電力電子技術(shù)主編徐立娟

認識變頻器

1項目描述2任務(wù)描述與目標3相關(guān)知識4任務(wù)實施提

綱

一、項目描述變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將50Hz交流電變成頻率可調(diào)的交流電作為電動機的電源裝置，目前在國內(nèi)外使用廣泛。使用變頻器可以起到節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率等作用。

二、任務(wù)描述與目標任務(wù)名稱：認識變頻器任務(wù)描述：變頻器是利用電力電子器件的通斷將工頻交流電變換為另一頻率的交流電的裝置。自20世紀80年代變頻器被引進中國以來，其應用已逐步成為當代電機調(diào)速的主流。那么，這種裝置有什么用途？有哪些類型？它的基本結(jié)構(gòu)又是怎樣的？

二、任務(wù)描述與目標任務(wù)目標：（1）了解變頻器的基本概念。（2）熟悉變頻器的應用。（3）掌握變頻器的基本結(jié)構(gòu)。

三、相關(guān)知識變頻器的用途01變頻器主要用于交流電動機（以下簡稱電動機）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，具有體積小、質(zhì)量小、精度高、功能豐富、保護功能較強、可靠性高、操作簡便、通用性強等優(yōu)點。變頻調(diào)速是公認的交流電動機最理想、最有前途的調(diào)速方案之一，除具有卓越的調(diào)速性能外，變頻調(diào)速還有顯著的節(jié)能效果，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速方式。變頻器作為節(jié)能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，得到快速發(fā)展和廣泛應用。

三、相關(guān)知識變頻器的用途01變頻調(diào)速的節(jié)能變頻器的最初用途是速度控制，目前在國內(nèi)應用較多的原因是節(jié)能。交流電動機的轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅損部分的消耗是不可避免的，采用變頻調(diào)速方式時，無論電動機轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，系統(tǒng)效率是各種交流調(diào)速方式中最高的，采用變頻調(diào)速具有顯著的節(jié)能效果。國家大力提倡節(jié)能，并著重推廣變頻調(diào)速技術(shù)。

三、相關(guān)知識變頻器的用途01變頻調(diào)速的節(jié)能風機、泵類負載的節(jié)能效果非常明顯，節(jié)電率可達20%～60%，這是因為風機、泵類負載的耗用功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，當需要的平均流量較小時，轉(zhuǎn)速降低，其功率按轉(zhuǎn)速的3次方下降。因此，精確調(diào)速的節(jié)電效果非?？捎^。目前應用較成功的案例有恒壓供水，中央空調(diào)，各類風機、水泵的變頻調(diào)速。

三、相關(guān)知識變頻器的用途01以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的的應用變頻調(diào)速除可以在風機、泵類負載上應用外，還可以廣泛應用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域。它可以提高企業(yè)的成品率，延長設(shè)備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統(tǒng)得以簡化，甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高整個設(shè)備的控制水平。

三、相關(guān)知識變頻器的用途01變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)，只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動大都是從低速開始的，頻率較低，加、減速時間可以任意設(shè)定，故加、減速時間較平緩，啟動電流較小，可以進行較高頻率的啟停。

三、相關(guān)知識變頻器的用途01變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻器上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。此外，變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓進行制動，無須另加制動控制電路。

三、相關(guān)知識變頻器的用途01變頻家電除工業(yè)相關(guān)行業(yè)外，在普通家庭中，節(jié)約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等受到越來越多的關(guān)注。變頻家電成為變頻器的另一個廣闊市場和應用趨勢，如帶有變頻控制的冰箱、洗衣機、家用空調(diào)等，在節(jié)電、減小電壓沖擊、降低噪聲、提高控制精度等方面有很大的優(yōu)勢。

三、相關(guān)知識變頻器的基本結(jié)構(gòu)02調(diào)速用變頻器通常由主電路、控制電路組成。變頻器基本結(jié)構(gòu)如圖所示。濾波將外部的工頻交流電源轉(zhuǎn)換為直流電，給逆變電路和控制電路提供所需的直流電源直流電逆變成為頻率、電壓都可以調(diào)節(jié)的交流電控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護電路?？刂齐娐返闹饕δ苁菍⒔邮盏母鞣N信號送至運算電路，使運算電路能夠根據(jù)驅(qū)動要求為變頻器主電路提供必要的驅(qū)動信號，并對變頻器以及異步電動機提供必要的保護、輸出計算結(jié)果。主電路

三、相關(guān)知識變頻器的基本結(jié)構(gòu)02控制電路控制電路包括運算電路、信號檢測電路、驅(qū)動電路和外部接口電路?？刂齐娐返闹饕δ苁菍⒔邮盏降母鞣N信號在運算電路中進行計算，為變頻器整流電路和逆變電路提供驅(qū)動信號，并對變頻器及異步電動機提供必要的保護。（1）接收的各種信號。①各種功能的預置信號。②從鍵盤或外接輸入端子輸入的給定信號。③從外接輸入端子輸入的控制信號。④從電壓、電流采樣電路及其他傳感器輸入的狀態(tài)信號。

三、相關(guān)知識變頻器的基本結(jié)構(gòu)02控制電路（2）進行的運算。①實時地計算出SPWM波形各切換點的時刻。②矢量控制運算或其他必要的運算。（3）輸出的計算結(jié)果。①實時地將計算出的SPWM波形各切換點的時刻輸出至逆變器件的驅(qū)動電路，使逆變器件按給定信號及預置要求輸出SPWM電壓波。②將當前的各種狀態(tài)輸出至顯示器顯示。③將控制信號輸出至外接輸出端子。

三、相關(guān)知識變頻器的基本結(jié)構(gòu)02控制電路（4）實現(xiàn)的保護功能。接收從電壓、電流采樣電路，以及其他傳感器輸入的信號，結(jié)合保護功能中預置的限值進行比較和判斷，若出現(xiàn)故障，則采取以下3種處理方式。①停止發(fā)出SPWM信號，使變頻器中止輸出。②輸出報警信號。③向顯示器輸出故障信號。

三、相關(guān)知識變頻器主電路結(jié)構(gòu)03目前已被廣泛應用在交流電動機變頻調(diào)速中的變頻器是交-直-交變頻器，它是先將穩(wěn)壓穩(wěn)頻（Constant

Voltage

Constant

Frequency，CVCF）的交流電通過整流器變成直流電，再經(jīng)過逆變器將直流電變換成可調(diào)的交流電的間接型逆變電路。

三、相關(guān)知識在交流電動機的變頻調(diào)速控制中，為保持額定磁通基本不變，在調(diào)節(jié)定子頻率的同時必須改變定子的電壓。因此，必須配備變壓變頻（Variable

Voltage

Variable

Frequency，VVVF）裝置。它的核心部分就是逆變電路，其結(jié)構(gòu)如圖所示。變頻器主電路結(jié)構(gòu)03

三、相關(guān)知識按照控制方式的不同，交-直-交變頻器的控制方式可分成以下3種方式。（1）采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)如圖7-3所示。在這種控制方式中，調(diào)壓和調(diào)頻在兩個環(huán)節(jié)上分別進行，在控制電路上協(xié)調(diào)配合，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，因此當電壓調(diào)得較低時，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成的多拍逆變器，每個周期換相6次，輸出的諧波較大，因此這類控制方式現(xiàn)在用得較少。變頻器主電路結(jié)構(gòu)03

三、相關(guān)知識（2）采用不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓，再用逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)如圖所示。整流環(huán)節(jié)采用不可控整流器，只整流不調(diào)壓，再單獨設(shè)置斬波器，使用脈寬調(diào)壓，這種方式能夠改正功率因數(shù)較低的缺點，但輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的缺點。變頻器主電路結(jié)構(gòu)03

三、相關(guān)知識（3）采用不可控整流器整流，PWM逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)如圖所示。在這類控制方式中，用不可控整流器整流，則輸入功率因數(shù)不變；用PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻，則輸出諧波可以減小。變頻器主電路結(jié)構(gòu)03

三、相關(guān)知識在交-直-交變頻器中，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓的波形是矩形波或階梯波，這類變頻器稱為電壓型變頻器，如圖（a）所示。當交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，電源內(nèi)阻抗很大，對負載來說基本是一個電流源，輸出交流電流的波形是矩形波或階梯波，這類變頻器稱為電流型變頻器，如圖（b）所示。變頻器主電路結(jié)構(gòu)03

三、相關(guān)知識交-直-交電壓型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03三相橋式不可控整流，完成交流到直流的變換大電容C濾波電力晶體管VT1～VT6構(gòu)成PWM逆變器，完成直流到交流的變換，并能實現(xiàn)輸出頻率和電壓的同時調(diào)節(jié)，VD1～VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管

三、相關(guān)知識交-直-交電壓型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03可以看出，由于整流電路輸出的電壓和電流極性都不能改變，因此該電路只能從交流電源向中間直流環(huán)節(jié)傳輸功率，再向交流電動機傳輸功率，而不能從中間直流環(huán)節(jié)向交流電源反饋能量。當負載電動機由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)入制動運行時，電動機變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，其能量通過逆變電路中的反饋二極管流入中間直流環(huán)節(jié)，使直流電壓升高而產(chǎn)生過電壓，這種過電壓稱為泵升電壓。

三、相關(guān)知識交-直-交電壓型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03為限制泵升電壓，可給直流側(cè)電容器并聯(lián)一個由電力晶體管VT0和能耗電阻器R組成的泵升電壓限制電路，如圖所示。當泵升電壓超過一定數(shù)值時，VT0導通，能量消耗在R上。這種電路可運用于對制動時間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。

三、相關(guān)知識交-直-交電壓型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03在要求電動機頻繁、快速加減速的場合，上述帶有泵升電壓限制電路的逆變電路耗能較多，能耗電阻器R也需較大的功率。因此，希望在制動時把電動機的動能反饋回電網(wǎng)。這時，需要增加一套有源逆變電路，以實現(xiàn)再生制動，可以再生制動的逆變電路如圖所示。

三、相關(guān)知識交-直-交電流型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03整流器采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路，完成交流到直流的變換，輸出可控的直流電壓U，實現(xiàn)調(diào)壓功能大電感L濾波逆變器采用晶閘管構(gòu)成的串聯(lián)二極管式電流型逆變電路，完成直流到交流的變換，并實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。

三、相關(guān)知識交-直-交電流型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03由圖可以看出，電力電子器件的單向?qū)蛐裕沟秒娏鱅D不能反向，而中間直流環(huán)節(jié)采用的大電感濾波，保證了ID的不變，但可控整流器的輸出電壓Ud是可以迅速反向的。因此，電流型變頻電路很容易實現(xiàn)能量回饋。下圖給出了電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動運行和回饋制動兩種運行狀態(tài)。其中，UR為晶閘管可控整流器，UI為電流型逆變器。當可控整流器UR工作在整流狀態(tài)（

＜90°）、逆變器工作在逆變狀態(tài)時，電機在電動狀態(tài)下運行，如圖（a）所示。

三、相關(guān)知識交-直-交電流型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03

三、相關(guān)知識交-直-交電流型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03這時，直流回路電壓Ud的極性為上正下負，電流由Ud的正端流入逆變器UI，電能由交流電網(wǎng)經(jīng)變頻器傳送給電機，變頻器的輸出頻率w1>w，電機處于電動狀態(tài)。此時，如果降低變頻器的輸出頻率，或從機械上提高電機轉(zhuǎn)速，使w1<w，同時使可控整流器UR的控制角α＞90°，則電機進入發(fā)電狀態(tài)，且直流回路電壓Ud立即反向，而電流ID方向不變。于是，逆變器UI變成整流器，而可控整流器UR轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，電能由電機回饋給交流電網(wǎng)，如圖（b）所示。

三、相關(guān)知識交-直-交電流型逆變電路變頻器主電路結(jié)構(gòu)03交-直-交電流型PWM變頻電路，負載為三相異步電動機。逆變器為采用GTO作為功率開關(guān)器件的電流型PWM逆變電路，圖中的GTO用的是反向?qū)щ娦推骷?，因此，給每個GTO串聯(lián)了二極管以承受反向電壓。逆變電路輸出端的電容C是為吸收GTO關(guān)斷時所產(chǎn)生的過電壓而設(shè)置的，它也可以對輸出的PWM電流波形而起濾波作用。整流電路采用晶閘管而不是二極管，這樣在負載電動機需要制動時，可以使整流部分工作在有源逆變狀態(tài)，把電動機的機械能反饋給交流電網(wǎng)，從而實現(xiàn)快速制動。

三、相關(guān)知識交—直—交電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較變頻器主電路結(jié)構(gòu)03電壓型變頻器和電流型變頻器的區(qū)別僅在于中間直流環(huán)節(jié)濾波器的形式不同，兩類變頻器在性能上相當大的差異，主要表現(xiàn)比較見表。特點名稱電壓型變頻器電流型變頻器儲能元件電容器電抗器輸出波形的特點電壓波形為矩形波電流波形近似正弦波電流波形為矩形波電壓波形為近似正弦波

三、相關(guān)知識交—直—交電壓型變頻器與電流型變