变频器与逆变器、斩波器

1．变频器与逆变器、斩波器变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。

变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。

逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（∆X－AX变换）。

将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（∆X－∆X变换）。

2．变压变频调速（ςςςΦ）在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。

如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由TM＝KT Φ M I 2 XO∑ ϕ 2(式中 TM ：电磁转矩，Φ M ：主磁通，I 2 ：转子电流，XO∑ ϕ 2 ：转子回路功率因素，KT ：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。

由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。

因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。

为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（ςαριαβλε ςολταγε，简称ςς）变频（ςαριαβλε Φρεθυενχψ，简称ςΦ）器，即ςςςΦ。

所以，通常也把这种变频器叫作ςςςΦ装置或ςςςΦ。

根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（ς/Φ）控制变频调速、矢量控制（ΦOX）变频调速、 直接转矩控制变频调速等。

3．变频器分类τ从变频器主电路的结构形式上可分为交－直－交变频器和交－交变频器。

交－直－交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。

交－直－交变频器主电路结构如下图。

υ从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器。

对交－直－交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。

电压型变频器的主电路典型形式如下图。

在电路中中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，而基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。

电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波，而电流的波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量。

由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。

电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，所不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，见下图，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。

电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机时，电压波形接近于正弦波。

电流型变频器的整流部分一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的。

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，所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。

一般的交－交变频器虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压型变频器。

也有的交－交变频器用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，属于电流型变频器。

ϖ交－直－交变频器根据ςςςΦ调制技术不同，分为∏AM和∏ΩM两种。

∏AM是把ςς和ςΦ分开完成的，称为脉冲幅值调制（∏υλσε Aμπλιτυδε Mοδυλατιον）方式，简称∏AM方式。

∏AM调制方式又有两种：一种是调压采用可控整流，即把交流电整流为直流电的同时进行相控整流调压，调频采用三相六拍逆变器，这种方式结构简单，控制方便，但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因素较低，而输出环节采用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大。

其基本结构见图α；另一种是采用不控整流、斩波调压，即整流环节采用二极管不控整流，只整流不调压，再单独设置∏ΩM斩波器，用脉宽调压，调频仍采用三相六拍逆变器，这种方式虽然多了一个环节，但调压时输入功率因素不变，克服了上面那种方式中输入功率因数低的缺点。

而其输出逆变环节未变，仍有谐波较大的问题。

其基本结构见图β。

∏ΩM是将ςς与ςΦ集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制（∏υλσε Ωιδτη Mοδυλατιον）方式，简称∏ΩM方式。

∏ΩM调制方式采用不控整流，则输入功率因素不变，用∏ΩM逆变同时进行调压和调频，则输出谐波可以减少。

其基本结构见图χ。

在ςςςΦ调制技术发展的早期均采用∏AM方式，这是由于当时的半导体器件是普通晶闸管等半控型器件，其开关频率不高，所以逆变器输出的交流电压波形只能是方波。

而要使方波电压的有效值随输出频率的变化而改变，只能靠改变方波的幅值，即只能靠前面的环节改变中间直流电压的大小。

随着全控型快速半导体开关器件BϑT、IΓBT、ΓTO等的发展，才逐渐发展为∏ΩM方式。

由于∏ΩM方式具有输入功率因数高、输出谐波少的优点，因此在中小功率的变频器中，几乎全部采用∏ΩM方式，但由于大功率、高电压的全控型开关器件的价格还较昂贵，所以为降低成本，在数百千瓦以上的大功率变频器中，有时仍需要使用以普通晶闸管为开关器件的∏AM 方式。

∏ΛX的特点2.1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。

∏ΛX由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的Φ系列∏ΛX平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余X∏Y的∏ΛX的平均无故障工作时间则更长。

从∏ΛX 的机外电路来说，使用∏ΛX构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，∏ΛX带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除∏ΛX以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2.2配套齐全，功能完善，适用性强∏ΛX发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代∏ΛX大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来∏ΛX的功能单元大量涌现，使∏ΛX渗透到了位置控制、温度控制、XNX等各种工业控制中。

加上∏ΛX通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用∏ΛX组成各种控制系统变得非常容易。

2.3易学易用，深受工程技术人员欢迎∏ΛX作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用∏ΛX的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

2.4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造∏ΛX用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

2.5体积小，重量轻，能耗低以超小型∏ΛX为例，新近出产的品种底部尺寸小于100μμ，重量小于150γ，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

性能：1工作速度工作速度是指∏ΛX的X∏Y执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度。

工作速度是∏ΛX工作的基础。

速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥∏ΛX的多种多样的作用。

2控制规模控制规模代表∏ΛX控制能力，看其能对多少输入、输出点及对多少路模拟进行控制3组成模块∏ΛX的结构虽有箱体及模块式之分，但从质上看，箱体也是模块，只是它集成了更多的功能。

在此，不妨把∏ΛX的模块组成当作所有∏ΛX的结构性能。

4内存容量∏ΛX内存有用户及系统两大部分。

用户内存主要用以存储用户程序，个别的还将其中的一部分划为系统所用。

系统内存是与X∏Y配置在一起的。

X∏Y既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质 5指令系统∏ΛX有多少条指令，各条指令又具有什么功能，是了解与使用∏ΛX的重要方面6支持软件为了便于编制∏ΛX程序，多数∏ΛX厂家都开发有关计算机支持软件。

7可靠控制为使∏ΛX能可靠工作，在硬件与软件两个方面∏ΛX厂家都采取了很多措施，对一些特殊可靠要求的∏ΛX，还有相应的特殊的措施，如热备、冗余等等。

这在介绍∏ΛX的特点时已作了叙述。

可靠措施的目的是增加∏ΛX平均故障间隔时间、MTBΦ（MεανTιμεBετωεενΦαιλυρε）及减少∏ΛX的平均修复时间、MTTP（MεανTιμεTοPεπαιρ），以提高∏ΛX的有效度A （Aϖαιλαβιλιτψ）。

8经济指标以上七条讲的都是∏ΛX的技术性能。

其实，使用∏ΛX，还要考虑经济指标。

经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用∏ΛX也就没有基础。

所以，这个指标也是重要的。

经济指标最简单的就是看价格。

一般讲，同样技术性能的∏ΛX，价格低其经济指标就好。