲。

電源端諧波

變頻器整流器將交流電壓轉換為直流電壓時會出現非線性的半波整流電流，因此造成電源端電流及電壓的畸變。若變頻器及其他非線性的負載佔總負載（或是電源容量）的比例夠大，這些負載帶來的畸變會影響交流電的波形，其使用同一電網的其他設備有負面的影響。
當交流電源端的電壓因為諧波而產生畸變，其他使用交流電源端設備（例如直接接交流電源的馬達）的功率損失會增加，會造成設備過熱，降低其使用壽命。而諧波對於供電站的變壓器及功因補償用電容均有負面影響，尤其諧波可能會使電容器產生共振，使諧波的振幅變的更大。
電力公司常會要求客戶端的諧波需符合在IEC或IEEE的相關標準，例如IEEE 519標準限制客戶在使用一般的交流供電系統時．在供電端的各頻率最大諧波電壓不得超過市電電壓的3%，而電壓總諧波失真（THD）不得超過5%。
改善電源端諧波的方式有許多種，例如在變頻器的直流鏈加裝電感器、交流電源端加裝電感器、變頻器的電源加裝有多組相位移繞組的變壓器（例如12脈波整流變壓器）、或是將整流端由二極體改為用IGBT驅動（主動式前端）等。在電源端加裝主動式或被動式低波濾波器也可以降低諧波。可以針對五次、七次、十一次、十三次……等kq+/-1次的諧波頻率進行濾波，其中k為整數，q為整流器的脈波數，一般三相橋式整流器的q為6。

長導線效應

電壓型變頻器的輸出PWM電壓有高頻的載波成份，電壓的上昇時間很短，此時需將連接到馬達的導線視為傳輸線，考慮傳輸線的效應，由於導線和馬達的阻抗不同，若導線很長時，輸出電壓的脈波會從馬達端子反射到導線，所造成的過電壓等於直流鏈電壓的2倍，或是額定線電壓的3.1倍，造成導線及馬達繞線的高電氣應力，甚至會破壞絕緣。若是電壓為460V或575V的系統，使用第3代，上昇時間為0.1ms的IGBT，最長建議的導線長度為50米。若要避免長導線造成的過電壓，可以縮短導線長度、降低載波頻率、加裝dV/dt濾波器、加裝低通的LCR弦波濾波器、或是使用變頻馬達（其額定電壓為600V，可以承受上昇時間小於0.1ms的脈波）。
當載波頻率降低時，不但會改善長導線造成的過電壓，也會降低變頻器的發熱量，不過當載波頻率低於6kHz，其噪音會變大，在3kHz時最明顯，因此仍需要根據噪音、變頻器的發熱、電壓絕緣應力、馬達共模電壓等因素選擇最佳的載波頻率。透過加裝LCR低通濾波器或dV/dt濾波器可以進一步的減少諧波成份。

馬達軸承電流

PWM馬達驅動器會產生高頻的共模電壓及電流，進而產生軸電壓，破壞馬達的軸承。當軸上的高頻電壓藉由軸承流到接地點時，在軸承的滾珠和座圈之間會出現放電加工的火花。久而之之會在軸承座圈上產生侵蝕的圖案。大馬達繞組的雜散電容提供高頻電壓路徑可以通過軸承，因此軸承電流會形成一個迴路。小馬達若接地不良時也可能會產生高頻的軸承電流。
避免軸承電流的方式有以下幾種：良好的配線及接線、中斷軸承電流的傳導路徑、針對共模電流進行濾波或阻尼的處理。良好的配線及接地包括馬達使用有屏蔽層、幾何對稱的纜線，裝置軸接地電刷，以及使用有導電性的軸承用潤滑油。若使用絕緣的軸承，或是特製有靜電屏蔽的馬達，可以中斷軸承電流的傳導路徑。除了針對軸承電流進行濾波或阻尼外，使用三電平的變頻器或是矩陣轉換器也可以改善軸承電流。

馬達剎車

感應馬達在驅動負載時，由於輸出轉矩，馬達有滑差產生，馬達轉速會略低於同步轉速。當馬達減速時，馬達會輸出負轉矩，此時馬達會類似發電機，將機械能轉換為電能，回灌給變頻器的直流鏈（電容器或電感器）。電阻剎車（dynamic braking）也稱為動態剎車，是指變頻器直流鏈中內建或外掛的剎車斬波器，可連接剎車電阻，將此能量轉換為電阻器的熱能，不過電阻器可能需要散熱裝置，以避免電阻器過熱。
動態剎車是將馬達的動能轉換為電阻器的熱能。另外二種剎車的方式是再生制動及直流剎車，再生制動是指變頻器的架構允許將馬達的動能再輸回電網，但有此機能的變頻器價格較高。直流剎車則是變頻器輸出直流電壓及電流給馬達，將馬達的動能轉換為馬達本身的熱能。
在變頻器應用時，若有多台變頻器容量相當，且不會同時進行減速，也可以使用共同直流鏈（common DC bus）的技術，將各台變頻器的直流鏈相連接，有能量回灌給變頻器的直流鏈時，可以由其他幾台的電容器吸收，避免因能量回昇出現變頻器過電壓的情形。