变频器原理免费下载

1、第1章 1.1 变频器技术的发展历史 直流电动机拖动和交流电动机抱功先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。 但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点： （1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； （2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。 而与直流电动

2、机相比，交流电动机则具有以下优点： （1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养； （2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行厂大量的研究开发工作。但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖功系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系

3、统的复杂性，也造成了能源的浪费。 经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着同时期内电力电子技术的发展，作为交流调速系统核心的变频器技术也得到显著的发展，并逐渐进入实用阶段。 虽然发展变频驱动技术最初的日的主要是为了节能，但是随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件相微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广。目的变频器不但在传统的电力拖动系统，得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到

4、了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。1.2 变领器调速控制系统的优势 与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制。电源功率因数大，所需电源容

5、量小，可以组成高性能的控制系统等等。下面我们将简单介绍一下上面提到的变频器调速控制系统的各种主要优点。在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替传统亡利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。 因为以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高，所以通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。 由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机和系统本身

6、进行大的设备改造。 在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制受频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1：10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1：1000。此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转短。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。 利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实

7、现电动机的正反转切换，必须利用开闭器等装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可以达到对输出进行换相的口的，很容易实现电动机的正反转切换而不需要专门设置正反转切换装置。 此外，对在电网电源下运行的电动机进行正反转切换时、如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换，电动机内将会由于相序的改变而流过大于起动电流的电流，有烧毁电动机的危险，所以通常必须等电动机完全停下来之后才能够进行换相操作，而采用变频器的交流调速系统中，内于可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行减速，并存电动机减速至低速范围后再进行相序切换，进行相序切换时电动

8、机的电流可以很小。同样，在电动机的加速过程中可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速，从而达到限制加速电流的目的。因此，在利用变频器进行调速控制时更容易和其他设备一起构成自动控制系统。 对于利用普通的电网电源运行的交流拖功系统来说，由于电动机的起动电流较大并存在着与起动时间成正比的功率损耗，所以不能使电动机进行高频度的起停运转。而对于采用了变频器的交流调速系统来说，出于电动机的起停都是在低速区进行而且加减速过程都比较平缓，电动机的功耗和发热较小，可以进行较高频度的起停运转。 变频调速系统的上述特点可以用于采用交流拖动系统的传送带和移动工作台等以达到节能的目的。这是因为，在

9、利用异步电动机进行佰速驱动的传送带以及移动工作台中，电动机通常一直处于工作状态，而采用变频器进行调速控制后，出于可以便电动机进行高频度的起停运转，可以使传送带或移动工作台只是在有货物或工件时运行，而在没有货物或工件时停止运行，从而达到节能的目的。 由于在变频器驱动系统电电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率进行的，当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈到变频器。而变频器则可以利用自己的制动回路将这部分能量以热能消耗或回馈给供电电网，并形成电气制动。此外，一些变频器还具有直流制动功能，即在需要进行制动时，可以通过变频器给电动机加上一个

10、直流电压，并利用该电压产生的电流进行制动。 同机械制动相比，电气制动有许多优点，例如体积小，维护简单，可靠件好等。但是也应该注意到，由于在静止状态下电气制动并不能使电动机产生保持转矩，所以在某些场合还必须采取相应的措施，例如和机械制动器同时使用等。 高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点之一。这是因为对于直流电动机来说，由于受电刷和换向环等因素的制约，无法进行高速运转。但是，对于异步电动机来说，由于不存在上述制约因素，理论上讲异步电动机的转速可以达到相当高的速度。由于异步电动机的转速为： n=120f（1-s）/p式中 n 电动机转速，r/min； f 电源频率，Hz； P 电动机磁极个数；

11、s 转差率。 当用工频电源（50Hz）对异步电动机进行驱动时，二极电动机的最高速度只能达到3000r/min。为了得到更高转速，则必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行增速。与此相比，目前高频变频器的输出频率已经可以达到3000kHz所以当利用这种高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可以得到高达18000 r/min的高速。而且随着变频器技术的发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，因此进行更高速皮的驱动也将成为可能。 此外，与采用机械增速装置的高速驱动系统相比，出于采用高频变频器的高速驱动系统中并不存在异步电动机以外的机械装置，其可靠性更好，而且保养和维修也更加简单。 在变领器调速控

12、制系统中，变频器和电动机是可以分离设置的。因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到适用于各种工作环境的交流调速系统，而对变频器本身并没有特殊要求。例如，对有防爆和防腐蚀要求的环境只需将电动机换为专用电动机，而使用普通的变频器并将其安装在有防爆和防腐蚀要求的环境之外的普通环境中即可。由于变频器本身对外部来说可以看作是一个可以进行调频调压的交流电源，可以用一台变频器同时驱动多台异步电动机或同步电动机，从而达到节约设备投资的目的。而对于直流调速系统来说，则很难做到这一点。当用一台变频器同时驱动多台电动机时，昔驱动对象为同步电动机，所有的电动机将会以同一速度（同步转速）运转，而当驱动对象为

13、容量和负载都不相同的异步电动机时，则由于转差的原因，各电动机之间会存在一定的速度差。 因为变频器是通过交流直流交流的电源变换后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几乎为定值。 此外，当用电网电源对异步电动机进行驱动时，电动机的起动电流为额定电流的56倍，而在采用变频器对异步电动机进行驱功时，由于可以将变频器的输出频率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而受频器输入端电源的容量也可以比较小。般来说，变频器输入端电源的容量只需为电动机输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压起动器的作用。 随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术

14、也得到了充分地重视和发展，目前，由高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上已经达到和超过了直流电动机伺服系统。此外，小于异步电动机还具有对环境适应性强，维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的优点，所以在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能的交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。而且由于高件能的变频器的外部接口功能也非常丰富，可以将其作为自动控制系统中的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。由于变频器具有上述优点，因而在各种领域中得到了广泛的应用。表1-2给出了变频器在工业牛产个的主要应用。1.3 变领器技术的发展动向 近年来，随着信息技术、电力电子技术、电机驱动技术的不断发

15、展，变频器的性能不断提高，其应用范围也越来越广。日前变频驱动的应用已经非常广泛，新型变频器产品不断出现，变领器的性能和可靠性也在不断地完善和提高。总体上讲，目前变频器已经从简单的整流逆变装置进化为策驱动控制、I/O逻辑现场编程、通讯组网连接等为一体，可以适应不同应用场合的过程控制单元，并在工业自动化生产线和许多领域中得到了广泛应用。从市场需求和技术发展趋势来看，今后一段时间内，变频器技术将会在下面几个方而得到进一步的发展。 （1）大容量和小体积化。大容量化和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。近年来，随着IGBT（Insulated Gate Bipolar Transisto

16、r，隔离门极双极晶体管）、SIC-IGBT（Silicon Carbide-Insulated Gate Bipolar Transistor，碳化硅隔离门极双极晶体管）器件的发展和以IGBT为开关器件的IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）、ASIPM（APPIicalion Specified Intelligent Power Module，特定用途智能功率模块）、单片IPM等新型功率器件的发展以及热设计技术的进步，使得变频器的容量越来越大，体积越来越小，而在温升等关键指标上并末下降。除了不断推出大容量的新型变频器产品外，许多厂家都在小功率段推出了所谓的

17、“迷你”型产品，以满足不同用户的实际需要。 （2）高性能和多功能化。随着微电子技术和半导体技术的发展，用于变频器的各种半导体器件和传感器的性能和可靠性越来越高。而随着高性能DSP和AISC在变频器中的广泛应用和交流调速理论的不断成熟，各种先进的控制算法的实现成为可能。从而为进一步提高变频器的性能提供了条件。此外，随着信息技术的发展和变频器的进一步推广应用，用户也在不断提出各种新的要求，希望变频器产品能够通过与信息技术的进一步融合而具有更高的性能和更加丰富的功能。这此都将促使变频器的生产厂家不断做出努力，以满足不同用户的实际需要并争取在激烈的市场竞争中立于不败之地。 （3）易操作性的提高。随着变

18、频器市场的不断扩大如何进一步提高变频器的易操作性，使变频器产品能够满足不同府用场合的需要，并使得普通的技术人员甚至非技术人员也能够很快掌握变频器的使用仍然是变频器生产厂商所必须考虑的问题。虽然目前厂商提供的变频器产品在结构设计上基本都考虑到了现场安装的要求，并在软件设计上加入了初始起动设置工具，帮助用户根据应用背景选择和设置各种必要的功能和参数，但为了进一步扩大市场和不断争取新的用户，厂商仍然会在丰富变频器功能的同时不断提高变频器的易操作性，新型变频器将更加容易操作和更加容易适合特定的应用背景。 （4）寿命和可靠性的提高。随着半导体技术的发展和电力电子技术的发展，变频器中所使用的各种元器件的寿

19、命和可靠性都在不断提高，而随着信息技术的不断发展，新型变频器产品中自我诊断和远程诊断功能的进一步充实以及免维护功能的实现，变频器产品的寿命和可靠性格得到进一步的提高。此外，随着交流调速理论和相关技术的不断发展，新的控制方法和驱动方式也将不断出现，从而使变频器的寿命和可靠性得到进一步提高。 （5）减少对环境的影响。近年来，随着变频器的推广和普及，如何减少变频器，尤其是大功率变频器对周围环境影响的问题越来越受到重视。例如，目前变频器中内置AC Ractore。（电抗器）或Dc Choke（扼流圈）已经非常普遍，这对减小变频器产生的高次谐波对环境的影响起到了重要作用。未来的新型传感器中将会通过先进的

20、控制方法和新的驱动方式减小dV/dt以及di/dt的变化从而达到来减小高次谐波对环境的影响的目的。而各种新技术和新器件的应用，也将进一步减少变频器对所处环境的影响。 （6）网络化与智能化。尽管当前变频器单独使用的场合仍占多数，但作为工业生产过程中一个重要的执行单元，变频器具有网络化运行的能力将成为工业自动化的趋势。目前许多变频器生产厂商的新产品都已经具有网络连接能力，通过选件形式支持多种现场总线，可以通过PC机方便地完成频率设定、参数设置、工作状态给定及在线监测、系统维护、远程诊断等。 此外，为了满足不同用户的不同需要，新型变频器产品的智能化程度将进一步提高，这主要体现在变频器本身将具有更多的

21、功能供用户选择，而用户则可以根据自己的需要，在变频器所预先设定的多种功能的基础上进行编程，以满足其具体应用的需要。 （7）同步电动机变频器。在许多情况下，使用变频器进行调速的目的是为了节能。在目前的交流调速系统中，出于对可靠性的考虑，大多数系统使用了异步感应电动机。但是，因为小容量异步电动机的转换效率并不高。因此，从节能的观点来看，采用异步电动机实现交流调速并不是最佳的解决方案。 永磁同步电动机具有电机是无刷结构，尺寸小，功率因数高、效率高，转子转速严格与电源频率同步，容易实现无速度传感器矢量控制等优点，非常适合于交流调速系统。近年来，随着永磁材料性价比的不断提高，积极利用永磁同步电动机和变频

22、技术改善交流调速系统效率的技术趋势非常明显。一些公司已经专门推出了以节能为目的的同步电动机变频器，并在许多领域得到了广泛应用。总而言之，未来的变频器产品将朝着高性能、多功能、长寿命、高可靠、易使用、绿色化、智能化的方向发展。变频器将不仅仅是一个简单的交流调速装置，而将成为实现自动化过程的一个重要的处理单元：变频器技术将不断得到提高，而变频器的应用领域亦将不断得到拓展。第2章 变频器的基本原理及控制方式2.1变频器的基本构成和工作原理2.1.1 变频器的基本构成变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图2-1示的基本结构

23、。图2-1 变频器的基本结构图2-2给出了一个典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图。而对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中有时还有一个以DSP（数字信号处理器）为主的转矩计算用CPU以及相应的磁通检测和调节电路。2.1.2 变频器内部电路的基本功能虽然变频器的种类很多，其内部结构也各有不同，但大多数变频器都具有图2-1给出的基本结构，它们的区别仅仅是控制电路和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而己。下面我们将结合图2-1简单介绍变频器各部分电路的基本作用。一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整

24、流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式可以是直流电压源也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要入器件是大容量的电解电容，刚当整流电路是电流源时平滑电路则主要内大容量电感组成。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。 逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的宣流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。变

25、频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基级）驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也是交频器的核心部分；控制电路的优劣决定了变频器性能的好坏，控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极（基极）驱动信号，计对变频器以及异步电动机提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D，D/A等外部接门电路接收发送多种形式的外部信号和给出系统内部下作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。图2-2 典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图2. 1. 3 逆变电路基本工作原理前面我们已经提到，逆变电路在变颇器电

26、路中，起着非常重要的作用。逆变电路的基本作用是将直流电源转换为交流电源。在逆变电路中，一般由六个开关组成一个三相桥式电路。交替打开和关断这六个开关，就可以在输出端得到相位上各相差120。（电气角）的三相交流电源。该交流电源的频率由开关频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值。为了改变该交流电源的相序从而达到改变异步电动机转向的目的、只要改变各个开关打开和关断的顺序即可。因为这些开关同时又起着改变电流流向的作用，所以它们又被称为换流开关或换流器件。当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁校流器件。所以在实际的变频器逆变电路中还没有各种相应的辅助电路，以保证逆变电路的正常工

27、作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。在由逆变电路所完成的将直流电源转换为交流电源的过程中，开关器件起着非常重要的作用。由于机械式开关的开关频率和使用寿命都很行限，在实际的逆变电路中采用半导体器件作为开关器件。半导体开关器件的种类很多，如晶间管、品体管、GTO、IGBT等。而变频器本身也常常根据其逆变电路中使用的半导体开关器件的种类而被称为晶问管变频器、晶体管逆变器等。22变频器的种类在介绍变频器的种类时我们将遇到变频器的分类方式的问题。变频器的分类可以有多种方式，例如可以按其主电路工作方式进行分类，可以按其开关方式进行分类，可以按其控制方式进行分类，还可以按其用途进行分类。下面就根据这几种

28、分类方法对变频器进行简单介绍，以使对变频器尚不太热悉的读者能够对变频器有一个整体上的了解。（1）按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器的待点是将直流电源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流电源。1）电压型变频器。在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出；整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用。而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电压。在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需

29、要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。2）电流型变频器。在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中间电路的电抗将电流进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的，对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反内的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。由于在采用电流控制方式时可以将能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易

30、处理，电流利控制入式更适合于大容量变频器，电压型变频器和电流型变频器主电路的结构因其使用的换流器件的不同而有多种形式。关于这些电路的基本结构，可以参考其他有关资料。（2）按照开关力式分类。当谈到变频器的开关方式时通常讲的都是变频器逆变电路的开关方式。而在按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类时，则变频器可以分为PAW控制方式，PWM控制方式和高载频PWM控制方式二种。 1）PAM控制。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation（脉冲振幅调制）控制的简称，是一种在整流电路部分对输出电压（电流）的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。因为在PAM控制的变

31、频器中逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调速力式。由于逆变电路换流器件的开关频率（以下简称载波频率）较低，在使用PAM控制方式的变频器进行调速驱动时具有电动机运转噪声小，效率高等待点。但是，由于这种控制人式必须向时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂。此外，这种控制方式也还具亩当电功机进行低速运转时波动较大的缺点。 2）PWM控制。PWM控制是Pulse Amplitude Modulation（脉冲宽度调制）控制的简称，是在逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭

32、，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的。为了使异步电动机在进行调速运转时能够史加平滑，目前在变频器中多采用正弦波PWM控制方式。所谓正弦波控制方式指的是通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。这种控制方式也称为SPWM控制。采用PWM控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种个良影响，转矩波功小，而且控制电路简单，成本低等特点，是目前在变频器中采用最多的一种逆变电路控制方式；但是，该入式也具有当载波频率不合适时会产生较大的电动机运转噪声的缺点。为了克服这个缺点，在采用PWM控制方式的新型变频器中都具有一个可以改变变频器载波频率的功能，以便使用户可以根据

33、实际需要改变变频器的载波频率，从而达到降低电动机运转噪声的目的。3）高载频PWM控制。这种控制方式原理上实际是对PWM控制方式的改进，是为了降低电动机运转噪声而采用的一种控制方式。在这种控制方式中，载频被提高到人耳可以听到的频率（1020kHz）以上，从而达到降低电动机噪声的目的。这种控制方式主要用于低噪声则的变额器，也将是今后变频器的发展方向；由于这种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求、所用换流器件只能使用具有较高开关速度的IGBT或MOSFT等半导体元器件，目前在大容量变频器中的利用仍然受到一定限制。但是，随着电力电子技术的发展，具有较高开关速度的换流，元器件的容量将越来越大，所以预

34、计采用这种控制方式的变频器也将越来越多。 PWM控制和高载频PW M控制都属于异步调速方式，即变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率。 （3）按照工作原理分类。当按照下作原理对变频器进行分类时按变频器技术的发展过程可以分为V/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。下面我们将分别介绍一下这三种控制方式的特点。1）V/f控制变频器。V/f控制是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/f（电压和频率的比）的值保持一定而得到所需的转矩特性。采用V/f控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求不太高的通用变频器。 2）转差频率控制

35、变频器。转差频率控制方式是对V/f控制的一种改进。在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定，从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和V/f控制方式相比在负载发热较大变化时仍能达到较高的速度精度和具有较好的转矩特性。但是，由于采用这种按制方式时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特件调节转差，通常多用于厂家指定购专用电动机，通用性较差。 3）矢量控制变频器。矢量

36、控制是20世纪70年代由西德Blaschke等人率先提出来的对交流电动机的种新的控制思想利控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法。矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其相垂直的产生转距的电流分量（转矩电流）计分别加以控制。出于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅佰和相依，即控制定于电流矢量，这种控制方式称为矢量控制方式。 矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能。采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹放，而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。所以已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。由于

37、在进行矢量控制时需要准确地掌握对象电动机的有关参数，这种控制方式过去主要用于厂家指定的变频器专用电动机的控制。但是，随着变频调速理论和技术的发展以及现代控制理论在变频器中的成功应用，日前在新型矢量控制变频器中已经增加了自调整（Auto-tuning）功能。带有这种功能的变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对电动机的参数进行辨识并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而使得对普通的异步电动机进行仑效的欠量控制也成为可能。（4）按照用途分类。在上而介绍的变频器分类方式中我们是按照变频器的丁作原理对其进行分类的，仅是，对于一个变频器的用户来说，他关心更多的也可能足变频器的用途而不是其工

38、作原理。厂面，我们介绍一下按照用途对变频器进行分类时变频器的种类。当按照用途对变频器进行分类时变频器可以分为以下几种类型。1）通用变频器。顾名思义，通用变频器的特点是其通用件。这里通用件指的是通用变领器可以对普通的异步电动机进行调速控制。随着变频器技术的发展和市场需要的不断扩大，通用变频器也在朝着两个方向发展：低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器。这两类变频器分别具有以下特点。简易型通用变频器是一种以节能为主安目的而削减了一些系统功能的通用变频器。它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对系统的调速性能要求不高的场所，并具有体积小，价格低等方面的优势。高性能多功能通用变频器在设计过程中充

39、分考虑了在变频器应用汇总可能出现的各种需要，并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的淮备。在使用时，用户可以根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设定，也可以根据系统的需要选择厂家所提供的各种选件来满足系统的持殊需要。高性能多功能变频器除了可以应用于简易型变频器的所有应用领域之外，还广泛应用于传送带、升降装置以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有较高要求的许多场合。过去，通用型变频器基本上采用的是电路结构比较简单的V/f控制方式，与采用转矩矢量控制方式的高性能变频器相比，在转矩控制性能方面要差一些。但是，随着坐频器技术的发展和变频器参数自整的实用化，目前一些厂家已经推出

40、了采用矢量控制方式的高性能多功能通用变频器，以适应竞争日趋激烈的变频器市场的需要。这种高件能多功能通用变频器在性能上已经接近过去的高性能矢量控制变频器，在价格方面却与过去采用V/f控制方式的通用变频器基本持平。因此，可以相信，随着电力电子技术和计算机技术的发展，今后变频器的性能价格比将会木断提高。 2）高性能专用变频器。随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的发展，异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展，采用矢量控制方式高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上已经达到和越过了直流伺服系统。此外，由于异步电动机还具有对环境适应性强、维护简单许多直流伺服电动机所不具备的优点

41、，在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。同通用变频器相比，高性能专用变频器基本上采用矢量控制方式，而驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机，并且主要应用于对电动机的控制性能要求较高的系统。此外，高性能专用变频器往往是为了满足某些特定产业或区域的需要，使变频器在该区域中具有最好的性能价格比而设计生产的。例如，在机床主轴驱动专用的高性能变频器中，为了便了和数控装置配合完成各种工作，变频器的主电路、回馈制动电路和各种接口电路等被做成一体，从而达到了缩小体积和降低成本的要求。而在纤维机械驱动方向，为了便于大系统的维修保养，变频器则采用了可以简单地进行拆装

42、的盒式结构。3）高频变频器。在超精加工和岗性能机械区域中常常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器。这类变频器的输出频率可以达到3kHz，所以在驱动两极异步电动机时电动机的最高转速可以达到18000r/min。4）单相变频器和三相变频器。交流电动机可以分为单相交流电动机和二相交流电动机两种类型，与此相对应，变频器也分为单相变频器和三相变频器。二者的工作原理相同，但电路的结构不同。变频器对电动机进行控制，是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，对提供给电动机的电压、电流、频率进行控制以达到负载的要求，因此，即便变频器的主电路一样，逆变

43、器件相同，单片机的位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果就不一样。所以控制方式是很重要的，它代表变频器的水平。2.3 变频器的控制方式目前变频器对电动机的控制方式大体可分为：V/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等。前四种已获得成功应用，并有商品化产品，本章只讨论前2种控制方式。2.3.1 V/f恒定控制V/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（Voltage）与频率 (Frequency)的比，称为V/f恒定控制。 此种

44、控制方式比较简单，多用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。另外，空调等家用电器也多采用此控制方式的变频器。1.控制原理 异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，在改变频率时，电动机的同步转速随着改变。当电动机带负载运行时，电动机转子转速略低于电动机的同步转速，即存在转差。转差的大小和电动机的负载大小有关。 保持V/f恒定控制是异步电动机变频调速最基本的控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。 电动机定子的感应电动势E14.44Kw1m f 1 N1 (2-1)式中 Kwl电动

45、机绕组系数； f1 电源频率； N1 电动机绕组匝数； m每极磁通。电动机端电压和感应电动势的关系式为 UlE1+(r1+jx1)I1， (2-2) 在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。由式(2-1)可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的频率降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机感应电动势E不变，那么，由式(23)可知，电动机的磁通m将增大。由于电动机设计时电动机的磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。磁通出现饱和后将会

46、造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗。而当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。在变频控制时，保持E / f恒定，可以维持磁通恒定。图2-3是采用恒定V/f控制的异步电动机变压变频调速的转矩特性曲线，图中横坐标为转速，纵坐标为转矩。由图可看出，随着频率的变化，转矩特性的直线段近似为一组平行线，电动机的最大转矩相同，但产生最大转矩时的转差不同，所对应的转差频率不变。 由于电动机的电动势检测比较困难，考虑到在电动机正常运转时电动机的电压和电动势近似相等，通过控制V/f恒定以保持磁通为恒定

47、但是采用V/f恒定控制，在频率降低后，电动机的转矩有所下降。这是由于低速时的定子电阻压降所占比重增大，电动机端电压和电动势近似相等的条件已不满足。 V/f恒定控制常用在通用变频器上。这类变频器主要用于风机、水泵的调速节能，以及对调速范围要求不高的场合。控制的突出优点是可以进行电动机的开环速度控制。图2-3 异步电动机变压变频调速的转矩特性曲线 V/f恒定控制存在的主要问题是低速性能较差。其原因是低速时异步电动机定子电压降所占比重增大，已不能忽略，不能认为定于电压和电动机感应电动势近似相等，仍按V/f恒定控制已不能保持电动机磁通恒定。电动机磁通的减小，势必造成电动机的电磁转矩减小。 除了定子漏阻

48、抗的影响外，变频器桥臂上下开关器件的互锁时间是影响电动机低速性能的重要原因对电压型变频器，考虑到电力电子器件的导通和关断需一定时间，为了防止桥臂上下器件在通断切换时直通，造成短路而损坏，在控制导通时设置一段开关导通延迟时间，在该时间内，桥臂上下电力电子器件处于关断状态，因此又称该延迟时间为互锁时间。互锁时间的长短与电力电子器件的种类有关对于大功率晶体管(GTR)，互锁时间约为1030s。对于绝缘栅晶体管(IGBT)，互锁时间约为310s。由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压降低。互锁时间造成的电压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速、电流的振荡，严重时变频器不能运行。 可以

49、采用补偿端电压的方法即在低速时适当提升电压，以补偿定子电阻压降和开关互锁时间的影响。2.电压型变频器异步电动机的V/f恒定控制的构成 实现电压型变频器异步电动机系统V/f恒定控制的方式很多，如果采用正弦PWM进行电压和频率的控制，系统控制部分需要提供频率可变、幅值随频率变化的正弦设定信号。使用模拟电子技术产生正弦信号并不困难，但若需要信号的幅值正比于频率的变化，或按某种规律变化，则采用数字电路较易实现。 V/f恒定控制的PWM变频器中，PWM控制部分原理图示于图2-4。图中LA为加减速控制环节，它将阶跃的速度设定信号变为缓慢变化的设定信号，以减小起动和制动时的电流冲击。-COM为微型计算机处理

50、单元，它包括存有正弦波形的数据的只读存储器EPROM和产生EPROM地址的计数器。VFC为压频变换器，它将速度设定的电压信号变为频率信号(脉冲)，反映速度(电压)设定的脉冲送入-COM中的计数器，计数器的数据作为EPROM的地址，改变计数频率，即可改变EPROM的地址扫描频率变化。EPROM的数据送至数模转换器(DAC)，DAC设有乘法功能，它的电压参考端直接接至速度(电压)设定端(VFC的输入)。DAC的输出电压波形的幅值正比于速度设定值，从而实现V/f恒定控制。控制电压和三角波进行调制获得变频器主电路开关器件IGBT通断所需要的PWM控制信号。图2-4 恒定控制的PWM变频器的主电路的控制

51、部分图 V/f恒定控制的PWM变频器的电路通常为交-直-交电压型变频器，输入接至三相电源，输出接三相异步电动机。中小容量变频器常采用可关断电力电子器件如大功率晶体管(GTR)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件，构成三相桥式逆变电路；大容量变频器采用可关断晶闸管(GTO晶闸管)或晶闸管(SCR)作为开关器件。当采用晶闸管(SCR)作为开关器件时，由于晶闸管不能控制关断，需要采用辅助换相电路。在主电路中还包括整流环节，通常使用普通电力二极管构成三相不可控整流桥，它将三相交流电整流成直流，经滤波电容器滤成平稳的直流。滤波电容器和整流桥之间接有充电限流电阻，当变频器接通电源时，由于直流滤波电

52、容器的电压不能突变，如果没有充电限流电阻，整流二极管和电容器将会流进很大的充电电流。充电限流电阻的作用就是要限制充电电流。一旦充电结束，电容器的电压达到正常工作电压时，充电限流电阻被继电器短接。滤波后的直流电作为逆变器的输入，经逆变桥逆变成三相交流电提供给三相异步电动机。 变频器的控制电路除了上述PWM生成部分之外，还包括电力电子器件的驱动电路。它将PWM控制信号(通常为逻辑电平)经隔离、放大，变成可以控制电力电子器件导通、关断的电压或电流信号。不同类型的电力电子器件需要不同的驱动电路。驱动电路的基本要求是提供足够的开通电压或电流，以及可靠的关断电压或电流。保护部分应保证变频器不会发生永久性破

53、环。有硬件保护和软件保护时,它们均需对保护对象进行快速检测,并根据预先设置的保护动作设定值，分别进行处理并给出相应的故障信息。 矢量控制 1.矢量控制简介矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。直流电动机具有两套绕组，励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的，在空间上互差90°；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。当进行闭环控制时，可

54、以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。异步电动机亦有两套多相绕组(定子绕组和转子绕组)，其中定子绕组和外部电源相接，在定子绕组中流过定子电流。转于绕组只是通过电磁感应在转于绕组中产生感应电动势，并流过电流，同时定子侧的电磁能量转变为机械能供给负载。因此异步电动机的定子电流包括两个分量：励磁电流分量和转子电流分量。由于励磁电流是异步电动机定子电流的一部分，很难像直流电动机那样仅仅控制异步电动机的定子电流达到控制电动机转矩的目的。事实上，异步电动机所产生的电磁转矩和定子电流并不成比例，定子电流大并不能保证电动机的转矩大。例如，异步电动机起动时，定子电流几乎是额定电流的57

55、倍，但起动转矩仅仅是额定转矩的0.81.2倍。但是，根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制。在认识矢量控制原理时，经常要碰到所谓的3/2、2/3变换的计算，这里的3、2指的是电动机的3相和2相。从产生电动机的旋转磁场看，3相绕组中通以3相对称电流可以产生圆形旋转磁场，2相绕组中通以互差90°的电流亦可以产生圆形旋转磁场。因此从磁场的作用看，3相绕组所产生的磁场可以用2相绕组所产生的磁场来等效，这是分析电动机运行原理的基本方式。矢量控制中的3/2、2/3变换的计

56、算亦是一种等效计算。将3相电动机等效为2相电动机后，电动机的定子绕组只有两个，而且在空间上互差90°。同样，可以用2相绕组等效多相转于绕组。从几何上看，直流电动机的两套绕组在空间上亦是互差90°，因而变换后的异步电动机具有和直流电动机相类似的绕组结构。另外，从产生旋转磁场角度考虑，旋转磁场是交流电流产生的还是由直流电流产生的，这并不影响电动机性能的分析。如果设想它是由直流电产生的，那产生磁场的绕组需要以电动机的同步转速。这时，在控制计算中需要增加旋转变换，即将静止的定子绕组通以交流电产生的旋转磁场等效为由旋转的绕组通以直流电所产生的磁场。旋转变换是矢量控制又一重要变换。矢量控制和标量控制的主要区别是，前者不仅控制电流的大小，而且控制电流的相位，而标量控制只控制电流的大小。有关矢量控制的原理在有关专业书籍中有详细的分析。矢量控制技术经过20多年的发展，在异步电动机变频调速中已经获得广泛应用。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。如果能对电动机参数(主要是转子电阻R2)进行实时辨识，则可随时修改系统参数。另外一种思路是设计新的控制方法，降低性能参数的敏感性。近年发展