变频技术第二章

第二章变频器的分类与特点

2.1 变频器的分类

1 按变换环节分类

变频器的功能就是将频率、电压都固定的交流电源变成频率、电压都连续可调的三相交流电源。按照变换环节有无直流环节可以分为交－交变频器和交－直－交变频器。

（1）交-直-交变频器的各种结构

交－直－交变频器的主电路可以分为以下几部分：

1、整流电路——交－直部分

整流电路通常由二极管或可控硅构成的桥式电路组成。根据输入电源的不同，分为单相桥式整流电路和三相桥式整流电路。我国常用的小功率的变频器多数为单相220V 输入，较大功率的变频器多数为三相380V （线电压）输入。

2、中间环节——滤波电路

根据贮能元件不同，可分为电容滤波和电感滤波两种。由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，所以用电容滤波就构成电压源型变频器，用电感滤波就构成电流源型变频器。

3、逆变电路——直－交部分

逆变电路是交－直－交变频器的核心部分，其中6个三极管按其导通顺序分别用 VT1～VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。

逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是彼此相差120°的交流电压，即实现了从直流电到交流电的逆变。输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率，达到了变频的目的。

实际逆变电路除了基本元件三极管和续流二极管外，还有保护半导体元件的缓冲电路，三极管也可以用门极可关断晶闸管代替。

（2）交-交变频器

单相输出交-交变频电路的原理框图，电路由P （正）组和N （负）组反并联的晶闸管变流电路构成，两组变流电路接在同一个交流电源，Z 为负载。

变频器的主电路

三

相

电

交-交变频器结构图

交-交变频器的特点为：

1) 因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高。

2) 由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好。

3) 由于输出上限频率不高于电网频率的1/3～1/2，因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低。

4)交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。

2. 按直流电源的性质分类

（1）电流型

优点：当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备，只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角α>90°）即可。

（2）电压型

特点:中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲。由于大电容的作用，主电路直流电压UD比较平稳，电动机端的电压为方波或阶梯波。直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压源型变频器或电压型变频器。

3. 按输出电压调节方式分类

（1）脉冲幅值调节（PAM ）

特点是:变频器在改变输出频率的同时，也改变了电压的幅值，故称为脉幅调制，常用PAM （Pulse Amplitude Modulation ）表示。

PAM 需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分

PAM 调制的输出电压

（2）脉冲宽度调节（PWM ）

每半个周期内输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每两个脉冲间的间隔宽度为t2 ，则脉冲的占空比为

特点是，变频器在改变输出频率的同时，也改变输出电压的脉冲占空比（幅值不变），故称为脉宽调制，常用PWM 表示。

1

12

t t t γ+＝

脉宽调制的输出电压

在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。

当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小。

当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大。

图 SPWM的输出电压

在图脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波（基准波或调制波）和等腰三角波（载波）的交点来决定主开关器件V1或V2的导通时间而实现调压的。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式称为正弦PWM方式，简称SPWM控制方式。

4 按变频控制方式分类

U/f控制变频器

转差频率控制变频器

矢量控制变频器

(1)U/f控制方式

U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压与频率之比，所以称为U/f控制。

U/f控制又称VVVF控制方式。该类变频器大多采用16位单片机，属于近似的恒磁通控制方式。

该控制方式是普通功能型通用变频器的核心功能。

为保证通用变频器的性能，通常还有瞬时停电再起动功能、变频器和电网间的自动切换功能、控制信号的设定、调整功能，联锁信号的输入和输出功能以及对变频器、电动机的保护功能，对故障信息的存储和显示功能等。

3个缺点:

1 引起变频器的过电流跳闸

2 U/f控制方式的静态稳定性不高

3 电动机的转速很低时，转矩不足

(2)转差频率控制方式

转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。

其实现思想是：通过检测电动机的实际转速，根据设定频率与实际频率的差对输出频率进行连续的调节，从而使输出频率始终满足电动机设定转速的要求。因为其基本结构是转速闭环控制系统，所以在调整转速的同时，对输出转矩也进行了控制。