变频调速技术培训教材

变频调速技术

编写王孝俭

水利与建筑工程学院

2007年7月

目录

绪论..............................................................2

第一讲变频调速技术及其产生背景...................................3

1.1变频调速技术的概念.................................................................3

1.2几种交流调速方式的比较.............................................................3

1.3变频调速技术的三大优点.............................................................5

1.4变频调速技术是时代的产物...........................................................6

1.5变频调速技术的主要发展方向及关键技术..............................................10

第二讲变频器的简单原理及分类....................................11

2.1变频器发展概况....................................................................11

2.2变频器的简单原理...................................................................13

2.3变频器的分类.......................................................................15

2.4变频调速器的优良性能..............................................................20

附图：变频器内部结构....................................................................21

第三讲变频器的主要性能指标及选型................................22

3.1变频器得主要性能标...............................................................23

3.2变频器的选型及配置要点............................................................23

3.3传动系统对电机的要求及影响........................................................27

3.4变频器周边器件的选择..............................................................28

3.5功率电缆的线径和配线距离..........................................................31

第四讲变频器功能解析............................................33

4.1频率的给定与相关功能..............................................................33

4.2变频器的加减速功能................................................................42

4.3变频器的外接端子及其控制功能.....................................................49

4.4变频器的系统控制功能..............................................................57

4.5变频器的保护和显示功能............................................................66

第五讲变频调速技术的应用........................................75

5.1应用变频调速技术的目的和效益......................................................75

5.2应用通用变频器的技术优势..........................................................83

5.3变频调速技术在恒压供水系统的应用..................................................85

5.4变频调速技术在节水灌溉供水系统的应用............................................88

5.5通用变频器在电梯中的应用.........................................................89

5.6变频调速技术的在我国应用的典型成果..............................................94

绪论

多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频调速技术的开发及推广应用，在技术开发、技

术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、

水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展统贷统还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用。

1995—1997年3年间我国风机水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元，改造总容量达100万kW,可年

节电7亿kWh,平均投资回收期约2年。

1998年1月1日实施的《中华人民共和国节约能源法》第39条，已将变频调速列入通用节能技术加

以推广。在国家经贸委《“九五”资源节能综合利用工作纲要》中，变频调速已被列入重点组织实施的10

项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。由国家经贸委和国家计划委员会在2001年制订了《节约用

电管理办法》，着重推荐了变频调速技术。

变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国，能源利用率

很低，且能源储备不足。在2003年的中国电力消耗中，60〜70%为动力电，其中，交流电动机占90%左

右。我国电动机的总装机容量已达5.8亿千瓦，约占工业耗电量的80%。而在5.8亿千瓦总容量中，只有

不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的，据分析，在中国带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8

亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。

有关统计数据表明，截止到2006年底，我国发电装机容量达到了62200万千瓦，同比增长20.3%。其

中水电达到12875万千瓦，约占总容量的20.67%,同比增长9.5%；火电达到48405万千瓦，约占总容量

的77.82%,同比增长23.7%。我国核电总装机容量为684万千瓦，占全国总装机容量的比例还不足2%。

当前，在全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张制约了国民经

济的增长，而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。

能源工业作为国民经济的基础，对国民经济的发展和人民生活水平的提高极为重要。在高速增长的经

济环境下，中国能源工业面临着经济增长与环境保护的双重压力。有文献表明，受资金、技术、能源价格

的影响，中国能源利用效率比发达国家低得多。对能源的有效利用在我国已非常迫切。作为能源消耗大户

之一的电机在节能方面大有潜力可挖。

虽然我国人均能源资源占有量远比世界平均值低，但我国是世界上单位GDP能耗最高的国家之一。

2004年，我国单位GDP能耗是美国的4倍、德国的7倍、日本的11倍，我国的经济总量在世界上排名是

第七，而电力消耗却位居第二，却仅次于美国。能耗过大已经成为我国经济社会发展中面临的一个突出问

题。，因此，在国家“十五”规划中，电机系统在节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在

我国将有非常巨大的市场需求。

党的十六届五中全会提出“2010年人均国内生产总值比2000年翻一番。单位国内生产总值能源消耗

比“十五”期末降低20%左右”的目标，这一目标是十一五规划的约束性指标，具有法律效力。这是建设

资源节约型、环境友好型的和谐社会的重大举措，也是实现党的十六大提出全面建设小康社会的根本保证。

2006年我国万元GDP能源消耗仅同比下降了1.23%o要实现"十一五''规划的目标节能指标，任务还十分

艰巨。

市场调查显示，电力行业2003年的变频器市场规模就达到2.5亿元。2003年变频器在纺织与化纤行

'业的市场规模超过了10亿元。此外，在食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等行业，国内企业也需要

扩大生产规模，提高生产技术，因此变频调速技术广阔的应用前景和巨大的发展潜力。

第一讲变频调速技术及产生背景

近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场

历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流

变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变

频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点

而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调

速技术的工作。

近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。

上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频

率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。

1.1变频调速技术的概念

变频调速技术是一种以改变电机供电电源频率和电压来达到电机调速目的的技术。

电气传动控制系统通常山电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动

机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高

产、低耗的目的。

电气传动分成不调速和调速两大类，调速分为电气调速和机械调速，电气调速又分为交流调速和直流

调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越

多地改用调速传动以节约电能（节约15%〜20%或更多），改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电

量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。

目前，无论哪种电气调速，都是通过电机来实现的。从大范围来分，电机有直流电机和交流电机。过

去的调速，多数用直流电机，直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主

要是机械式换向器带来的弊端。其缺点是：①维修工作量大，事故率高；②容量、电压、电流和转速的上

限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；③使用环境受限，特别

是在易燃易爆场合难于应用。而交流电动机有一些固有的优点：①容量、电压、电流和转速的上限，不像

直流电动机那样受限制；②结构简单、造价低：③坚固耐用，事故率低，容易维护。它的最大缺点是调速

困难，简单调速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）

性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，由于变频调速技术的应用，交流调速

系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。

1.2几种交流调速方式的比较

交流电动机大多数调速方案的基本原理很早以前就已经确立了。在变频调速技术出现以前，人们为了

实现笼式交流电机调速，也做过长期不懈的努力，因而就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串

电阻调速、串级调速、液力偶合调速等交流调速方式。但这些交流调速方式都只能在针对某用途，在一

定的条件下使用于特定场合。

从节能的角度，交流电动机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装置两大类。高效调速装置

的特点是：调速时基本保持额定转差，不增加转差损耗，或可以将转差功率率回馈至电网。低效调速装置

的特点是：调速时改变转差，增加转差损耗。

1、具体的交流调速装置的分类如下：

(1)高效调速包括：

①变极对数调速——鼠笼式电机

②变频调速——鼠笼式电机

③审级调速——绕线式电机

④无换向器电机调速——同步电机

(2)低效调速包括：

①定子调压调速——鼠笼式电机

②电磁滑差离合器调速——鼠笼式心机

③转子串电阻调速——绕线式心机

2、各种调速装置的特点

(1)变极对数调速

优点：①无附加差基损耗，效率高；

②控制电路简单，易维修，价格低；

③与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。

缺点：①有级调速，不能实现无级平滑的调速。且由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能

实现2-3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。

(2)变频调速

优点：①无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；，

②对于低负载运行时间较长、起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。

缺点：①技术较复杂，价格较高。

(3)无换向器电机调速

优点：①具有交流同步电动机结构简单和直流电动机良好的调速性能：

②低速时用电源电压、高速时用电机反电势自然换流，运行可靠；

③无附加转差损耗，效率高，适用于高速大容量同步电动机的启动和调速

缺点：①过载能力较低，原有电机的容量不能充分发挥。

(4)串级调速

优点：①可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用效率高；

②装置容量一与调速范围成正比，适用于70%〜95%的调速。

缺点：①功率因数较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载

(5)定子调压调速

优点：①线路简单，装置体积小，价格便宜；

②使用维修方便。

缺点：①调速过程中增加转差功率，且此功率全部用于转子发热，效率较低；

②调速范围比较小：

③要求采用高转差电机，比如特殊设计的力矩电机，所以特性较软，一般适用于55kW以下

的异步电动机。

(6)电磁转差离合器调速

优点：①结构简单，控制装置容量小，价值便宜。

②运行可靠，维修容易。

③无谐波干扰。

缺点：①速度损失大，因为，电磁转差离合器本身转差较大，所以输出轴的最高转速仅为电机同步

转速的80%〜90%：

②调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低.

(7)转子串电阻调速

优点：①技术要求较低，易于掌握；

②设备费用低；

③无电磁谐波干扰。

缺点：①串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无级调速，则维护保养要求较高；

②调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗，效率低。

③调速范围不大。

综上所述，交流电动机最理想的调速方法应该是改变电动机供电电源的频率，这就是变频调速。随着

力电子技术的飞速发展变频调速的性能指标完全可以达到甚至超过直流电动机调速系统。

1.3变频调速技术的三大优点

1.具有显著的节电效果。

由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%〜60%,这是因为风机

水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能

效果也是十分可观的。而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。由于这类负载很多，约

占交流电动机总容量的20%〜30%,它们的节能就具有非常重要的意义。

对于一些在低速运行的恒转矩负我，如传送带等，变频调速也可节能。除此之外，原有调速方式耗能

较大者(如绕线转子电动机等)，原有调速方式比较庞杂，效率较低者(如龙门刨床等)，采用了变频调速

后，节能效果也很明显。

3.具有卓越的调速性能。

高速响应、低噪声、大范围、高精度平滑无级调速。变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要

改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。变频

调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。力FI、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，起

动电流较小，可以进行较高频率的起停。

变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可

回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需

要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。

3.在国民经济各领域的广泛适用性。

变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等

各种机械设备控制领域。它可以提高奇特的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控

制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。

山于变频调速技术的三大优点，使变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量

提供了至关重要的手段。

既然变频调速技术有以上优点，那么怎样实现变频调速呢？实现变频调速的装置一变频调速器(简

称变频器。

变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其

中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行

平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速

的目的。

1.4变频调速技术是时代的产物

到20世纪80年代，由于电力电子技术，微电子技术和信息技术的发展，才出现了对交流机来说最好

的变频调速技术，它力;现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成

为电气传动的中枢。因而说变频调速是时代的产物，只有在技术高度发展的今天才能实现。

1.是电力电子技术发展的结果

主电路功率元件技术的进展指开关元件的自关断化、模块化、集成化和智能化，开关频率不断提高，

开关损耗将进一步降低。电力电子技术是现代电子学的重要分支，是一门研究如何利用电力电子器件对电

能进行控制、变换和传输的学科。电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键。

主电路功率元件是变频调速技术发展最重要的物质基础，主电路功率元件技术的迅猛发展，促使变频

调速技术水平有了突破性的提高.没有功率元件技术的发展，就没有今天的高水平变频调速技术。主电路

功率元件，相当于信号电路中的A/D采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可

靠性决定了系统的可靠性。目前，根据可控程度，主电路功率元件分成四代产品：

(1)第一代主电路功率元件一半控型器件

上世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管问世，它标志着电力电子技术的开端。此后，晶

闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了上世纪70年代，已派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、

不对称晶闸管等半控型器件，且功率越来越大，性能日益完善。但因晶闸管本身工作频率较低，一般低于

400HZ,大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大，效

率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。

(2)第二代主电路功率元件一全控型器件

随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、

高频、全控型器件。由于全控型器件能控制开通和关断，大大捉高了开关控制的灵活性。自上世纪70年

代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。

(3)第三代主电路功率元件一复合场控器件

上世纪80年代末和90年代初发展起来的功率半导体复合器件，以功率MOSFET和IGBT为代表，集

高频、高压和大电流等特性于一身，它表明了传统电力电子技术已进入现代电力电子时代。这些器件主要

有电力场控晶体管，即功率金属一氧化物一半导体场效应晶体管(MOS-FET)、绝缘栅极双极晶体管，(IGT

或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。

晶闸管作为最早的电力电子元件自上世纪60年代问世以来，至今其功率容量已提高了近300000%,

许多国家正能稳定生产中100mm,8000V/4000A的晶闸管。尽管有自关断能力的电子电子器件的发展使晶

闸管的应用领域有所减小，但因它的高电压、大电流特性，在大功率直流驱动和大功率高电压的变频调速

驱动应用中仍占有不可动摇的地位。自第二代GTR,MOSFET至第三代IGBT为代表的电力半导体器件的

发展中，除了自关断能力外，一个显著的特点是元件的开关频率不断提高，元件的通态压降不断降低，使

电机控制性能有了很大的提高。例如，采用GTR做成的通用型变频器，其GTR的开关频率约为2kHz,

变频器输出的最低工作频率约为3Hz,最高频率约为120Hzo而采用IGBT做成的通用型变频器，IGBT的

开关频率约达20kHz,变频器的最低输出频率可达0.5Hz,最高工作频率可达400—500Hz。用它控制电

机运行，则噪声更小，电机运行更平稳。

这些高性能的开关元件问世是现代最新的矢量变换捽制用于中小功率、高性能变频调速系统的保证。

(4)第四代主电路功率元件一功率集成电路(PIC)

进入21世纪后，可以预期还会出现新的更高性能的主电路功率元件，已有的各代电力电子元件还会

不断得以改进和提高。此外，一个新的发展动向值得注意，那就是大功率元件向集成化、智能化方向的发

展；智能功率模块(IPM)是向第四代器件功率集成电路(PIC)发展的过渡产品。它是微电子技术与电力电子

技术相结合的产物。它不仅具备提供一定的功率输出能力，且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊

断等功能，而且内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机的再生

制动。外界只需提供PWM信号给智能功率模块，就能实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。

主电路功率元件正进入以新型器件为主的新时代，作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器

件的研发及关键技术突破，必然会促进电力电子技术的迅速发展，进而促进变频调速技术的迅速发展。

如上所述，电力电子器件(即通常所说的电力半导体器件)，种类繁多，发展迅速，技术内涵相当丰

富。在电气传动中，它主要用于开关工作状态。总体上,可以从三个角度出发对其进行分类。如图1-2所

示的电力电子器件“树下面的分类是针对三端器件而

言的。

根据器件的开关特性可以分成为两大类型：半控型

器件和全控型器件。通过门极信号只能控制其导通而不

能控制其关断的器件称为半控型器件；通过门极信号既

能控制其导通又能控制其关断的器件，称为全控型器件。

普通晶闸管(SCR)及其派生器件，如逆导晶闸管(RCT)、

不对称晶闸管(ASCR)、和双向晶闸管(TRIAC)为半控型

器件。其余三端器件均为全控型器件。图1-1所示的电力电子器件“树”

根据半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，众多的电力电子器件可以分成单极型、

双极型和混合型三种类型。凡由一种载流子参与导电的称为单极型器件，图中功率MOSFET、静电感应晶

体管(SIT)属单极型器件；凡由电子和空穴两种载流子参与导电的称为双极型器件，图中PN结整流管、普

通晶闸管及其派生器件、双极晶体管(BJT)等属于双极型器件，值得强调的是静电感应晶闸管(SITH)也是双

极型器件（与SIT不同）；由单极型和双极型两种器件组成的复合器件称为混合型器件，图中绝缘栅双极型

晶体管（1GBT）和MOS门极晶闸管（MCT）属于混合型器件。

除上述两种分类方法外，根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，电力电子器件还被分

成电流控制型和电压控制型两种类型。电流控制型器件一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实

现对导通或关断的控制；而电压控制器件是指利用场控原理控制的电力电子器件，其导通或关断是由控制

极上的电压信号控制的，控制极电流极小。

图1—2所示的“树”中，单极性器件MOSFET和SIT都是电压控制型的。双极型器件基本上是电流控

制型的（仅SITH属电压控制型）。

单极型器件只有一种载流子（多数载流子）参与导电，是电压控制型器件，具有控制功率小、驱动电路

相对简单、工作频率高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点，其缺点是通态压降大、导通损耗大。

双极型器件中两种载流子都参与导电，具有通态压降小、导通损耗小的显著特点，多数属于电流控制

型，其缺点是控制功率大、驱动电路较复杂、工作频率较低、有二次击穿问题等。

混合型器件又称复合型器件，是人们在比较单极型和双极型的优缺点之后，基于两者互为短长的事实

取两者所长而制成的一类新型器件。利用双极型器件作为它的输出级，而利用单极性器件作为它的输入级,

所得到的复合器件发扬了两者的优点，摒弃了两者的缺点，成为一代新型的场控复合器件。其典型代表就

是IGBT和MCTo

目前，通用变频器中所用主开关器件基本上是BJT和IGBT。由于1GBT性能优于BJT,而其电压、

电流指标也己超过了BJT,为此IGBT正在取代BJT成为一种应用前景十分广阔的场控电力电子器件。使

用IGBT的通用变频器的单机容量已达1500kw。近年采，又推出了IGBT的新系列，即智能功率模块

（IntelligentPowerModule——IPM）。很多变频器厂商开始推出小容量的采用IPM的通用变频器。

2.是微电子技术发展的结果

微处理器技术的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。变频调速控制系统是快速系统，需要存

储多种数据，并快速实时处理大量信息。最初的变频调速控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电

子技术的进步，一些集成电路甚至专用集成电路被大量引用。这些电路大多为模拟数字混合电路，它大大

提高了变频调速的可靠性和抗干扰能力，缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用。

微处理器技术的进步，使硬件简化；柔性的控制算法，使控制具有很大的灵活性，可实现复杂的控制

规律，使现代控制理论在运动控制系统中的应用成为现实；易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障

诊断，加强保护和临视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。

变频器可以通过模拟量（0〜5V、0〜10V、4-20mA）接口、RS485、CAN—BUS等各种通讯接

口和仪表、计算机、可编程序控制器、DCS相接，通过总线Profibus、Interbus通讯。具有远程控制的功

能，容易对系统实现自动控制。

从上世纪70年代早期开始，微处理器性能的提升就基本上遵循着IT界著名的摩尔定律。这意味着在

过去的30多年里每18个月，CPU的计算能力就会翻番。大到巨型机，小到个人便携电脑，持续高速发展

的微处理器取代了诸多其他计算形式而成为各个类别、各个领域所有计算机系统的计算动力之源。

前10年，市场上较通用的变频器大多采用单片机来控制，应用较多的是8096系列产品。但单片机的

处理能力有限，对采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往

往不能满足要求。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越

来越好，而价格却大幅度降低，目前低端产品已接近单片机的价格水平，而其比单片机具有更高的性能价

格比。从而使DSP器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户所接受。越来越多的单片机用户开始选用

DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机也已成熟。

与单片机相比DSP器件具有较高的集成度。DSP具有快的CPU,更大容量的存储器，内置有波特率

发生器和FIFO缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路,

可提供PWM输出。更为不同的是，DSP器件为精简指令系统计算机(RISC)器件，大多数指令都能在一个

指令周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。DSP具有独立的程序和数

据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，使DSP器件具有高速的数据运算能力。而单

片机为复杂指令系统计算机(CISC),多数指令要2〜3个指令周期来完成，速度比较慢。DSP器件运算功

能强，而单片机的事务处理能力强。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换

和滤波器的运算速度。

近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP(数字信号处理器)为基础的内核，配以电机控制所需的外围

功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便

捷，可靠性提高。DSP和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强1000%〜1500%,以确保变频调速系

统有更优越的控制性能。

3.是控制理论发展的结果

变频调速控制理论技术的进展主要体现在由标量控制向高功态性能的矢量控制与直接转矩控制发展

和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。

在变频调速系统出现的初期，其控制技术是采用电压频率协调控制(即V/f为常数)。此种控制技术有

开环和闭环两种形式。采用开环时用于般生产机械，但静态和动态性能都不太理想，采用闭环则可改善

系统性能。

后来，一些研究者提出了转差频率控制方法。采用这种控制技术使得变频调速系统在一定的程度上改

善了静态和动态性能，使之接近于直流双闭环调速系统，但是，还是不能满足高性能调速系统的要求。

改善调速系统动态性能的关键在于如何实现转矩控制。上世纪70年代异步电机矢量变换控制方法提

出，至今已获得了迅猛的发展。

这种理论的核心是将一台交流电机等效为直流电机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的动

态性能，这种理论的主要思想是将异步电机模拟成直流电机，通过坐标变换的方法，分别控制电机的励磁

电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电机一样的良好的动态调速特性。因为这种方法采用了坐标变

换，需进行快速、复杂的数学运算，所以对控制器的运算速度、处理能力等要求较高，微型计算机技术的

发展为矢量变换控制的实现提供了良好的外部条件。近年来，经过各国科技工作者的努力，矢量变换控制

的变频调速方法已广泛用于电气传动系统中。

近10多年来，各国学者和研究部门致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流

等，容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，提高控制系统的可靠性，降低成本，目前已研

究出无度传感器矢量控制系统的实用产品。

近几年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基

于专家系统的控制。比较成熟的是模糊控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性因素

的影响等优点。模糊控制已在交流调速系统中取得了满意的效果。

它的典型应用有基于模糊逻辑的异步电机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等。智能

控制正在显示出其实现变频调速的智能化自适应控制的巨大希望所在，有研究结果表明，有效利用智能控

制技术，可使变频调速系统做到高效、自适应、自诊断、自保护、动态性能优良。变频调速技术每次大

的发展都有理论方面的突破。

今后相当一段时间内还会是将现有的各种理论加以结合，互相取长补短，或都将其它学科的理论、方

法引入电机控制，走交叉学科的道路。

1.5变频调速技术的主要发展方向及关键技术

1.主要发展方向

（1）实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控

制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几

何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基

于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

（2）开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1,网侧和负载侧有尽可

能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM

控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变

换。

（3）缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率

模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电

容器。功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。

（4）高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算

法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。

（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变

频器的设计和测试提供了强有力的支持。

2.主要的研究内容及关键技术

（1）高压、大电流技术：动态、静态均压技术（6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联，静动态均压

系数大于0.9）；均流技术（大功率晶闸管并联的均流技术，均流系数大于0.85）；浪涌吸收技术（10kV、

6kV回路中）；光控及电磁触发技术（电/光，光/电变换技术）；导热与散热技术（主要解决导热及散热

性好、电流出力大的技术，如热管散热技术）；高压、大电流系统保护技术（抗大电流电磁力结构、绝缘

设计）；等效负载模拟技术。

（2）新型电力电子器件的应用技术：可关断驱动技术；双PWM逆变技术；循环变流/电流型交-直

-交变流技术（12脉波变频技术）；同步机交流励磁变速运行技术；软开关PWM变流技术。

（3）全数字自动化控制技术：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术；对象自辨识技

术。

（4）现代控制技术：多变量解耦控制技术；矢量控制和直接力矩控制技术；自适应技术。

第二讲变频器的简单原理及分类

2.1变频器发展概况

经过大约30年的发展，目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。在电气调速传动领

域内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。可以相信，在不久的将来交流调速电气传

动将会完全取代直流调速电气传动。

目前，从数百瓦级的家用电器直到数千千瓦级乃至数万千瓦级的调速传动装置，可以说无所不包的都

可以用交流调速传动方式来实现。交流调速传动己经从最初的只能用于风机'泵类的调速过渡到针对各类

高精度、快响应的高性能指标的调速控制。从性能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置。

目前人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变

频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合

有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。

2.1.1交流调速装置的大容量化

对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在

设计和制造上都已十分困难。某些大容量高速传动，过去只能采用增速齿轮或是直接以汽轮机传动，噪声

大，效率低，占地面积大。特大容量交流传动装置一高压变频器的发展，填补了这方面的空白。

80年代初采用BJT的PWM变频器实现了通用化。到了90年代初BJT通用变频器的容量达到600kVA,

400kVA以下的已经系列化。前几年主开关器件开始采用IGBT,仅三四年的时间，IGBT变频器的单机容

量已达1800kVA(适配1500kW电动机)，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量将随之扩大。

2.1.2开关器件的自关断化

近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速。其中门极关断(GTO)晶闸管、大功率晶体管

(BJT)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的发展最快，实用化的程度也最高。采用自关断器件省去了线路复杂、

体积较大的强迫换相电路，既可以减小装置体积，又降低了开关损耗提高了效率。同时，由于开关频率的

提高，变流器可采用PWM控制，既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功率因数。

优点是很多的。

据统计，目前变频器中的开关器件，在容量为1500kW以下的采用IGBT；1000~7500kW的采用GTO；

1975年前后还是普通晶闸管的一统天下，如今已经发生了巨大的变化。随着自关断器件性能的改善和新型

器件的开发，变频器主开关器件自关断化的进程必将进一步向前推进。

2.1.3变频装置的多功能化和高性能化

早期的变频调速系统，基本上是采用U//控制方式，无法得到快速的转矩响应，低速特性也不好(负

载能力差)。1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。一改过去传统方式中对交流电量的量值(电

压、电流、频率的量值)进行控制的方法，实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标

变换的办法，实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制，可以使交流电动机像直流电动机一样具有

良好的调速性能。

多年来，人们围绕着矢量控制技术做了大量的工作，如今矢量控制这•新的交流电动机调速原理得到

了广泛的实际应用，并相应地形成了许多系列化的实际装置。其性能指标已经完全可以做到与直流调速系

统一样，甚至有所超过，完全可以取代直流调速系统。

电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，

以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融人软件功能。日益丰富的软件功能使通

用变频器的适应性不断增强，仅举几例说明如下：转矩提升功能使低速下的转矩过载能力提高到150%,

使起动和低速运行性能得到很大的提高；转差补偿功能使异步电动机的机械特性，”=〃(T)的硬度甚至大

于工频电网供电时的硬度，额定转矩下的转速降比无补偿时减小1/3〜2/3,提高了稳态下的转速稳定度

(应该指出，这是用简单的开环，控制达到的指标，并不需要闭环控制)；瞬时停电、短时过载情况下的平

稳恢复功能防止了不必要的跳闸，保证了运行的连续性，这对某些不允许停车的生产工艺十分有意义；控

制指令和控制参数的设定，可山触摸式面板实现，不但灵活方便，而且实现了模拟控制方式所无法实现的

功能，比如多步转速设定、S形加减速和自动加减速控制等；故障显示和记忆功能，使故障的分析和设备

的维修变得既准确又快速；灵活的通信功能，方便了与可编程序控制器或上位计算机的接口，很容易实现

闭环控制等等。这里不再一一列举。可以这样说，通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了•种可

能，即可以把原有生产机械的工艺水于“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控

制功能的新机种。

在一些轧钢厂中，大型初轧机这类快速可逆系统，90年代初采用了交一交变频矢量控制系统，到目

前又开始采用交一直一交电压型变频器的矢量控制系统。实践证明，它完全可以满足生产工艺的要求，达

到了已往直流调速系统的性能指标。

2.1.4PWM技术的应用

自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路。目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。PWM

技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还

简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。

PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制。PWM整流器现己开发成功，利用它可以实

现输入电流正弦和电网功率因数为k人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”变流器。

PWM波形的生成方法有多种多样，有载波调制法、微机查表法(包括著名的谐波消去法及由此进化而

来的优化法等)、实时计算法和自激振荡法等。这些方法已趋成熟，在实际中均有应用。

2.1.5全数字控制技术的应用

各类电气传动装置的控制器由模拟控制转向全数字控制，已经成为事实。交流调速传动也不例外，采

用全数字控制方式的各类交流调速传动控制系统不断涌现，其性能也得到了很大的改善。

由变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时要求的采样频率较高，通常高于1kHz,

常需要完成复杂的操作控制、数学运算和逻辑判断，所以要求单片机具有较大的存储容量和较强的实时处

理能力。前段时间内，较为流行的方案是采用数片单片机来构成一个功能较强的全数字控制器。实用中单

片机的数量常根据具体任务适当选配。

全数字控制方式，使信息处理能力大幅度地增强。采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已

成为现实，使可靠性、可操作性、可维修性，即所谓的RAS(Reliability,Availability,Serviceability)功能得

以充实。微处理机和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起到了决定性的作用。

全数字控制具有如下特点：

1.精度高数字计算机的精度与字长有关，变频器中使用16位乃至32位微型机作为控制机，精度

在不断提高。

2.稳定性好由于控制信息为数字量，不会随时间发生漂移。与模拟控制不同，它一般不会随温度

和环境条件发生变化。

3.可靠性高微型计算机采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，相应的故障率大

大降低。

4.灵活性好系统中硬件向标准化、集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，山软件去完

成复杂的控制功能。适当地修改软件，就可以改变系统的功能或提高其性能。

5.存储能力强存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的。利用这一特点可

在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度。

6.逻辑运算能力强容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可使用性、

可维修性大大提高。

2.1.6变频调速装置应用领域不断扩大

通用变频器经历了模拟控制、数模混合控制直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能

化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载

的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬

送机械，从反抗性负载的搬运车辆，带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车场等

都已采用了通用变频器；金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺

服机的精确位置控制都已应用通用变频器；在其他方面，如农用机械、食品机械、木工机械，印刷机械、

各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池……，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。

2.1.7变频调速装置的结构小型化

变频器主电路中功率电路的模块化、控制电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字控制技术、结构设计

上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。以富士公司的变频器为例，经一次

改型.(由G5s到G7S)其装置体积缩小了一半.另外，最新开发的一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜

混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成厂一种“智能电力模

块”(IntelligentModule,IPM)这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测

(传感)电路与功率开关间的距离可以尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号的响应也卜分迅速。由

于上述优点，这种器件不久将来必将进人中功率以下的变频装置，并将进一步小型化和智能化。

2.2变频器的简单原理

在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率

高。采用通用变频器对笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、一可靠性高并且经济、效益显著，

所以逐步得到推广。

2.2.1变频调速的基本控制方式

异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为

一

,n

式中—同步转速(r/min)；P

，一定子频率(Hz)；

%—磁极对数。

而异步电动机的轴转速为

n=nx(1-s')='(1-s)(1)

n

P

式中S—异步电动机的转差率，S=("|一〃)/"1。

山式(1)可知，电机转速n与电源频率力成正比，只要改变电源频率/即可改变电动机的转速，当频率

力在0〜50Hz的范围内变化时，电动机转速可在0〜3()00r/min变化，调节范围非常宽。变频调速就是通过

改变电动机电源频率实现速度调节的。当频率的变化幅度很小时，宏观上认为电机转速的变化是连续的，

是无级差的。

对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，

同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过

大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。异步电动机的气隙磁通(主

磁通)是定、转子合成磁动势产生的，下面说明怎样才能使气隙磁通保持恒定。

由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为

4=4.44/户Q”

式中£一定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值(V)；

工一定子频率(Hz)；

N一定子相绕组有效匝数；

①〃,一每极磁通量(Wb)。

由上式可见，①”的值是由耳和/共同决定的，对耳和才进行适当的控制，就可以使气隙磁通中,“

保持额定值不变。

2.2.2变频器的基本构成

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。变频器的全称

为变频调速器。

变频器按变换的环节分为交一交和交一直一交两种形式。交一交变频器可将工频交流直接变换成频率

可控制的交流，又称直接式变频器。而交一直一交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然

后再把直流电变换成频率可控制的交流电，它又称为间接式变频器。

交-交变频器：把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源.其主要优点是没有中间环

节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，故他主要用于容量较大的

低速拖动系统中。

交-直-交变频器：先把频率固定的交流电经过整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相

交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较容易控制，因此在频率的调节范围，以及改善变频后电动机

的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这一种。

我们的目的是学习通用变频器，所以以下主要讲述交一直一交变频器（以下简称为变频器）。

变频器的基本构成如图2—1所示，由主电路（包括

网侦变通3SI中间直流环节m负载变流器n

整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，分述

如下:M潦器

1、整流器电网侧的变流器重是整流器，它的作用AC»

拌

制

制

指

是把三相（也可以是单相）交流电整流成直流电。拉

令

令

2、逆变器负载侧的变流器II为逆变器。最常见的控M电珞

结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式

逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断,

可以得到任意频率的三相交流电输出。图2—1变频器的基本构成

3、中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机,属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制

动状态，其功率因数总不会为L因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功

能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环

节。

4、控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。

其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采

用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬

件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完

成的功能。

2.3变频器的分类

这里主要就交一直一交变频器（即间接式变频器）按不同角度进行如F分类。

2.3.1按直流电源性质分类：

当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源间将有无功功率的交换。用于缓冲无功功

率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电压型变频元器与电流型变频器两

大类。

1.电流型变频器

电流型变频器特