变频器的基础知识

变频器的基础知识
变频调速技术是怎样发展起来的？
（变频器）基础1
变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。

同步电动机无需多言，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)的。

n=n1（1-S）..................(1-1)
式中：n——电动机的转速，m/min
n1——电动机的同步转速，r/min S——电动机的转差率
而同步转速则主要取决于频率
n1=60f/p..................(1-2)
式中：f——频率，Hz
p——磁极对数
所以说，交流电动机从诞生之日起，就已经知道改变频率可以调节转速了。

但当时，还不具备改变频率的手段。

随着闸流管的问世，使变频调速的梦想出现了能够实现的希望。

但那设备的庞大与昂贵，使它无法进入实用的阶段。

直到20世纪的60年代，随着晶闸管的出现及其应用技术的迅速发展，变频调速开始进入实用的阶段。

但由于许多技术问题解决得还不够完善，调速系统的性能指标难以和直流（电机）相匹敌，因而未能达到推广应用的阶段。

70年代末期以来，一方面，矢量控制理论的提出和实施，使变频调速系统的性能指标达到了与直流电机调速系统十分接近的地步；另一方面，（电力电子）器件的飞速发展，也使SPWM调制技术日臻完善，变频调速器的体积越做越小，价格也达到了用户能够接受的程度。

变频调速这才进入了普及应用的阶段。

变频调速为什么常缩写成VVVF？
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VVVF的全称是Variable Voltage Variable Frequency，意思是“变压变频”。

原来，在交流异步电动机内，外加的（电源）电压主要和绕组的反电势相平衡，而绕组的反电势则与（电流）的频率和每极下的磁通量有关：
U≈E1=4.44 W1f∮=Kef∮
可见，磁通量的大小与电压和频率的比值有关：
∮≈U/Kef=Ke'·U/f
式中：U——电源相电压
E1——每相定子绕组的反电势W1——每相定子绕组的匝数f——每个磁极下的磁通量Ke、Ke'——常数
公式表明：当频率下降时，如果电压不变，则磁通量将增加，引起电机铁心的饱和，这当然是不允许的。

因此，为了保持电机内的磁通量基本不变，在改变频率的同时，也必须改变电压。

VVVF控制，也叫作V/f控制，或者恒压频比控制，保证输出电
压跟频率成正比的控制，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，多用于风机、泵类节能型变频器。

交—直—交是什么意思？
变频器基础知识3
变频装置有两大类：
一类是由工频直接转接成可变频率的，称为“交—交变频”。

交-交变频器的结构如下图所示，交流输出的正半周电流由正组整流器提供，负半周电流由负组整流器提供。

交-交变频器的优点是过载能力强；效率高；输出波形较好。

缺点是输出频率只有电源频率的1/3 ~1/2；功率因数低，需要补偿装置；虽然输出波形较好，但变频器的容量大，谐波相对也大，还需加装（滤波器）；所用的元器件多，造价高。

交-交变频的高（中）压变频器的容量较大，一般都在数千千瓦以上，大多用在冶金﹑钢铁行业的调速比要求不高的轧机﹑提升机等场合。

另一类就是“交—直—交变频”，意思是：先把工频交流电整流成直流电，再把直流“逆变”成频率和电压可变的交流电。

交—直—交的电路结构如下图所示：
交直交变频器的（工作原理）是借助微（电子）器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经过（二极管）整流成直流电，再由电力电子器件把直流电逆变为频率可调的交流电源。

交直交变频器工作原理图如下所示：
由图可知，变频器由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。

各部分的功能如下：
1.整流器它的作用是把三相（或单相）交流电源整流成直流电。

在SPWM变频器中，大多采用全波整流电路。

大多数中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或者二极管模块。

2.逆变器它的作用与整流器相反，是将直流电逆变为电压和频率可变的交流电，以实现交流电机变频调速。

逆变电路由开关器件构成，大多采用桥式电路，常称逆变桥。

在SPWM变频器中，开关器件接受（控制电路）中SPWM调制（信号）的控制，将直流电逆变成三相交流电。

3.控制电路这部分电路由运算电路、（检测）电路、（驱动电路）、（保护电路）等组成，一般均采用大规模（集成电路）。

交直交变频器比较常见，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。

整流器为二极管三相桥式不控整流器或大功率（晶体管）组成的全控整流器，逆变器是大功率晶体管组成的三相桥式电路，其作用正好与整流器相反，它是将恒定的直流电交换为可调电压，可调频率的交流电。

中间滤波环节是用（电容器）或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。

交直交变频器按中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和（硬件）设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。

它在（工业自动化）领域的变频器（采
用变压变频VVVF控制等）和IT、供电领域的不间断电源（即UPS，采用恒压恒频CVCF控制）都有应用。

电压型变频器的主要特点是什么？
变频器基础知识4
交—直—交变频装置按直流部分贮能方式的不同分为电压型变频器和电流型变频器，其主电路由整流器、平波回路和逆变器三部分组成。

由于负载一般都是感性的，它和电源之间必有无功功率传送，因此在中间的直流环节中需要有缓冲无功功率的元件。

（1）电压型
贮能元件为滤波（电容）C，如图1-2a所示。

其工作特点是电压基本不变。

∮ 图1-2 电压型和电流型
（2）电流型
贮能元件为电抗器，如图1-2b所示。

其工作特点是电流基本不变。

电压型变频器和电流型变频器的区别主要表现为：
1、无功能量的缓冲：
变频器的负载是异步电动机，属感性负载，中间直流环节与电机之间除了传递有功功率外，还存在无功功率的交换。

由于电力电子开关器件无法储能，无功能量只能靠储能元件(滤波器)来缓冲。

两类变频器的区别在于用什么储能元件来缓冲无功能量。

2、调速时的动态响应：
电流型变频器的直流电压Ua可以迅速改变大小和方向，所以由它供电的调速系统动态响应比较快。

相比之下，电压型变频器，由干滤波电容的充放电作用使Ud变化缓慢，故其动态响应也慢。

3、适用范围：
电压型变频器适用于不可逆调速系统且无需经常加减速的场合，并适用于多电机传动。

电流型变频器则适用于要求快速制动及可逆运行的场合。

电流型变频器的中间直流环节采用大电感进行储能并滤波，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。

电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求负载电流变化较大的场合。

电压型变频器的中间直流环节采取支撑电容来储能并稳定电压，多用于要求负载电压变化较大的场合。

SPWM代表什么？
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SPWM的全称是Sine Pulse Width Modulation，意思是正弦脉冲宽度调制。

这是实现改变频率的同时也改变电压的一种调制方式。

变压变频的基本方式有两种：
（1）在改变频率的同时也改变幅值，称为脉幅调制，简写为PAM，如图1-3a所示。

（2）在改变频率时，脉冲的幅值不变，而通过改变脉冲的占空比来改变其平均电压，称为脉宽调制，简写为PWM。

SPWM的特点是：脉冲序列中的脉冲宽度和脉冲间的间隔宽度是按正弦规律安排的。

直流是怎样“逆变”成交流的？
变频器基础知识6
如下图所示，K1~K4是开关器件，M是负载，A、B间通以直流电压UD。

先令K1| K4闭合，K2、K3断开。

则电流的路径如实线空心箭头所示，C、D间的电压为C“+”、D“-”。

再令K1、K4断开，K2、K3闭合，则电流的路径如虚线实心箭头所示，C、D间的电压为C“-”、D“+”。

如使上述两种状态不停地交替工作，则负载M上所得到的便是
交流电压了。

用六个开关器件，使它们按三相间互差三分之一周期的规律交替工作，就可将直流电“逆变”成三相交流电了。