低压变频器基本原理介绍

低压变频器基本原理介绍：

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（Variable Voltage Variable Frequency 即VVVF），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

其基本结构见下图，

主电路原理图

三相工频交流电经过VD1～VD6 整流后，正极送入到缓冲电阻RL中，RL的作用是防止电流忽然变大。经过一段时间电流趋于稳定后，晶闸管或继电器的触点会导通短路掉缓冲电阻RL，这时的直流电压加在了滤波电容CF1、CF2 上，这两个电容可以把脉动的直流电波形变得平滑一些。由于一个电容的耐压有限，所以把两个电容串起来用。电容的耐压就提高了一倍。CF1、CF2两个电容的容量是一样的，虽然标称的容量相同，但是在实际上两个电容的容量不可能一致，造成分压不均。所以给两个电容分别并联了一个均压电阻R1、R2 ，这样，CF1 和CF2 上的电压就一样了。HL 是主电路的电源指示灯，串联了一个限流电阻接在了正负电压之间，这样三相电源一加进来，HL就会发光，指示直流电源送入。直流电压加在了大功率晶体管VB的集电极与发射极之间，VB的导通由控制电路控制，VB上还串联了变频器的制动电阻RB，组成了变频器制动回路。我们知道，由于电动机的绕组是感性负载，在启动和停止的瞬间都会产生一个较大的反向电

动势，这个反向电压的能量会通过续流二极管VD7～VD12使直流母线上的电压升高，这个电压高到一定程度会击穿逆变管V1～V6 和整流管VD1～VD6。当有反向电压产生时，控制回路控制VB导通，电压就会通过VB在电阻RB释放掉。当电机较大时，还可并联外接电阻RB。

一般情况下“+”端和P1端是由一个短路片短接上的，如果断开，这里可以接外加的直流电抗器，直流电抗器的作用是改善电路的功率因数。

直流母线电压加到V1～V6 六个逆变管上，这六个大功率晶体管叫IGBT（场效应晶体管），基极由控制电路控制。控制电路用来控制某三个管子的导通给电机绕组内提供电流，产生磁场使电机运转。为了保护IGBT，在每一个IGBT上都并联了一个续流二极管，还有一些阻容吸收回路。主要的功能是保护IGBT，有了续流二极管的回路，反向电压会从该回路加到直流母线上，通过放电电阻释放掉。以上讲的是变频器主回路的基本工作情况，下面讲控制电路的作用。

控制部分：

异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。

因此，变频器在逆变过程中，在改变频率的同时，必须同时改变输出电压。

要想做到即改变频率，又要调整输出电压，这个工作是由控制电路完成的，变频器控制部分有几种控制方式，介绍如下：

（1）脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation 简称PAM）

这是最容易想到的方法，即在频率下降的同时，使直流电压也随着下降，从而逆变后的交流电压的振幅也一起下降，下图是其中1相电压波形图。

a 频率较高

b 频率较低

PAM 的含义

图a 为较高频率的电压波形，周期小而振幅值较高；b 是频率较低时的波形，周期长且振幅值较低；利用晶闸管整流来实现PAM ，因为线路比较复杂，因为要同时控制整流和逆变两部分，并且晶闸管整流后的直流电压值并不和移相角成线性关系，也使两个部分之间的协调比较困难。

（2）脉冲宽度调制（

Pulse Width Modulation 简称PWM ）

通过调节脉冲宽度和各脉冲间的“占空比”来调节逆变后输出电压的平均值，频率较高时，脉冲的占空比大，频率较低时，脉冲的占空比小，但两者的振幅值是一样的。

占空比的定义是：

它是脉冲宽度与脉冲重复周期T的比值， D＝ Tp／T，它是描绘脉冲疏密的物理量。

PWM的优点是不必控制直流侧，因而大大地简化了控制电路，但是电流的谐波分量还是很大的。

（3）正弦脉冲宽度调制（Sine Pulse Width Modulation简称SPWM）正弦脉冲宽度调制是脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布，当正弦值较大时脉冲宽度和占空比都大，当正弦值较小时，脉冲宽度和占空比都小。SPWM的显著优点是，由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的矩形脉冲构成的，但通入电动机的电流和正弦波十分接近。

见下图

SPWM的含义

随着科学技术的不断进步和新型的控制元器件的研发，结合先进的微处理技术，在上述调制原理的基础上，目前的变频器的驱动效果和控制功能十分完善，使变频器输出的电流更接近理想的正弦波，同时为了适应工厂经常使用的风机、水泵等负载，对PWM调制方式作进一步的改进，实现了电压空间矢量控制的PWM 调制。由于三相正弦交流电流的合成磁场是一个幅值恒定的圆旋转磁场，电压空间矢量PWM调制的基本思想，就是以标准的圆旋转磁场作为参照来进行脉宽调制，因为是通过控制电压的空间矢量来实现，故成为电压空间矢量PWM调制。

介绍变频器的矢量控制：

为了改进和解决异步电动机在变频调速时的机械特性，必须在变频调速时使异步电动机的转速也能通过控制两个相互垂直的直流磁场来进行调节，方法一是

对给定信号进行处理，二是进行等效变换，最终效果是使变频器获得和直流电动机相仿的调速特性。

转速反馈的作用，转速反馈是在变频器外部加装速度反馈装置，使电动机的转速严格地和给定转速保持一致，因此电动机的机械特性是很硬的，并且有很高的动态响应能力。由于矢量控制技术的核心是等效变换，而转速反馈信号并不是等效变换的必要条件，因此出现了无反馈矢量控制方式。

所谓无反馈矢量控制，仅仅指用户不需要在变频器外部另加装速度反馈装置，但在变频器内部，反馈不是开环的。由于转速反馈需要在变频器外部附加测速装置，比较麻烦，在了解电动机参数的前提下，即使只检测端电压和电流，也能算出转子磁通和角速度，进而算出所需要的转矩电流，实现矢量控制。

无反馈矢量控制也能得到较硬的机械特性，但由于运算环节相对较多，故动态响应能力与有反馈矢量控制相比较略显逊色。

变频器中频率的名称和功能：

1给定频率：与给定信号相对应的频率为给定频率，

2输出频率：暑促频率即变频器的实际输出频率，

3频率的显示：在变频器上既能显示给定频率，也能显示输出频率，但是由于电动机的负荷常常是不断变化的，其补偿值也随之变化，在显示输出频率时的输出值是不断变化的，通常只需要显示给定值。

基本频率与最大频率

1基本频率：

定义：与变频器的最大输出电压相对应的频率称为基本频率。注意，基本频率与给定信号无关。例如，变频器的负载电动机工作电压为380V，50Hz，那么变频器的输出最高电压为380V时，基本频率就是50Hz。

2基本频率的预置：在绝大多数情况下，基本频率总是和电动机的额定频率相等。3最大频率：

定义：最大频率是与最大给定信号相对应的频率，也是变频器允许输出的最高频率，在任何情况下，变频器的输出频率都不可能超过最大频率。

4最大频率的预置：通常根据负载的具体情况来预置，在大多数情况下，是以电动机的额定频率作为最大频率。预置了最大频率，也就预置了基本频率给