變頻器的基本構(gòu)成及分類

一. 變頻器的基本構(gòu)成及其作用

電壓型變頻器

在電壓型變頻器中，整流電路產(chǎn)生逆變電路所需要的直流電壓，并通過直流中間電路的電容進行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起直流電壓源的作用，而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓。

在電壓型變頻器中，由于能量回饋給直流中間電路的電容，并使直流電壓上升，還需要有專用的放電電路，以防止換流器件因電壓過高而被破壞。

電壓型變頻器主電路的結(jié)構(gòu)因其使用的換流器件的不同而有多種形式。關(guān)于這些電路的結(jié)構(gòu)，可參考有關(guān)資料。

電流型變頻器

整流電路通過中間電路的電抗將電流平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用，而電流源輸出的直流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電流提供給電動機。在電流型變頻器中，電動機定子電壓的控制是通過檢測電壓后對電流進行控制的方式實現(xiàn)的。

對于電流型變頻器來說，在電動機進行制動的過程中可通過將直流中間電路的電壓反向的方式使整流電路變?yōu)槟孀冸娐?，并將負載的能量回饋給電源，而且在出現(xiàn)負載短路等情況時也更容易處理，電流型控制方式更適合于大容量變頻器。

PAM調(diào)制變頻器(參見)

PAM控制是脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation)的縮寫，是一種在整流電路部分對輸出電壓(電流)的幅值進行控制，而在逆變電路部分對輸出頻率進行控制的控制方式。因為在PAM控制的變頻器中，逆變電路換流器件的開關(guān)頻率即為變頻器的輸出頻率，所以這是一種同步調(diào)制方式。

由于逆變電路換流器件的開關(guān)頻率(簡稱載波頻率)較低，在使用PAM控制方式的變頻器進行調(diào)速驅(qū)動時具有電動機運轉(zhuǎn)噪音小，效率高等特點。但是，由于這種控制方式必須同時對整流電路和逆變電路進行控制，控制電路比較復(fù)雜。此外，這種控制方式也還具有當(dāng)電動機進行低速運轉(zhuǎn)時波動較大的缺點。

PWM調(diào)制變頻器

PWM控制是脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width ModuLation)的縮寫。交--直--交變頻器要求具有兩個基本特點：即輸出電壓的頻率和幅度可變。在PAM變頻器中，逆變器起變頻作用，整流器完成變壓。如在逆變器環(huán)節(jié)中，將每個半周的矩形分成許多小脈沖，通過調(diào)整脈沖寬度的大小，也可起到調(diào)壓的作用。這就是所謂的PWM方式。

為使異步電動機在進行調(diào)速運轉(zhuǎn)時能夠更加平滑，目前在變頻器中多采用SPWM法(正弦波PWM調(diào)制方式)。所謂SPWM法指的是通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近于正弦波。(參見)

采用PWM控制方式的變頻器具有可減少高次諧波帶來的各種不良影響，轉(zhuǎn)矩波動小，而且控制電路簡單，成本低等特點，是目前在變頻器中采用最多的一種逆變電路控制方式。但是，該方式也具有當(dāng)載波頻率不合適時會產(chǎn)生較大的電動機運轉(zhuǎn)噪音的缺點。為了克服這個缺點，在采用PWM控制方式的新型變頻器中都具有一個可改變變頻器載波頻率的功能，以便使用戶根據(jù)實際需要改變變頻器的載波頻率，從而達到降低電動機運轉(zhuǎn)噪音的目的。

V/f控制變頻器

V/f控制是一種比較簡單的控制方式。它的基本特點是對變頻器輸出的電壓和頻率同時進行控制，通過使電壓和頻率之比V/f的值保持一定而得到所需的轉(zhuǎn)矩特性。采用V/f控制方式的變頻器控制電路成本較低，多用于對精度要求不太高的通用變頻器。

轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器

轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對V/f控制的一種改進。在采用這種控制方式的變頻器中，電動機的實際速度由安裝在電動機軸上的速度傳感器和變頻器控制電路得到，而變頻器的輸出頻率則由電動機的實際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率的和被自動設(shè)定，從而達到在進行調(diào)速控制的同時控制電動機輸出轉(zhuǎn)矩的目的。

轉(zhuǎn)差頻率控制是利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制，井可以在一定程度上對輸出轉(zhuǎn)矩進行控制，所以和V/f控制方式相比，在負載發(fā)生較大變化時仍能達到較高的速度精度和具有較好的轉(zhuǎn)矩特性。但由于采用這種控制方式時需要在電動機上安裝速度傳感器，并需要根據(jù)電動機的特性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差，通常多用于廠家指定的專用電動機，通用性較差。

矢量控制變頻器

矢量控制是70年代西德B1aschke等人首先提出來的對交流電動機的一種新的控制思想和控制技術(shù)，也是交流電動機的一種理想的調(diào)速方法。矢量控制的基本思想是：將異步電動機的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)并分別加以控制。由于在這種控制方式中必須同時控制異步電動機定子電流的幅值和相位，即控制定子電流矢量，因此這種控制方式被稱為矢量控制方式。

矢量控制方式使對異步電動機進行高性能的控制成為可能。采用矢量控制方式的交流調(diào)速系統(tǒng)不僅在調(diào)速范圍上可與直流電動機相匹敵，而且可直接控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。故已經(jīng)在許多需要進行精密控制的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

由于在進行矢量控制時需要準確地掌握對象電動機的有關(guān)參數(shù)，這種控制方式過去主要用于廠家指定的變頻器專用電動機的控制。但隨著變頻調(diào)速理論和技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)代控制理論在變頻器中的成功應(yīng)用，目前在新型矢量控制變頻器中已經(jīng)增加了自調(diào)整(Auto-tuning)功能。帶有這種功能的變頻器在驅(qū)動異步電機正常運轉(zhuǎn)之前可自動地對電動機參數(shù)進行辨識并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而使得對普通的異步電動機進行有效的矢量控制成為可能。

通用變頻器

通用變頻器可用于對普通異步電動機進行調(diào)速控制。隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和市場需要的不斷擴大，通用變頻器正朝著兩個方向發(fā)展：低成本的簡易型通用變頻器和高性能多功能的通用變頻器。

簡易型通用變頻器以節(jié)能為主要目的，削減了一些系統(tǒng)功能。主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機等對于調(diào)速性能要求不高的場所，并具有體積小，價格低等方面的優(yōu)勢。

高性能多功能通用變頻器在設(shè)計時充分考慮了應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的準備。使用時，用戶可根據(jù)負載特性選擇算法并對變頻器的各種參數(shù)進行設(shè)定，也可根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇廠家所提供的各種選件來滿足系統(tǒng)的特殊需要。高性能多功能變頻器廣泛應(yīng)用于傳送帶、升降裝置以及各種機床、電動車輛等對調(diào)速系統(tǒng)的性能和功能有較高要求的許多場合。

過去，通用型變頻器基本上采用的是電路結(jié)構(gòu)比較簡單的V/f控制方式，其轉(zhuǎn)矩控制性能較差。但隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，目前一些廠家已經(jīng)推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用變頻器。這種高性能多功能通用變頻器在性能上已經(jīng)接近過去的高性能矢量控制變頻器，但在價格方面卻與過去采用V/f控制方式的通用變頻器基本持平。

高性能專用變頻器

隨著控制理論，交流調(diào)速理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機的矢量控制方式得到了充分地重視和發(fā)展，采用矢量控制方式的高性能變頻器和變頻器專用電動機所組成的調(diào)速系統(tǒng)在性能上已經(jīng)達到和超過了直流伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電機還具有環(huán)境適應(yīng)性強、維護簡單等許多直流伺服電機所不具備的優(yōu)點，在許多需要進行高速高精度控制的應(yīng)用中這種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。

與通用變頻器相比，高性能專用變頻器基本上都采用了矢量控制，而驅(qū)動對象通常是變頻器廠家指定的專用電機，并且主要應(yīng)用于對電動機的控制性能要求較高的系統(tǒng)。此外，高性能專用變頻器往往是為了滿足某些特定產(chǎn)業(yè)或區(qū)域的需要，使變頻器具有最好的性能價格比而設(shè)計生產(chǎn)的。例如，在機床主軸驅(qū)動專用的高性能變頻器中，為了便于和數(shù)控裝置配合完成各種工作，變頻器的主電路、回饋制動電路和各種接口電路等被做成一體，從而達到了縮小體積和降低成本的要求。

此外，在超精密加工和高性能機械領(lǐng)域常常要用到高速電動機。為了滿足這些高速電動機驅(qū)動的需要，出現(xiàn)了采用PAM控制方式的高速電動機驅(qū)動用變頻器。這類變頻器的輸出頻率可達到3kHz，所以在驅(qū)動兩極異步電動機時電動機的最高轉(zhuǎn)速可達到180000r/min。

圖6-31所示為目前市場主流的交--直--交變頻器的基本結(jié)構(gòu)。

二. 變頻器的分類

根據(jù)主電路工作方式的不同，變頻器可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。

根據(jù)變頻器中逆變電路的開關(guān)方式的不同，變頻器可分為PAM調(diào)制變頻器和PWM調(diào)制變頻器。

根據(jù)控制原理的不同，變頻器可分為V/f控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制方式。

根據(jù)用途，變頻器可分為通用變頻器和高性能專用變頻器。