变频器基础知识概述

变频器基础知识概述ISBU-EUTechnicalCenter周耿2023/2/61变频器基本原理2变频器基本结构与组成3变频器控制理论与基础4变频器分类5变频器功能与应用场合6变频器选用与使用注意事项1变频器基本原理2变频器基本结构与组成3变频器控制理论与基础4变频器分类5变频器功能与应用场合6变频器选用与使用注意事项异步电机结构二部分组成定子固定不动部分，固定在电动机的机座上；由定子铁心和绕组组成，铁心由冲有线槽的矽钢片叠压而成，而绕组均匀地分布在铁心的槽内；转子旋转部分，固定在旋转轴上有鼠笼式和绕线式两类转子；由转子铁心和导体或绕组组成，鼠笼式转子采用铸铝浇注而成，绕线式则由漆包绕组和滑环形成。接线盒外壳定子及绕组转子绝缘异步电机转速公式式中：n1、n的单位为rpm（转/分钟）f为电源的频率p为绕组磁场的极数异步电机定子旋转磁场的转速记为n1，称为同步转速:异步电机转子的旋转速度记为n，即电机的额定转速:改变异步电机的供电频率，就可以改变其同步转速，从而实现电机的调速；对异步电机进行调速时，希望电机的主磁通保持恒定；在电机的基频以下调速时，在降低供电频率的同时降低供电电压，属于恒转矩调速；在电机的基频以上调速时，在提高供电频率的同时无法再提高供电电压，这时电机的主磁通随之减少，类似于直流电机的弱磁调速，近似于恒功率调速。调速原理整流环节直流环节逆变环节变频器原理图把电压和频率固定不变的交流电变换为电压和频率可变的交流电的装置称作“变频器”。1变频器基本原理2变频器基本结构与组成3变频器控制理论与基础4变频器分类5变频器功能与应用场合6变频器选用与使用注意事项变频器的基本结构整流桥整流环节AC-DC直流滤波逆变环节DC-AC逆变桥EMC滤波器施耐德变频器普遍标配进线EMC滤波器，用来抑制变频器对周围设备的射频干扰。在变频器通电时，EMC滤波器通过接地电容产生对地电流，尤其是上电瞬间会产生较大的漏电流。变频器一般应用于工业场合，用接地的方式进行安全保护。应用于民用配电场合时，有时无安全接地，而采用漏电开关(RCD)，有时会因此发生RCD误脱扣，这是正常的。解决的办法是将图中的接地断开。三相全波半控整流：效率略低，可省去充电限幅电路。斩控式整流器（PWM整流器）：效率高，功率因素可调，能量可回馈电网三相全波桥式二极管整流：效率高，成本低，控制简单六脉波整流电路整流环节直流电抗器直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈,因其通过的电流为直流电流,故亦成为直流扼流圈.直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波,从而减少对电网的污染.通常采用适当大小的直流电抗器,即可使变频器的谐波污染减少到符合标准,这是一种低成本的方案.如果要将谐波抑制到更低,需要大配合无源滤波器.直流电抗器对进线浪涌电压没有抑制作用.也称滤波或储能环节由电感或电容组成用于负载与整流器之间的无功功率的缓冲抑制直流侧电压或电流的脉动直流滤波环节制动单元和制动电阻制动单元是一个或一组晶体管,与制动电阻串联之后,接在直流母线上.当直流母线电压超过某规定电压时,制动晶体管导通,直流母线电容和电机向制动电阻释放能量.使直流母线电压降低,降低到另一规定电压后,制动晶体管截止.所以制动电阻的作用是能耗制动.图中Tfr为制动晶体管,PA-PB连接制动电阻,PA-PB之间的二极管为保护用续流二极管.当变频器驱动负载需要克服惯性快速减速或停车时,或位能性负载持续下降时,需要进行能耗制动.将直流电压或电流转换成频率、电压可变的交流电器件工作于开关状态每个器件并联续流二极管器件为全控型（GTR，GTO，IGBT，IPM等）逆变环节1变频器基本原理2变频器基本结构与组成3变频器控制理论与基础4变频器分类5变频器功能与应用场合6变频器选用与使用注意事项为了产生可变的电压和频率，首先要把交流电变换为直流电（DC），此环节称为Converter（整流器），整流器的控制理论在很早以前就非常成熟了。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的环节称为“Inverter”(逆变器)，逆变器的控制理论随着功率器件、电子元件的发展而不断完善。变频器控制理论电路的主要特点是：（1）主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；（2）使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于1；（3）逆变器调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；（4）可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制低次谐波，使电机可在正弦的交变电压下运行，转矩脉动小，扩展了调速范围，并提高了系统的性能。

1964年，德国人A.Schönung提出了脉宽调制变频器的思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频，从而优化了变频器的控制理论基础，其后的研究人员在此基础上不断地进行改进。变频器控制理论PWM脉宽调制

在每半个周期内，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，则脉冲的占空比为电压的平均值和占空比的大小成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。PWM脉宽调制SPWM脉宽调制单极性PWM脉宽调制

像这种在半个周期内三角波载波只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。SPWM脉宽调制双极性PWM脉宽调制

像这种在半个周期内三角波载波在正负两个方向变化，所得到的PWM波形也在两个方向变化的控制方式称为双极性PWM控制方式。PWM逆变电路的控制方式异步调制载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调制方式中，调制信号频率fr变化时，通常保持载波频率fc固定不变，因而载波比N是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

当调制信号频率较低时，载波比N较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比N减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。在PWM逆变电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比值N，称为载波比。PWM逆变电路的控制方式同步调制

载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波信号，且取载波比!为N的整数倍，以使三相输出波形严格对称，同时，为了使一相的波形正负半周镜像对称，N应取为奇数。

PWM逆变电路的控制方式分段同步调制

在逆变电路输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目是固定的，所以由PWM产生的fc附近的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声，给电动机的正常工作带来不利影响。

为克服上述缺点，一般都采用分段同步调制的方法，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，在功率开关器件所允许的频率范围内。在输出频率的低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利的影响。各频段的载波比应该都取3的整数倍且为奇数。SPWM逆变器及其控制模式为了减小谐波影响，提高电动机的运行性能。要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电，因此，PWM逆变器采用正弦波作为参考信号。这种正弦波脉宽调制型逆变器称为SPWM逆变器。目前广泛应用的PWM型逆变器皆为SPWM逆变器。

实现SPWM的控制方式有三种：一、采用模拟电路二、采用数字电路三、是采用模拟与数字电路相结合的控制方式。数字SPWM控制模式自然取样法规则取样法调速控制方法V/F比恒定控制保持V/F比恒定控制是异步电动机变频调速最基本控制方式，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，属开环控制。V/F比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，定子电压和电动机感应电动势已不能近似相等，无法再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。

变频器桥臂上下开关器件的互锁时间也是影响电动机低速性能的重要原因。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。转差频率控制转差频率控制属V/F恒压控制的一种改进方法，需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与V/F控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈速度闭环控制，速度的静态误差小，可以获得良好的动态性能。调速控制方法调速控制方法矢量控制矢量控制是一种高性能异步电动机控制方法，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，使交流电动机也具有直流电动机相类似的控制性能。矢量控制的基本出发点是：将异步电动机构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分解成相位互差90o的转矩电流和励磁电流分别进行控制，从而改善了异步电动机的动态控制性能。为了实现矢量控制的目的，需要将电动机的3相电流按坐标变换的方法变换成2相电流，在2相坐标系上确定电动机的转矩电流和励磁电流大小并分别进行控制，再将2相电流变换成3相电流设定值，然后采用电流闭环控制实际电流。直接转矩控制

与矢量控制系统一样，直接转矩控制也是分别控制异步电机的转速和磁链，而且采用再转速环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变化对转子系统的影响，因此转速与磁链子系统也是近似独立的。转矩和磁链都采用直接反馈的双位式Bang-Bang控制，从而比开了将定子电流分解成转矩和励磁分量，简化了控制器的结构，但缺点是带来了转矩脉动，因而限制了调速范围。选择定子磁链作为被控制的对象，而不像矢量控制那样选择转子磁链，这样可使其控制性能不受转子参数变化的影响，PWM逆变器采用磁链跟踪控制方式，性能较好。调速控制方法

矢量控制与直接转矩控制比较

1变频器基本原理2变频器基本结构与组成3变频器控制理论与基础4变频器分类5变频器功能与应用场合6变频器选用与使用注意事项变频器分类按主回路结构形式电流源型电压源型按控制方式分U/F控制转差频率控制VC矢量控制DTC直接转矩控制矩阵变换器变频器分类按输出电压调节方式分类PAM(脉冲幅值调制方式)PWM(脉冲宽度调制方式)按采用的功率器件分类BJT(双极晶体管)GTO(门极可关断晶闸管)IGBT(绝缘栅双极晶体管)IPM(智能功率模块

)变频器分类按电压等级分类低压变频器(1000V以下)中(高)压(3kV～10kV)按用途分类通用型变频器

工程型变频器(高性能、专用)特殊变频器(超高频，最高至3000Hz)一体化变频器(与电机结合

)1变频器基本原理2变频器基本结构与组成3变频器控制理论与基础4变频器分类5变频器功能与应用场合6变频器选用与使用注意事项1、两线控制功能定义通过逻辑输入的保持电平来控制运行（正向和/或反向）与停止。激活逻辑输入实现正转和反转，释放按照规定方式停止。详细描述示意图：有三种可选择的运行模式：逻辑输入的状态检测（LEL）逻辑输入的状态改变检测（trn）正向运行优先（PFO）2、三线控制功能定义通过逻辑输入的脉冲信号控制起动（正向和/或反向）与停止。详细描述示意图：如图所示，LI2的闭合脉冲触发正向运行，LI1的断开脉冲触发停止，Lix的闭合脉冲触发反向运行。3、相序调转功能定义定义正向和反向的相序。详细描述定义正向运行的输出相序为UVW或UWV则反向运行对应的输出相序为UWV或UVW相关性：这样改变电机的转向有三种方法：交换正向和反向分配的端子（二次接线）改变变频器输出电缆的硬接线相序（一次接线）改变参数设置（本方法）4、加速/减速斜坡时间功能定义设定加速时间与减速时间以满足工艺需要。详细描述定义为从0Hz到电机额定频率之间的时间示意图相关性：设定加速斜坡时间和减速斜坡时间应考虑到负载的惯性和阻力。加速时间受限于变频器的驱动能力（电流限幅或转矩限幅）。如果超过变频器的驱动能力，则加速时间可能会自动拉长。减速时间受限于负载转矩，负载的惯性和变频器的制动能力。如果制动能力不足，则减速时间可能会自动拉长。本斜坡作用于起动和停止过程，以及给定变化时。5、加速和减速斜坡类型功能定义定义加速或减速过程中斜坡后频率随时间的变化关系。详细描述示意图：有三种可选择的斜坡类型：线性斜坡，最常用S型斜坡，起动和停止过程相对平滑U型斜坡，加速末端和减速末端相对平缓定制斜坡，可以自由定义起动和停止的起始和末端的圆滑相关性：线性斜坡用于快速准确的停车非线性斜坡用于消除起停过程中的振动可定制斜坡用于在大惯量机械的快速瞬时运行期间显示速度的不跟随性。6、斜坡切换功能定义定义两个不同的加速斜坡和减速斜坡时间，并根据条件进行切换。详细描述示意图：切换的方式包括：一个逻辑输入：该逻辑输入为0时，采用第一段斜坡，否则采用第二段斜坡；一个频率门槛值：当输出频率低于该频率门槛值时，采用第一段斜坡，否则使用第二段斜坡；上述两种条件的结合。相关性：功能适用于：平稳起动与接近的物料输送具有快速恒稳定速度校正的机器电动电位器功能的速度给定值变化的速率与起停加减速斜坡的区分7、减速斜坡自适应功能定义相对于较大的转动惯量，如果减速斜坡设置太低，可以用来自动拉长减速斜坡时间以避免导致过制动故障。相关性：此功能适用于不需要准时停车以及不使用制动电阻的应用场合。如果使用制动电阻，必须将本功能设为无效。如果设置了制动顺序逻辑，此功能被自动禁止。8、预置速度功能定义通过逻辑输入切换（选择）预置的速度给定。详细描述示意图：可以选择2，4，8，或16个预置速度，分别利用1个，2个，3个，4个逻辑输入来激活。第一段速由Fr1或Fr1b提供，其它预置速度预先设定，设定范围为最低速度限制到最高速度限制。相关性此功能适合于物料输送以及具有多种固定运行速度的机械。预置速度切换后的输出频率沿加减速斜坡变化。预置速度也可以作为PID调节的手动运行速度。9、寸动运行功能定义即点动运行，使机器以某较低的速度短时运行。详细描述示意图：速度称为寸动频率，可设定到某受限的范围，逻辑输入激活。正向信号和反向信号用以寸动运行。寸动运行具有最短的斜坡时间。相关性：此功能用于在手动模式下有产品插入的机器，或在维护期间机械装置的手动逐步运动。10、ENA系统功能定义用于不平衡机械。使电机控制曲线适应负载的不均衡变化。详细描述示意图：在发电机象限将力矩限幅设定为0，对旋转的不平衡负载可以避免发电，从而可以避免使用制动电阻。有两个专用的速度环增益可以限制机械应力，以及优化节能.相关性：应用场合：油泵（抽油机）压机石材切割机振动器11、编码器功能定义在电机轴端安装增量型编码器可以精确地反映电机的转速，提供给变频器，以改善电机控制或监视及保护。详细描述在所有电机控制方式中用于管理超速和空转保护。对V/F控制和SVC控制，还可以用于提高稳态速度精度。对FVC控制，还可以用于提高转矩性能（例如提供极低速力矩）和动态速度精度。对转矩控制方式，还可以用于提高转矩输出精度。对同步电机控制方式，目前编码器输入仅仅用于监视和保护。相关性：编码器测试，检测编码器信号，编码器的输出相序是否匹配，脉冲是否有丢失，以及编码器与电机之间的机械连接。12、限制电机过压功能定义调节变频器的输出以限制电机端子上的过压。详细描述示意图：这种方式是通过软件的方式使变频器和电机使用在电缆线路较长，重绕电机或电机的绝缘等级较低的情况下。过压限制在直流母线电压的两倍以内。相关性：需要设置所用电机电缆的衰减时间，以防止由于电缆太长导致的电压波反射叠加。衰减时间根据电缆长度和电缆性质（屏蔽/非屏蔽等）进行查表。对于并联电机，电缆长度应考虑所有电机电缆长度之和。电缆长度超过表中长度时，必须使用相关滤波器。13、自整定功能定义由变频器自动测定电机的参数，以优化驱动性能。又称电机参数优化或自学习功能。详细描述有三种可选择的运行模式：参数启动逻辑端子激活每次上电激活相关性：在自整定之前必须预先准确地输入电机的参数，以初始化。自整定会引起对电机通电，但不转动电机，所以不需要脱开负载。自整定必须在电机停止运行时进行，但电机不能处于锁定状态。自整定时电机必须处于冷态，所获得的参数参与控制，会考虑电机热态的影响。对于V/F方式或同步电机控制方式，不需要进行自整定。14、噪声控制功能定义通过开关频率的调整和自我调节控制电机噪声。详细描述通过调整开关频率可以控制电机的噪声；一般来讲，开关频率越高，电机噪声越低。可以设定自动调整开关频率，以折中电机噪声和输出的效率。相关性：开关频率越高，变频器的射频干扰越大。为了抑制变频器的干扰，有时限制开关频率的设置。开关频率越高，电机的损耗越大，为了保护电机，需要降低输出电流。开关频率越高，电机电缆的漏电流越大。在高速传动中，为了保证输出正弦波形的电压，需要提高开关频率。15、电机励磁功能定义用于在起动时迅速获得最大转矩.要求在电机中已建立磁通量详细描述连续激磁模式:当变频器通电时,自动建立磁通非连续激磁模式:如果一个逻辑输入被分配为电机激磁指令,则激活该输入时电机开始激磁相关性：对于故障复位自动重起动和跟踪旋转负载，必须选择两线控制方式并且逻辑输入的状态检测有效（LEL）若设为装体改变检测(trn)，若分配的逻辑输入与电源接死，变频器上电，这时变频器不会起动，且显示nSt(自由停车)。必须重新激活，才能起动。16、制动器控制功能定义对于水平与垂直提升应用以及不平衡机器，用于通过变频器来控制电磁制动器。详细描述示意图：相关性：必须在电机冷态下进行电机的自整定制动器释放与闭合需选择适当的频率及电流值选择好制动器释放与闭合的延时。汽车工业动力链物料输送带运输线镗床,铣床等成型加工进料器压机输送带剪床装配零件定位提升输送带喷涂风机泵传送带专用机械磨床抛光机风洞食品饮料机械瓶装线输送带灌装机封盖机贴标机包装机泵装箱装袋处理输送带充填,塑包,贴标装箱切袋包装干燥冷冻空调风机输送带冷冻通道输送机螺旋泵奶制品泵输送带灌装机搅拌机化工石化离心泵风机定量泵,计量泵造粒机搅拌机容器处理制药搅拌机混料器包装机风机化肥定量输送带,定量泵研磨机搅拌机包装机离心泵混料机涂料定量泵研磨机搅拌机包装机离心泵混料机造纸造纸给料机研磨机离心泵干燥机卷曲/开卷滚筒涂布机输送机切纸机半成品开卷机胶水泵包装机输送机切纸机金属加工原材料输送带破碎机选料机给料机泵风机半成品拉丝机输送带成品压轧机剪板机后处理焊缝机1变频器基本原理2变频器基本结构与组成3变频器控制理论与基础4变频器分类5变频器功能与应用场合6变频器选用与使用注意事项择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据。电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变