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变频器基础知识

交流电动机调速概述

从19世纪80年代以来，工业电气传动一直以直流传动为唯一方式。到19世纪末，出现了三相电源和坚固耐用的鼠笼式电动机后，在不调速的场合交流传动才代替了直流传动。三相交流异步电动机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，一经问世，就备受人们青睐。与其他电动机相比，它在工农业生产设备中的占有率一直处于绝对领先的地位。

然而，随着生产的不断发展，现代应用的许多变速传动系统，不仅要求有宽广的调速范围，而且要求静差小、稳定性好及有良好的动态性能。直流电动机能够满足这些要求，但由于直流电动机在制造和维护等方面的固有缺陷，长期以来，人们一直渴望用交流电动机代替直流电动机。从60年代起，国外对交流变速传动已开始重视，如日本在1961年发明的滑差调速电机，可以认为是交流串级调速研究的开始。

长期以来，异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。虽然改变定子侧的电流频率就可以调节转速，是由异步电动机的基本原理所决定的，是和异步电动机“与生俱来”的。然而，异步电动机诞生于19世纪80年代，而变频调速技术发展到迅速普及的实用阶段，却是在20世纪80年代，整整经历了一个世纪。

是什么原因使变频调速技术从愿望到实现经历了长达百年之久呢？

首先，从目前迅速普及的“交-直-交”变频器的基本结构来看，“交-直”（由交流变直流）的整流技术是很早就解决了的。而“直-交”（由直流变交流）的逆变过程实际是不同组合的开关交替地接通和关断地过程，它必须依赖于满足一定条件的开关器件。这些条件是：

●能够承受足够大的电压和电流；

●允许长时间频繁地接通和关断；

●接通和关断必须十分方便。

直到20世纪70年代，大功率晶体管（GTR）地开发成功，才比较满意地满足了上述条件，从而为变频调速技术的开发、发展和普及奠定了基础。20世纪80年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极晶体管（IGBT），其工作频率比GTR提高了一个数量级，从而使变频调速技术又向前迈进了一步。目前，中小容量的新系列变频器中的逆变部分，已基本上被IGBT垄断了。

其次，由于电动机绕组中反电动势的大小是和频率成正比的。其次，在改变频率的同时还必须改变电压，故变频器常简写成VVVF （Variable V oltage V ariable Frequency）。VVVF的实现，虽然不如逆变电路之对于开关器件那样具有强烈的依赖性，但简化到足以推广普及的阶段，却是在20世纪70年代提出了正弦波脉宽调制技术（SPWM）并不断完善之后。

再其次，在不采取任何措施的情况下，异步电动机在变频（同时也变压）后的机械特性远逊色于直流电动机变压后的机械特性。这必将大大影响变频调速技术的应用范围。20世纪70年代末，矢量控制技术提出和实现，使异步电动机变频后的机械特性达到了可以和直流电动机变压后的机械特性相媲美的程度。而比较简易的V/F控制变频器，也足以满足大多数负载的要求。

与此同时，计算机技术和大规模集成电路的飞速进步，极大地简化了实施SPWM及矢量控制等复杂技术的方法，增强和扩大了变频器的功能，使变频调速技术迅猛地发展了起来。

如上所述，交流电动机变频调速是近20年内发展起来地新技术，而在我国地普及应用，则大约只有10余年。即使在这短短地10余年中，国内外变频器技术地进步也十分可观。在各种功能地设定方面，早期的模拟量设定早已被数字量设定所代替；设定的项目也由几个上升至几十个乃至近百上千个；逆变管逐渐由GTR更新为IGBT；变频器的容量已能做到数千千伏安等等。

当前，对于广大的电气工程技术人员来说，了解和熟悉变频调节技术、选好用好变频器、充分发挥变频器中各种功能的作用，已经是当务之急的事。

与直流拖动相比，交流拖动具有如下特点 交流电动机坚固耐用，用交流电动机组成的拖动系统经济可靠、

运行噪声小、维护方便。

能够适应易燃、易爆、高空、井下等恶劣环境，适应范围广。

结构简单，便于制造大容量、高转速、高电压的电动机，这为交流拖动系统的应用开辟了更广泛的领域。

由于高性能、高精度新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动

系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛地用于各个生产领域中。

交流调速的发展经历了几个阶段，最典型的带有方向性的调速系统是 晶闸管调压调速系统；

串级调速系统；

变频调速系统；

无换向器电动机调速系统；

矢量变换控制系统。

交流调速的经济效益：据统计，风机、水泵类机械耗电量占工业用电的一半左右，目前很多地方采用当板或阀门来调节风量和流量，能源浪费相当严重。如果对风机泵类机械采用调速控制，则可大大降低电能的浪费，经济效益极其可观。例如日本1975年在调速领域中，直流调速占80%，交流调速占20%，到了1985年交流调速占80%，而直流调速占20%，我厂的发展也是如此。

缩 写 符 号

PAM 脉幅调制

PWM 脉宽调制

SPWM 正弦波脉宽调制

VVVF 变压变频

SCR 晶闸管

GTO 可关断晶闸管

GTR 大功率晶体管

BJT 双极晶体管

IGBT 绝缘栅双极晶体管

SGCT 对称门极换流晶闸管

FN 额定频率

FX 变频器的输出频率

TM 变频器的转矩

UDN 变频器直流电路的电压

施耐德变频器

变频器调速的工作原理

我们现在使用的变频器为通用变频器，是指可以应用于通用交流电动机调速控制的变频器，其特点是具有通用性，并具有智能化特征，通用变频器也因此而得名。

目前，通用变频器已在各行各业中的各种设备上普及应用，并成为当今节电、改造传统工业、改善工艺流程、提高产品质量、改善环境、推动技术进步的主要手段之一。它以其优异的性能和广泛的适用性被国内外公认为最有发展前途的绿色技术，是国民经济和日常生活中普遍需要的新技术，也是国际上技术更新换代最快的领域之一。