變頻器知識學習培訓教程全案

變頻器知識學習培訓教程全案

目錄

第1章緒論.....................................................................1

1.1變頻器技術的進展歷史......................................................1

1.2變領器調(diào)速操縱系統(tǒng)的優(yōu)勢.................................................2

1.3變領器技術的進展動向......................................................6

第2章變頻器的基本原理及操縱方式...............................................9

2.1變頻器的基本構成與工作原理...............................................9

2.1.1變頻器的基本構成...................................................9

2.1.2變頻器內(nèi)部電路的基本功能..........................................9

2.1.3逆變電路基本工作原理..............................................11

2.2變頻器的種類.............................................................11

2.3變頻器的操縱方式.........................................................16

2.3.1V/f恒定操縱........................................................17

2.3.2矢量操縱...........................................................20

2.4變頻器驅動系統(tǒng)的設計....................................................24

2.4.1機械負載與電動機的轉矩特性.......................................25

2.4.2設計變額器驅動系統(tǒng)的要點.........................................28

第3章變頻器的安裝調(diào)試與維修保養(yǎng)..............................................33

3.1變頻器的設置環(huán)境與安裝..................................................33

3.1.1變頻器的設置環(huán)境..................................................33

3.1.2變頻器的安裝方式...................................................34

3.2配線....................................................................35

3.2.1主電路配線.........................................................35

3.2.2接地線配線.........................................................35

3.2.3操縱電路布線.......................................................36

3.3通電前的檢查.............................................................37

3.3.1外觀及結構檢查.....................................................37

3.3.2絕緣電阻檢查.......................................................37

3.4試運行....................................................................38

3.4.1電動機單獨運行.....................................................38

3.4.2負載機械的試運行...................................................38

3.5檢查與維修保養(yǎng)...........................................................39

3.5.1維修保養(yǎng)時應遵照的準則............................................39

3.5.2定期檢查與維修保養(yǎng)................................................40

第4章變頻器常見特殊及其計策...............................................42

4.1變頻器自身特殊及計策....................................................42

4.1.1設置環(huán)境............................................................42

4.1.2外部噪聲的影響.....................................................42

4.1.3電源特殊............................................................44

4.2變頻器對周邊設備的影響及計策..........................................46

4.3變頻器驅動系統(tǒng)故障分析.................................................47

第5章閉環(huán)操縱系統(tǒng).....................................................50

5.1自動操縱系統(tǒng)概述.........................................................50

5.1.1自動操縱系統(tǒng)的構成及方框圖........................................50

5.1.2自動操縱系統(tǒng)的分類.................................................52

5.2對自動操縱系統(tǒng)的基本要求...............................................53

5.2.1操縱系統(tǒng)的要緊性能指標............................................53

5.2.2反饋操縱系統(tǒng)的過渡響應............................................54

5.2.4反饋操縱系統(tǒng)過渡過程中的品質指標.................................56

5.3PID的調(diào)節(jié)原理...........................................................58

5.3.1PID的操縱算式.....................................................59

5.5PID操縱器的參數(shù)整定................................................61

第1章緒論

1.1變頻器技術的進展歷史

直流電動機拖動與交流電動機抱功先后誕生于19世紀，距今已有100多年的歷史，

并已成為動力機械的要緊驅動裝置。但是，由于技術上的原因，在很長一段時期內(nèi)，

占整個電力拖動系統(tǒng)80%左右的不變速拖動系統(tǒng)中使用的是交流電動機（包含異步電

動機與同步電動機），而在需要進行調(diào)速操縱的拖動系統(tǒng)中則基本上使用的是直流電動

機。

但是，由于結構上的原因，直流電動機存在下列缺點：

（1）需要定期更換電刷與換向器，保護保養(yǎng)困難，壽命較短；

（2）由于直流電動機存在換向火花，難以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；

（3）結構復雜，難以制造大容量、高轉速與高電壓的直流電動機。

而與直流電動機相比，交流電動機則具有下列優(yōu)點：

（1）結構牢固，工作可靠，易于保護保養(yǎng)；

（2）不存在換向火花，能夠應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；

（3）容易制造出大容量、高轉速與高電壓的交流電動機。

因此，很久以來，人們希望在許多場合下能夠用可調(diào)速的交流電動機來代替直流

電動機，并在交流電動機的調(diào)速操縱方面進行廠大量的研究開發(fā)工作。但是，直至20

世紀70年代，交流調(diào)速系統(tǒng)的研究開發(fā)方面一直未能得到真正能夠令人滿意的成果，

也因此限制了交流調(diào)速系統(tǒng)的推廣應用。也正是由于這個原因，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使

用的諸如風機、水泵等需要進行調(diào)速操縱的電力拖功系統(tǒng)中不得不使用擋板與閥門來

調(diào)節(jié)風速與流量。這種做法不但增加了系統(tǒng)的復雜性，也造成了能源的浪費。

經(jīng)歷了20世紀70年代中期的第2次石油危機之后，人們充分認識到了節(jié)能工作

的重要性，并進一步重視與加強了對交流調(diào)速技術的研究開發(fā)工作。隨著同時期內(nèi)電

力電子技術的進展，作為交流調(diào)速系統(tǒng)核心的變頻器技術也得到顯著的進展，并逐步

進入有用階段。

盡管進展變頻驅動技術最初的日的要緊是為了節(jié)能，但是隨著電力電子技術、微

電子技術與操縱理論的進展，電力半導體器件相微處理器的性能不斷提高，變頻驅動

技術也得到了顯著進展。隨著各類復雜操縱技術在變頻器技術中的應用，變頻器的性

能不斷得到提高，而且應用范圍也越來越廣。目的變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)，

得到了廣泛的應用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領域，同時在空調(diào)、洗衣

機、電冰箱等家電產(chǎn)品中也得到了廣泛應用。

變頻器技術是一門綜合性的技術，它建立在操縱技術、電力電子技術、微電子技

術與計算機技術的基礎之上，并隨著這些基礎技術的進展而不斷得到進展。

1.2變領器調(diào)速操縱系統(tǒng)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機進行調(diào)速操縱的交流拖動

系統(tǒng)有許多優(yōu)點，如節(jié)能，容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速操縱，能夠實現(xiàn)大范圍內(nèi)的

高效連續(xù)調(diào)速操縱，容易實現(xiàn)電動機的正反轉切換，能夠進行高頻度的起停運轉，能

夠進行電氣制動，能夠對電動機進行高速驅動，能夠習慣各類工作環(huán)境，能夠用一臺

變頻器對多臺電動機進行調(diào)速操縱。電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，能夠構成高

性能的操縱系統(tǒng)等等。下面我們將簡單介紹一下上面提到的變頻器調(diào)速操縱系統(tǒng)的各

類要緊優(yōu)點。在許多情況下，使用變頻器的目的是節(jié)能，特別是關于在工業(yè)中大量使

用的風扇、鼓風機與泵類負載來說，通過變頻器進行調(diào)速操縱能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)亡利用擋

板與閥門進行的風量、流量與揚程的操縱，因此節(jié)能效果非常明顯。

由于以節(jié)能為目的的調(diào)速運轉對電動機的調(diào)速范圍與精度要求不高，因此通常使

用在價格方面比較經(jīng)濟的通用型變頻器。

由于變頻器能夠看作是一個頻率可調(diào)的交流電源，關于現(xiàn)有的進行恒速運轉的異

步電動機來說，只需在電網(wǎng)電源與現(xiàn)有的電動機之間接入變頻器與相應設備，就能夠

利用變頻器實現(xiàn)調(diào)速操縱，而無需對電動機與系統(tǒng)本身進行大的設備改造。

在使用了變頻器的交流拖動系統(tǒng)中，異步電動機的調(diào)速操縱是通過改變變頻器的

輸出頻率實現(xiàn)的。因此，在進行調(diào)速操縱時，能夠通過操縱受頻器的輸出頻率使電動

機工作在轉差較小的范圍，電動機的調(diào)速范圍較寬，并能夠達到提高運行效率的目的。

通常來說，通用型變頻器的調(diào)速范圍能夠達到1：10以上，而高性能的矢量操縱變頻

器的調(diào)速范圍能夠達到1：1000。此外，當使用矢量操縱方式的變頻器對異步電動機

進行調(diào)速操縱時，還能夠直接操縱電動機的輸出轉短。因此，高性能的矢量操縱變頻

器與變頻器專用電動機的組合在操縱性能方面能夠達到與超過高精度直流伺服電動機

的操縱性能。

利用普通的電網(wǎng)電源運行的交流拖動系統(tǒng)，為了實現(xiàn)電動機的正反轉切換，務必

利用開閉器等裝置對電源進行換相切換。利用變頻器進行調(diào)速操縱時，只需改變變頻

器內(nèi)部逆變電路換流器件的開關順序即能夠達到對輸出進行換相的口的，很容易實現(xiàn)

電動機的正反轉切換而不需要專門設置正反轉切換裝置。

此外，對在電網(wǎng)電源下運行的電動機進行正反轉切換時、假如在電動機尚未停止

時就進行相序的切換，電動機內(nèi)將會由于相序的改變而流過大于起動電流的電流，有

燒毀電動機的危險，因此通常務必等電動機完全停下來之后才能夠進行換相操作，而

使用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，內(nèi)于能夠通過改變變頻器的輸出頻率使電動機按照斜

坡函數(shù)的規(guī)律進行減速，并存電動機減速至低速范圍后再進行相序切換，進行相序切

換時電動機的電流能夠很小。同樣，在電動機的加速過程中能夠通過改變變頻器的輸

出頻率使電動機按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進行加速，從而達到限制加速電流的目的。因此，

在利用變頻器進行調(diào)速操縱時更容易與其他設備一起構成自動操縱系統(tǒng)。

關于利用普通的電網(wǎng)電源運行的交流拖功系統(tǒng)來說，由于電動機的起動電流較大

并存在著與起動時間成正比的功率損耗，因此不能使電動機進行高頻度的起停運轉。

而關于使用了變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)來說，出于電動機的起停都是在低速區(qū)進行而且

加減速過程都比較平緩，電動機的功耗與發(fā)熱較小，能夠進行較高頻度的起停運轉。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的上述特點能夠用于使用交流拖動系統(tǒng)的傳送帶與移動工作臺等以

達到節(jié)能的目的。這是由于，在利用異步電動機進行佰速驅動的傳送帶與移動工作臺

中，電動機通常一直處于工作狀態(tài)，而使用變頻器進行調(diào)速操縱后，出于能夠便電動

機進行高頻度的起停運轉，能夠使傳送帶或者移動工作臺只是在有貨物或者工件時運

行，而在沒有貨物或者工件時停止運行，從而達到節(jié)能的目的。

由于在變頻器驅動系統(tǒng)電電動機的調(diào)速操縱是通過改變變頻器的輸出頻率進行

的，當把變頻器的輸出頻率降至電動機的實際轉速所對應的頻率下列時，負載的機械

能將被轉換為電能，并被回饋到變頻器。而變頻器則能夠利用自己的制動回路將這部

分能量以熱能消耗或者回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動。此外，一些變頻器還具有

直流制動功能，即在需要進行制動時，能夠通過變頻器給電動機加上一個直流電壓，

并利用該電壓產(chǎn)生的電流進行制動。

同機械制動相比，電氣制動有許多優(yōu)點，比如體積小，保護簡單，可靠件好等。

但是也應該注意到，由于在靜止狀態(tài)下電氣制動并不能使電動機產(chǎn)生保持轉矩，因此

在某些場合還務必采取相應的措施，比如與機械制動器同時使用等。

高速驅動是變頻器調(diào)速操縱的最重要的優(yōu)點之一。這是由于關于直流電動機來說，

由于受電刷與換向環(huán)等因素的制約，無法進行高速運轉。但是，關于異步電動機來說，

由于不存在上述制約因素，理論上講異步電動機的轉速能夠達到相當高的速度。

由于異步電動機的轉速為：

n=120f(1-s)/p

式中n—電動機轉速，r/min；

f—電源頻率，Hz；

P一電動機磁極個數(shù)；

s-轉差率。

當用工頻電源(50Hz)對異步電動機進行驅動時，二極電動機的最高速度只能達

到3000r/min。為了得到更高轉速，則務必使用專用的高頻電源或者使用機械增速裝置

進行增速。與此相比，目前高頻變頻器的輸出頻率已經(jīng)能夠達到3000kHz.因此當利

用這種高速變頻器對二極異步電動機進行驅動時，能夠得到高達18000r/min的高速。

而且隨著變頻器技術的進展，高頻變頻器的輸出頻率也在不斷提高，因此進行更高速

皮的驅動也將成為可能。

此外，與使用機械增速裝置的高速驅動系統(tǒng)相比，出于使用高頻變頻器的高速驅

動系統(tǒng)中并不存在異步電動機以外的機械裝置，其可靠性更好，而且保養(yǎng)與維修也更

加簡單。

在變領器調(diào)速操縱系統(tǒng)中，變頻器與電動機是能夠分離設置的。因此，通過與各

類不一致的異步電動機的適當組合，能夠得到適用于各類工作環(huán)境的交流調(diào)速系統(tǒng)，

而對變頻器本身并沒有特殊要求。

比如，對有防爆與防腐蝕要求的環(huán)境.只需將電動機換為專用電動機，而使用普

通的變頻器并將其安裝在有防爆與防腐蝕要求的環(huán)境之外的普通環(huán)境中即可。

由于變頻器本身對外部來說能夠看作是一個能夠進行調(diào)頻調(diào)壓的交流電源，能夠

用一臺變頻器同時驅動多臺異步電動機或者同步電動機，從而達到節(jié)約設備投資的目

的。而關于直流調(diào)速系統(tǒng)來說，則很難做到這一點。

當用一臺變頻器同時驅動多臺電動機時，昔驅動對象為同步電動機，所有的電動

機將會以同一速度（同步轉速）運轉，而當驅動對象為容量與負載都不相同的異步電

動機時，則由于轉差的原因，各電動機之間會存在一定的速度差。

由于變頻器是通過交流一直流一交流的電源變換后對異步電動機進行驅動的，因

此電源的功率因數(shù)不受電動機功率因數(shù)的影響，幾乎為定值。

此外，當用電網(wǎng)電源對異步電動機進行驅動時，電動機的起動電流為額定電流的

5—6倍，而在使用變頻器對異步電動機進行驅功時，由于能夠將變頻器的輸出頻率降

至很低時起動，電動機的起動電流很小，因而受頻器輸入端電源的容量也能夠比較小。

一般來說，變頻器輸入端電源的容量只需為電動機輸出容量的1.5倍左右即可。這也

說明變頻器也能夠同時起到減壓起動器的作用.

隨著操縱理論、交流調(diào)速理論與電子技術的進展，變頻器技術也得到了充分地重

視與進展，目前，由高性能變頻器與專用的異步電動機構成的操縱系統(tǒng)在性能上已經(jīng)

達到與超過了直流電動機伺服系統(tǒng)。此外，小于異步電動機還具有對環(huán)境習慣性強，

保護簡單等許多直流伺服電動機所不具備的優(yōu)點，因此在許多需要進行高速高精度操

縱的應用中這種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。而且由于高件能

的變頻器的外部接口功能也非常豐富，能夠將其作為自動操縱系統(tǒng)中的一個部件使用，

構成所需的自動操縱系統(tǒng)。

由于變頻器具有上述優(yōu)點，因而在各類領域中得到了廣泛的應用。表1-2給出了

變頻器在工業(yè)牛產(chǎn)個的要緊應用。

1.3變領器技術的進展動向

近年來，隨著信息技術、電力電子技術、電機驅動技術的不斷進展，變頻器的性

能不斷提高，其應用范圍也越來越廣。日前變頻驅動的應用已經(jīng)非常廣泛，新型變頻

器產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，變領器的性能與可靠性也在不斷地完善與提高?？傮w上講，目前變

頻器已經(jīng)從簡單的整流逆變裝置進化為策驅動操縱、I/O邏輯現(xiàn)場編程、通訊組網(wǎng)連

接等為一體，能夠習慣不一致應用場合的過程操縱單元，并在工業(yè)自動化生產(chǎn)線與許

多領域中得到了廣泛應用。從市場需求與技術進展趨勢來看，今后一段時間內(nèi)，變頻

器技術將會在下面幾個方而得到進一步的進展.

（1）大容量與小體積化.大容量化與小體積化將會隨著電力半導體器件的進展而

不斷得到進展。近年來，隨著IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor,隔離門極雙極

晶體管）、SIC-IGBT（SiliconCarbide-InsulatedGateBipolarTransistor,碳化硅隔離門

極雙極晶體管）器件的進展與以IGBT為開關器件的IPM（IntelligentPowerModule,

智能功率模塊）、ASIPM（APPIicalionSpecifiedIntelligentPowerModule,特定用途智

能功率模塊）、單片IPM等新型功率器件的進展與熱設計技術的進步，使得變頻器的

容量越來越大，體積越來越小，而在溫升等關鍵指標上并末下降。除了不斷推出大容

量的新型變頻器產(chǎn)品外，許多廠家都在小功率段推出了所謂的“迷你”型產(chǎn)品，以滿

足不一致用戶的實際需要。

（2）高性能與多功能化。隨著微電子技術與半導體技術的進展，用于變頻器的各

類半導體器件與傳感器的性能與可靠性越來越高。而隨著高性能DSP與AISC在變頻

器中的廣泛應用與交流調(diào)速理論的不斷成熟，各類先進的操縱算法的實現(xiàn)成為可能。

從而為進一步提高變頻器的性能提供了條件。此外，隨著信息技術的進展與變頻器的

進一步推廣應用，用戶也在不斷提出各類新的要求，希望變頻器產(chǎn)品能夠通過與信息

技術的進一步融合而具有更高的性能與更加豐富的功能。這此都將促使變頻器的生產(chǎn)

廠家不斷做出努力，以滿足不一致用戶的實際需要并爭取在猛烈的市場競爭中立于不

敗之地。

（3）易操作性的提高。隨著變頻器市場的不斷擴大.如何進一步提高變頻器的易

操作性，使變頻器產(chǎn)品能夠滿足不一致府用場合的需要，并使得普通的技術人員甚至

非技術人員也能夠很快掌握變頻器的使用仍然是變頻器生產(chǎn)廠商所務必考慮的問題。

盡管目前廠商提供的變頻器產(chǎn)品在結構設計上基本都考慮到了現(xiàn)場安裝的要求，并在

軟件設計上加入了初始起動設置工具，幫助用戶根據(jù)應用背景選擇與設置各類必要的

功能與參數(shù)，但為了進一步擴大市場與不斷爭取新的用戶，廠商仍然會在豐富變頻器

功能的同時不斷提高變頻器的易操作性，新型變頻器將更加容易操作與更加容易適合

特定的應用背景。

（4）壽命與可靠性的提高。隨著半導體技術的進展與電力電子技術的進展，變頻

器中所使用的各類元器件的壽命與可靠性都在不斷提高，而隨著信息技術的不斷進展，

新型變頻器產(chǎn)品中自我診斷與遠程診斷功能的進一步充實與免保護功能的實現(xiàn)，變頻

器產(chǎn)品的壽命與可靠性格得到進一步的提高。此外，隨著交流調(diào)速理論與有關技術的

不斷進展，新的操縱方法與驅動方式也將不斷出現(xiàn)，從而使變頻器的壽命與可靠性得

到進一步提高。

（5）減少對環(huán)境的影響。近年來，隨著變頻器的推廣與普及，如何減少變頻器，

特別是大功率變頻器對周圍環(huán)境影響的問題越來越受到重視。比如，目前變頻器中內(nèi)

置ACRactore。（電抗器）或者DeChoke（扼流圈）已經(jīng)非常普遍，這對減小變頻器

產(chǎn)生的高次諧波對環(huán)境的影響起到了重要作用。未來的新型傳感器中將會通過先進的

操縱方法與新的驅動方式減小dV/dt與di/dt的變化從而達到來減小高次諧波對環(huán)境的

影響的目的。而各類新技術與新器件的應用，也將進一步減少變頻器對所處環(huán)境的影

響。

（6）網(wǎng)絡化與智能化。盡管當前變頻器單獨使用的場合仍占多數(shù)，但作為工業(yè)生

產(chǎn)過程中一個重要的執(zhí)行單元，變頻器具有網(wǎng)絡化運行的能力將成為工業(yè)自動化的趨

勢。目前許多變頻器生產(chǎn)廠商的新產(chǎn)品都已經(jīng)具有網(wǎng)絡連接能力，通過選件形式支持

多種現(xiàn)場總線，能夠通過PC機方便地完成頻率設定、參數(shù)設置、工作狀態(tài)給定及在

線監(jiān)測、系統(tǒng)保護、遠程診斷等。

此外，為了滿足不一致用戶的不一致需要，新型變頻器產(chǎn)品的智能化程度將進一

步提高，這要緊表達在變頻器本身將具有更多的功能供用戶選擇，而用戶則能夠根據(jù)

自己的需要，在變頻器所預先設定的多種功能的基礎上進行編程，以滿足其具體應用

的需要。

（7）同步電動機變頻器。在許多情況下，使用變頻器進行調(diào)速的目的是為了節(jié)能。

在目前的交流調(diào)速系統(tǒng)中，出于對可靠性的考慮，大多數(shù)系統(tǒng)使用了異步感應電動機。

但是，由于小容量異步電動機的轉換效率并不高。因此，從節(jié)能的觀點來看，使用異

步電動機實現(xiàn)交流調(diào)速并不是最佳的解決方案。

永磁同步電動機具有電機是無刷結構，尺寸小，功率因數(shù)高、效率高，轉子轉速

嚴格與電源頻率同步，容易實現(xiàn)無速度傳感器矢量操縱等優(yōu)點，非常適合于交流調(diào)速

系統(tǒng)。近年來，隨著永磁材料性價比的不斷提高，積極利用永磁同步電動機與變頻技

術改善交流調(diào)速系統(tǒng)效率的技術趨勢非常明顯。一些公司已經(jīng)專門推出了以節(jié)能為目

的的同步電動機變頻器，并在許多領域得到了廣泛應用。

總而言之，未來的變頻器產(chǎn)品將朝著高性能、多功能、長壽命、高可靠、易使用、

綠色化、智能化的方向進展。變頻器將不僅僅是一個簡單的交流調(diào)速裝置，而將成為

實現(xiàn)自動化過程的一個重要的處理單元：變頻器技術將不斷得到提高，而變頻器的應

用領域亦將不斷得到拓展。

第2章變頻器的基本原理及操縱方式

2.1變頻器的基本構成與工作原理

2.1.1變頻器的基本構成

變頻器的進展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的進展過程中也曾出現(xiàn)過多種類型的

變頻器，但是目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖2-1示的基本結構。

圖2-1變頻器的基本結構

圖2-2給出了一個典型的電壓操縱型通用變頻器的硬件結構框圖。而關于使用了

矢量操縱方式的變頻器來說，由于進行矢量操縱時需要進行大量的運算，其運算電路

中有的時候還有一個以DSP（數(shù)字信號處理器）為主的轉矩計算用CPU與相應的磁通

檢測與調(diào)節(jié)電路。

2.1.2變頻器內(nèi)部電路的基本功能

盡管變頻器的種類很多，其內(nèi)部結構也各有不一致，但大多數(shù)變頻器都具有圖2-1

給出的基本結構，它們的區(qū)別僅僅是操縱電路與檢測電路實現(xiàn)的不一致與操縱算法的

不一致而己。下面我們將結合圖2-1簡單介紹變頻器各部分電路的基本作用。

通常的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋構成。它的要緊作用是對工頻的

外部電源進行整流，并給逆變電路與操縱電路提供所需要的直流電源。整流電路按其

操縱方式能夠是直流電壓源也能夠是直流電流源。

直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路與操縱電源

能夠得到質量較高的直流電源。當整流電路是電壓源時直流中間電路的要緊入器件是

大容量的電解電容，剛當整流電路是電流源時平滑電路則要緊內(nèi)大容量電感構成。此

外，由于電動機制動的需要，在直流中間電路中有的時候還包含制動電阻與其他輔助

電路。

逆變電路是變頻器最要緊的部分之一。它的要緊作用是在操縱電路的操縱下將平

滑電路輸出的宣流電源轉換為頻率與電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就

是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速操縱。

變頻器的操縱電路包含主操縱電路、信號檢測電路、門極（基級）驅動電路、外

部接口電路與保護電路等幾個部分，也是交頻器的核心部分；操縱電路的優(yōu)劣決定了

變頻器性能的好壞，操縱電路的要緊作用是將檢測電路得到的各類信號送至運算電路,

使運算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供必要的門極（基極）驅動信號，計對變

頻器與異步電動機提供必要的保護。此外，操縱電路還通過A/D,D/A等外部接門電

路接收/發(fā)送多種形式的外部信號與給出系統(tǒng)內(nèi)部下作狀態(tài)，以便使變頻器能夠與外

部設備配合進行各類高性能的操縱。

制動電阻（選件）

—O-

f—O--

;制動單元（選件）

改善功率為欲用支流

電抗器（選件）r_2

整流

斷路器二極管

電源*-o*o-R

三相3竣AC

50/60H/cfo-

控制電源輔助輸入一

DC10V

AD

變換

加

輸

混

入

信

搔

軟

號

出

2信

號

號

Tnnnnr-\

uuuul-j

OOO

OO

OOo

圖2-2典型的電壓操縱型通用變頻器的硬件結構框圖

2.1.3逆變電路基本工作原理

前面我們已經(jīng)提到，逆變電路在變頗器電路中，起著非常重要的作用。逆變電路

的基本作用是將直流電源轉換為交流電源。在逆變電路中，通常由六個開關構成一個

三相橋式電路。交替打開與關斷這六個開關，就能夠在輸出端得到相位上各相差120

(電氣角)的三相交流電源。該交流電源的頻率由開關頻率決定，而幅值則等于直流

電源的幅值。為了改變該交流電源的相序從而達到改變異步電動機轉向的目的、只要

改變各個開關打開與關斷的順序即可。由于這些開關同時又起著改變電流流向的作用，

因此它們又被稱之換流開關或者換流器件。

當位于同一橋臂上的兩個開關同時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀校

流器件。因此在實際的變頻器逆變電路中還沒有各類相應的輔助電路，以保證逆變電

路的正常工作與在發(fā)生意外情況時對換流器件進行保護。

在由逆變電路所完成的將直流電源轉換為交流電源的過程中，開關器件起著非常

重要的作用。由于機械式開關的開關頻率與使用壽命都很行限，在實際的逆變電路中

使用半導體器件作為開關器件。半導體開關器件的種類很多，如晶間管、晶體管、GTO、

IGBT等。而變頻器本身也常常根據(jù)其逆變電路中使用的半導體開關器件的種類而被

稱之晶問管變頻器、晶體管逆變器等。

2.2變頻器的種類

在介紹變頻器的種類時我們將遇到變頻器的分類方式的問題。變頻器的分類能夠

有多種方式，比如能夠按其主電路工作方式進行分類，能夠按其開關方式進行分類，

能夠按其操縱方式進行分類，還能夠按其用途進行分類。下面就根據(jù)這幾種分類方法

對變頻器進行簡單介紹，以使對變頻器尚不太熱悉的讀者能夠對變頻器有一個整體上

的熟悉。

(1)按照主電路工作方式分類。當按照主電路工作方式進行分類時，變頻器能夠

分為電壓型變頻器與電流型變頻器。電壓型變頻器的待點是將直流電源轉換為交流電

源，而電流型變頻器的特點則是將直流電流源轉換為交流電源。

1）電壓型變頻器。在電壓型變頻器中，整流電路或者者斬波電路產(chǎn)生逆變電路所

需要的直流電壓，并通過直流中間電路的電容進行平滑后輸出；整流電路與直流中間

電路起直流電壓源的作用。而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉換為具有所需

頻率的交流電壓。

在電壓型變頻器中，由于能量回饋給直流中間電路的電容，并使直流電壓上升，

還需要有專用的放電電路，以防止換流器件因電壓過高而被破壞。

2）電流型變頻器。在電流型變頻器中，整流電路給出直流電流，并通過中間電路

的電抗將電流進行平滑后輸出。整流電路與直流中間電路起電流源的作用，而電流源

輸出的直流電流在逆變電路中被轉換為具有所需頻率的交流電流，并被分配給各輸出

相后作為交流電流提供給電動機。在電流型變頻器中，電動機定子電壓的操縱是通過

檢測電壓后對電流進行操縱的方式實現(xiàn)的，關于電流型變頻器來說，在電動機進行制

動的過程中能夠通過將直流中間電路的電壓反內(nèi)的方式使整流電路變?yōu)槟孀冸娐罚?/p>

將負載的能量回饋給電源。

由于在使用電流操縱方式時能夠將能量回饋給電源，而且在出現(xiàn)負載短路等情況

時也更容易處理，電流利操縱入式更適合于大容量變頻器，

電壓型變頻器與電流型變頻器主電路的結構因其使用的換流器件的不一致而有多

種形式。關于這些電路的基本結構，能夠參考其他有關資料。

（2）按照開關力式分類。當談到變頻器的開關方式時通常講的都是變頻器逆變電

路的開關方式。而在按照逆變電路的開關方式對變頻器進行分類時，則變頻器能夠分

為PAW操縱方式，PWM操縱方式與高載頻PWM操縱方式二種。

1）PAM操縱。PAM操縱是PulseAmplitudeModulation（脈沖振幅調(diào)制）操縱的

簡稱，是一種在整流電路部分對輸出電壓（電流）的幅值進行操縱，而在逆變電路部

分對輸出頻率進行操縱的操縱方式。由于在PAM操縱的變頻器中逆變電路換流器件

的開關頻率即為變頻器的輸出頻率，因此這是一種同步調(diào)速力式。

由于逆變電路換流器件的開關頻率（下列簡稱載波頻率）較低，在使用PAM操縱

方式的變頻器進行調(diào)速驅動時具有電動機運轉噪聲小，效率高等待點。但是，由于這

種操縱人式務必向時對整流電路與逆變電路進行操縱，操縱電路比較復雜。此外，這

種操縱方式也還具畝當電功機進行低速運轉時波動較大的缺點。

2）PWM操縱。PWM操縱是PulseAmplitudeModulation（脈沖寬度調(diào)制）操縱

的簡稱，是在逆變電路部分同時對輸出電壓（電流）的幅值與頻率進行操縱的操縱方

式。在這種操縱方式中，以較高頻率對逆變電路的半導體開關元器件進行開閉，并通

過改變輸出脈沖的寬度來達到操縱電壓（電流）的目的。

為了使異步電動機在進行調(diào)速運轉時能夠史加平滑，目前在變頻器中多使用正弦

波PWM操縱方式。所謂正弦波操縱方式指的是通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使

輸出電壓的平均值接近于正弦波。這種操縱方式也稱之SPWM操縱。

使用PWM操縱方式的變頻器具有能夠減少高次諧波帶來的各類個良影響，轉矩

波功小，而且操縱電路簡單，成本低等特點，是目前在變頻器中使用最多的一種逆變

電路操縱方式；但是，該入式也具有當載波頻率不合適時會產(chǎn)生較大的電動機運轉噪

聲的缺點。為了克服這個缺點，在使用PWM操縱方式的新型變頻器中都具有一個能

夠改變變頻器載波頻率的功能，以便使用戶能夠根據(jù)實際需要改變變頻器的載波頻率，

從而達到降低電動機運轉噪聲的目的。

3）高載頻PWM操縱。這種操縱方式原理上實際是對PWM操縱方式的改進，是

為了降低電動機運轉噪聲而使用的一種操縱方式。在這種操縱方式中，載頻被提高到

人耳能夠聽到的頻率（10—20kHz）以上，從而達到降低電動機噪聲的目的。這種操

縱方式要緊用于低噪聲則的變額器，也將是今后變頻器的進展方向；由于這種操縱方

式對換流器件的開關速度有較高的要求、所用換流器件只能使用具有較高開關速度的

IGBT或者MOSFT等半導體元器件，目前在大容量變頻器中的利用仍然受到一定限制。

但是，隨著電力電子技術的進展，具有較高開關速度的換流，元器件的容量將越來越

大，因此估計使用這種操縱方式的變頻器也將越來越多。

PWM操縱與高載頻PWM操縱都屬于異步調(diào)速方式，即變頻器的輸出頻率不等

于逆變電路換流器件的開關頻率。

（3）按照工作原理分類。當按照下作原理對變頻器進行分類時.按變頻器技術的

進展過程能夠分為V/f操縱方式、轉差頻率操縱方式與矢量操縱方式三種。下面我們

將分別介紹一下這三種操縱方式的特點。

1）v/f操縱變頻器。V/f操縱是一種比較簡單的操縱方式。它的基本特點是對變

頻器輸出的電壓與頻率同時進行操縱，通過使V/f（電壓與頻率的比）的值保持一定

而得到所需的轉矩特性。使用V/f操縱方式的變頻器操縱電路成本較低，多用于對精

度要求不太高的通用變頻器。

2）轉差頻率操縱變頻器。轉差頻率操縱方式是對V/f操縱的一種改進。在使用

這種操縱方式的變頻器中，電動機的實際速度由安裝在電動機上的速度傳感器與變頻

器操縱電路得到，而變頻器的輸出頻率則由電動機的實際轉速與所需轉差頻率的與被

自動設定，從而達到在進行調(diào)速操縱的同時操縱電動機輸出轉矩的目的。

轉差頻率操縱是利用了速度傳感器的速度閉環(huán)操縱，并能夠在一定程度上對輸出

轉矩進行操縱，因此與V/f操縱方式相比.在負載發(fā)熱較大變化時仍能達到較高的速

度精度與具有較好的轉矩特性。但是，由于使用這種按制方式時需要在電動機上安裝

速度傳感器，并需要根據(jù)電動機的特件調(diào)節(jié)轉差，通常多用于廠家指定購專用電動機,

通用性較差。

3）矢量操縱變頻器。矢量操縱是20世紀70年代由西德Blaschke等人率先提出

來的對交流電動機的一種新的操縱思想利操縱技術，也是交流電動機的一種理想的調(diào)

速方法。矢量操縱的基本思想是將異步電動機的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵

磁電流）與與其相垂直的產(chǎn)生轉距的電流分量（轉矩電流）計分別加以操縱。出于在

這種操縱方式中務必同時操縱異步電動機定子電流的幅佰與相依，即操縱定于電流矢

量，這種操縱方式稱之矢量操縱方式。

矢量操縱方式使對異步電動機進行高性能的操縱成為可能。使用矢量操縱方式的

交流調(diào)速系統(tǒng)不僅在調(diào)速范圍上能夠與直流電動機相匹放，而且能夠直接操縱異步電

動機產(chǎn)生的轉矩。因此已經(jīng)在許多需要進行精密操縱的領域得到了應用。

由于在進行矢量操縱時需要準確地掌握對象電動機的有關參數(shù)，這種操縱方式過

去要緊用于廠家指定的變頻器專用電動機的操縱。但是，隨著變頻調(diào)速理論與技術的

進展與現(xiàn)代操縱理論在變頻器中的成功應用，日前在新型矢量操縱變頻器中已經(jīng)增加

了自調(diào)整（Auto-tuning）功能。帶有這種功能的變頻器在驅動異步電動機進行正常運

轉之前能夠自動地對電動機的參數(shù)進行辨識并根據(jù)辨識結果調(diào)整操縱算法中的有關參

數(shù)，從而使得對普通的異步電動機進行侖效的欠量操縱也成為可能。

(4)按照用途分類。在上而介紹的變頻器分類方式中我們是按照變頻器的丁作原

理對其進行分類的，僅是，關于一個變頻器的用戶來說，他關心更多的也可能足變頻

器的用途而不是其工作原理。廠面，我們介紹一下按照用途對變頻器進行分類時變頻

器的種類.

當按照用途對變頻器進行分類時變頻器能夠分為下列幾種類型。

1)通用變頻器。顧名思義，通用變頻器的特點是其通用件。這里通用件指的是通

用變領器能夠對普通的異步電動機進行調(diào)速操縱。隨著變頻器技術的進展與市場需要

的不斷擴大，通用變頻器也在朝著兩個方向進展：低成本的簡易型通用變頻器與高性

能多功能的通用變頻器。這兩類變頻器分別具有下列特點。

簡易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主安目的而削減了一些系統(tǒng)功能的通用變頻

器。它要緊應用于水泵、風扇、鼓風機等對系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高的場所，并具有

體積小，價格低等方面的優(yōu)勢。

高性能多功能通用變頻器在設計過程中充分考慮了在變頻器應用匯總可能出現(xiàn)

的各類需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件與硬件方面都做了相應的淮備。在使用時，

用戶能夠根據(jù)負載特性選擇算法并對變頻器的各類參數(shù)進行設定，也能夠根據(jù)系統(tǒng)的

需要選擇廠家所提供的各類選件來滿足系統(tǒng)的持殊需要。高性能多功能變頻器除了能

夠應用于簡易型變頻器的所有應用領域之外，還廣泛應用于傳送帶、升降裝置與各類

機床、電動車輛等對調(diào)速系統(tǒng)的性能與功能有較高要求的許多場合。

過去，通用型變頻器基本上使用的是電路結構比較簡單的V/f操縱方式，與使用

轉矩矢量操縱方式的高性能變頻器相比，在轉矩操縱性能方面要差一些。但是，隨著

坐頻器技術的進展與變頻器參數(shù)自整的有用化，目前一些廠家已經(jīng)推出了使用矢量操

縱方式的高性能多功能通用變頻器，以習慣競爭日趨猛烈的變頻器市場的需要。這種

高件能多功能通用變頻器在性能上已經(jīng)接近過去的高性能矢量操縱變頻器，在價格方

面卻與過去使用V/f操縱方式的通用變頻器基本持平。因此，能夠相信，隨著電力電

子技術與計算機技術的進展，今后變頻器的性能價格比將會木斷提高。

2)高性能專用變頻器。隨著操縱理論，交流調(diào)速理論與電力電子技術的進展，

異步電動機的矢量操縱方式得到了充分地重視與進展，使用矢量操縱方式高性能變頻

器與變頻器專用電動機所構成的調(diào)速系統(tǒng)在性能上已經(jīng)達到與越過了直流伺服系統(tǒng)。

此外，由于異步電動機還具有對環(huán)境習慣性強、保護簡單許多直流伺服電動機

所不具備的優(yōu)點，在許多需要進行高速高精度操縱的應用中這種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)

正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。

同通用變頻器相比，高性能專用變頻器基本上使用矢量操縱方式，而驅動對象通

常是變頻器廠家指定的專用電動機，同時要緊應用于對電動機的操縱性能要求較高的

系統(tǒng)。此外，高性能專用變頻器往往是為了滿足某些特定產(chǎn)業(yè)或者區(qū)域的需要，使變

頻器在該區(qū)域中具有最好的性能價格比而設計生產(chǎn)的。比如，在機床主軸驅動專用的

高性能變頻器中，為了便了與數(shù)控裝置配合完成各類工作，變頻器的主電路、回饋制

動電路與各類接口電路等被做成一體，從而達到了縮小體積與降低成本的要求。而在

纖維機械驅動方向，為了便于大系統(tǒng)的維修保養(yǎng)，變頻器則使用了能夠簡單地進行拆

裝的盒式結構。

3）高頻變頻器。在超精加工與崗性能機械區(qū)域中常常要用到高速電動機。為了滿

足這些高速電動機驅動的需要，出現(xiàn)了使用PAM操縱方式的高速電動機驅動用變頻

器。這類變頻器的輸出頻率能夠達到3kHz,因此在驅動兩極異步電動機時電動機的最

高轉速能夠達到18000r/min,

4）單相變頻器與三相變頻器。交流電動機能夠分為單相交流電動機與二相交流電

動機兩種類型，與此相對應，變頻器也分為單相變頻器與三相變頻器。二者的工作原

理相同，但電路的結構不一致。

變頻器對電動機進行操縱，是根據(jù)電動機的特性參數(shù)及電動機運轉要求，對提供

給電動機的電壓、電流、頻率進行操縱以達到負載的要求，因此，即便變頻器的主電

路一樣，逆變器件相同，單片機的位數(shù)也一樣，只是操縱方式不一樣，其操縱效果就

不一樣。因此操縱方式是很重要的，它代表變頻器的水平。

2.3變頻器的操縱方式

目前變頻器對電動機的操縱方式大體可分為：v/f恒定操縱、轉差頻率操縱、矢

量操縱、直接轉矩操縱、非線性操縱、自習慣操縱、滑模變結構操縱、智能操縱等。

前四種已獲得成功應用，并有商品化產(chǎn)品，本章只討論前2種操縱方式。

2.3.1V/f恒定操縱

V/f操縱是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓，使電動機磁通保

持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的效率、功率因數(shù)不下降。由因此操縱電壓

(Voltage)與頻率(Frequency)的比，稱之V/f恒定操縱。

此種操縱方式比較簡單，多用于節(jié)能型變頻器，如風機、泵類機械的節(jié)能運轉及

生產(chǎn)流水線的工作臺傳動等。另外，空調(diào)等家用電器也多使用此操縱方式的變頻器。

1.操縱原理

異步電動機的同步轉速由電源頻率與電動機極數(shù)決定，在改變頻率時，電動機的

同步轉速隨著改變。當電動機帶負載運行時，電動機轉子轉速略低于電動機的同步轉

速，即存在轉差。轉差的大小與電動機的負載大小有關。

保持V/f恒定操縱是異步電動機變頻調(diào)速最基本的操縱方式，它在操縱電動機的

電源頻率變化的同時操縱變頻器的輸出電壓，并使兩者之比為恒定，從而使電動機的

磁通基本保持恒定。

電動機定子的感應電動勢

Ei=4.44K、”0mf?M

(2-1)

式中Ka一一電動機繞組系數(shù)；

ft----電源頻率；

M一—電動機繞組匝數(shù)；

0m——每極磁通。

電動機端電壓與感應電動勢的關系式為

U\=￡i+(ri+jxi)/i,

(2-2)

在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻與漏電抗的壓降較小，電動機的端電

壓與電動機的感應電動勢近似相等。由式(27)能夠看出，當電動機電源頻率變化時，

若電動機電壓不隨著變化，那么電動機的磁通將會出現(xiàn)飽與或者欠勵磁。比如當電動

機的頻率降低時，若繼續(xù)保持電動機的端電壓不變，即繼續(xù)保持電動機感應電動勢E

不變，那么，由式(2—3)可知，電動機的磁通0m將增大。由于電動機設計時電動機

的磁通常處于接近飽與值，磁通的進一步增大將導致電動機出現(xiàn)飽與。磁通出現(xiàn)飽與

后將會造成電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗與鐵損耗。而當電動

機出現(xiàn)欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉矩。因此，在改變電動機頻率時應對電動

機的電壓或者電動勢進行操縱，以維持電動機的磁通恒定。在變頻操縱時，保持E//

恒定，能夠維持磁通恒定。

圖2-3是使用恒定V/f操縱的異步電動機變壓變頻調(diào)速的轉矩特性曲線，圖中橫

坐標為轉速，縱坐標為轉矩。由圖可看出，隨著頻率的變化，轉矩特性的直線段近似

為一組平行線，電動機的最大轉矩相同，但產(chǎn)生最大轉矩時的轉差不一致，所對應的

轉差頻率不變。

由于電動機的電動勢檢測比較困難，考慮到在電動機正常運轉時電動機的電壓與

電動勢近似相等，通過操縱的恒定以保持磁通為恒定.但是使用V/f恒定操縱，在

頻率降低后，電動機的轉矩有所下降。這是由于低速時的定子電阻壓降所占比重增大,

電動機端電壓與電動勢近似相等的條件已不滿足。

V/f恒定操縱常用在通用變頻器上。這類變頻器要緊用

于風機、水泵的調(diào)速節(jié)能，與對調(diào)速范圍要求不高的場合。

操縱的突出優(yōu)點是能夠進行電動機的開環(huán)速度操縱。

V/f恒定操縱存在的要緊問題是低速性能較差。其原因

是低速時異步電動機定子電壓降所占比重增大，己不能忽略，

不能認為定于電壓與電動機感應電動勢近似相等，仍按V/f圖2-3異步電動機變壓變

恒定操縱已不能保持電動機磁通恒定。電動機磁通的減小，勢頻調(diào)速的轉矩特性曲

必造成電動機的電磁轉矩減小。

除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開關器件的互鎖時間是影響電動機低

速性能的重要原因.對電壓型變頻器，考慮到電力電子器件的導通與關斷需一定時間，

為了防止橋臂上下器件在通斷切換時直通，造成短路而損壞，在操縱導通時設置一段

開關導通延遲時間，在該時間內(nèi)，橋臂上下電力電子器件處于關斷狀態(tài)，因此又稱該

延遲時間為互鎖時間?；ユi時間的長短與電力電子器件的種類有關.關于大功率晶體

管（GTR）,互鎖時間約為10~30MSO關于絕緣柵晶體管（IGBT）,互鎖時間約為3~

10us?由于互鎖時間的存在，變頻器的輸出電壓將比操縱電壓降低?；ユi時間造成的

電壓降還會引起轉矩脈動，在一定條件下將會引起轉速、電流的振蕩，嚴重時變頻器

不能運行。

能夠使用補償端電壓的方法.即在低速時適當提升電壓，以補償定子電阻壓降與

開關互鎖時間的影響。

2.電壓型變頻器異步電動機的V/f恒定操縱的構成

實現(xiàn)電壓型變頻器異步電動機系統(tǒng)v/f恒定操縱的方式很多，假如使用正弦PWM

進行電壓與頻率的操縱，系統(tǒng)操縱部分需要提供頻率可變、幅值隨頻率變化的正弦設

定信號。使用模擬電子技術產(chǎn)生正弦信號并不困難，但若需要信號的幅值正比于頻率

的變化，或者按某種規(guī)律變化，則使用數(shù)字電路較易實現(xiàn)。

V/f恒定操縱的PWM變頻器中，PWM操縱部分原理圖示