变频器的工作原理

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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。

随着社会的不断发展，对生产工艺的要求也越来越高，例如加工工艺的高精度要求和高效率要求等。这就要求动力机构能够在工作速度、定位速度、快速启动和制动、反转控制及提高动力机构能源转换效率等方面有所提高, 但作为系统原动机的电动机, 满足这些要求是十分困难的 。因此提高电动机的调速技术对于整个电力拖动系统的性能具有十分重要的意义。

电动机的调速最早始于机械系统。最早主要有两种形式 :一是定速电动机 +调速联轴节或调速型液力耦合器 ;二是采用变速电动机 。前者是在以定速运转的电动机轴上安装可调速的联轴节或可调节充液量的液力耦合器等等 。采用此类调速机构不仅响应慢、精度较差, 而且效率有所降低。为了提高电动机调速的性能, 人们通常采用直流发电机—直流电动机组, 调节输入电压便可以改变直流电机的转速 。交流电动机的转速调节通常有包括改变电动机极数 、串接转子电阻和调定子电压的方法 。目前交流变频技术开始成熟并进入实用化。变频器是通过变频技术开始成熟并进入实用化 。变频器是通过改变交流电动机输入交流电源的频率来改变电机转速的 。用交流变频器与电动机组成的传动系统从可控性 、快速性 、可靠性等方面都有很大的提高, 从而日益广泛的应用于民用、发电 、机械制造 、航天等领域。下面就变频器的工作原理与实际应用以及其特点进行简单介绍 。

目前，工业生产中大部分使用的变频器都是交—直—交型变频器，将工频交流电通过整流变成直流电，再把直流电变成频率、电压均可控的交流电；根据三相异步电动机转速公式可知，转速正比于频率，要达到所需转速，改变电路中的频率即可；根据电动机频率和电压特性，转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机，因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，为减少基波、高次谐波对变频器及电力电缆的影响，可以在变频器进出侧加装电抗器，以降低高次谐波造成电缆绝缘的下降不利因素。

交流电动机的同步转速表达式:n=60 f ( 1- s ) /p           ( 1 )

式中: n —— — 异步电动机的转速;

f —— — 异步电动机的频率;

s —— — 电动机转差率;

p —— — 电动机极对数。

由式( 1 ) 可知, 转速 n 与频率 f 成正比, 只要改变频率 f 即可改变电动机的转速, 当频率 f在 0～50Hz 的范围内变化时, 电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的, 是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

以下是变频器控制方式

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。

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。

②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。

③ 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 Ia1 、Ib1 , 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。

④ 直接转矩控制( DTC )方式

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。

⑤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 l , 输入电流为正弦且能四象限运行, 系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟, 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。

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。

参考文献：

《浅析变频器工作原理及应用》.李军荣

《浅谈变频器的工作原理及其应用》.谭新元

《变频器工作原理与在工程中的应用》.张辉

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