变频器基础知识介绍

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基础知识

2022年06月20日发布

导读：　变频器作为工业电控领域常用电气设备，被大家广为熟悉。但是，一些非变频器行业内人士，针对变频器的基础知识也未必了解甚深，今天我们将一些变频器分类、工作原理、控制方式、功能作用等整理出来，与大家一同分享。

        “学而时习之，不亦说乎？”愿大家在学习这篇变频器基础知识中能获得收益和感悟！

       变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

       变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部 IGBT 的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

中矿传动ACD系列大功率变频器

       变频器的工作原理是将工作频率交流电源通过内置设备转换为频率可调节性的电源设备，根据交流电机所涉及到的同步转速公式：N=60f/p，其中 N 为电机同步转速，f 为电源频率，P 为电机极对数。因此，只需要改变频率便可控制电机的转速。

       变频器的原理主要根据此公式进行研发的电源变换设备，虽然变频器的种类很多，但所有的工作原理基本相同，只有特别专用型的变频器会根据设备的性质，研发具有制定特性的变频器。如在常规变频器设备基础上，增加特定功能以满足电机运行需求。变频器靠内部 IGBT 的通断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压和频率，进而达到节能、调速的目的。

        低压通用变频输出电压为 380-650V，输出功率为 0.75-400kW，工作频率为0-400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

第一代：1U/f=C 的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式：

      其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

      另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

第二代：电压空间矢量（SVPWM）控制方式：

      它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

第三代：矢量控制（VC）方式：

       矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia、Ib、Ic、通过三相——二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1（Im1 相当于直流电动机的励磁电流；It1 相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

第四代：直接转矩控制（DTC）方式：

       1985 年，德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

矩阵式交—交控制方式：

       VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：

1、控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；

2、自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；

3、算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；

4、实现 Band-Band 控制按磁链和转矩的 Band-Band 控制产生 PWM 信号，对逆变器开关状态进行控制。

     矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2%，无PG 反馈），高转矩精度（<+3%）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括 0 速度时），可输出 150%-200%转矩。

1、变频节能

       变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。风机、泵类负载采用变频调速后，节电率为 20%-60%，这是因为风机、泵类负载的实际消耗功率基本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、泵类采用变频调速使其转速降低，节能效果非常明显。而传统的风机、泵类采用挡板和阀门进行流量调节，电动机转速基本不变，耗电功率变化不大。风机、泵类电动机用电量占全国用电量的 31%，占工业用电量的 50%。在此类负载上使用变频调速装置具有非常重要的意义。目前，应用较成功的有恒压供水、各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。

2、实现电机软启动

       电机硬启动不仅会对电网造成严重的冲击，而且会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频器后，变频器的软启动功能将使启动电流从零开始变化，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，同时也节省设备的维护费用。

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