主電路

主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類

變頻功率分析儀(5張)

 ：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器“。 ^[4] 

整流器

大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。 ^[4] 

平波回路

在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 ^[4] 

逆變器

同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。 ^[4] 

控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 ^[4] 

（1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。^[4] 

（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。 ^[4] 

（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。 ^[4] 

（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。 ^[4] 

（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞。 ^[4] 

功能作用

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變頻節(jié)能

變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應用上。風機、泵類負載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率為20%～60%，這是因為風機、泵類負載的實際消耗功率基本與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。當用戶需要的平均流量較小時，風機、泵類采用變頻調(diào)速使其轉(zhuǎn)速降低，節(jié)能效果非常明顯。而傳統(tǒng)的風機、泵類采用擋板和閥門進行流量調(diào)節(jié)，電動機轉(zhuǎn)速基本不變，耗電功率變化不大。據(jù)統(tǒng)計，風機、泵類電動機用電量占全國用電量的31%，占工業(yè)用電量的50%。在此類負載上使用變頻調(diào)速裝置具有非常重要的意義。目前，應用較成功的有恒壓供水、各類風機、中央空調(diào)和液壓泵的變頻調(diào)速。 ^[5] 

在自動化系統(tǒng)中應用

由于變頻器內(nèi)置有32位或16位的微處理器，具有多種算術邏輯運算和智能控制功能，輸出頻率精度為0.1%~0.01%，且設置有完善的檢測、保護環(huán)節(jié)，因此，在自動化系統(tǒng)中獲得廣泛應用。例如：化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計量、導絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機；電弧爐自動加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制等。變提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應用頻器在數(shù)控機床控制、汽車生產(chǎn)線、造紙和電梯上的應用。 ^[5] 

在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應用

變頻器還可以廣泛應用于傳送、起重、擠壓和機床等各種機械設備控制領域，它可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減少設備的沖擊和噪聲，延長設備的使用壽命。采用變頻調(diào)速控制后，使機械系統(tǒng)簡化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高了整個設備的功能。例如，紡織和許多行業(yè)用的定型機，機內(nèi)溫度是靠改變送入熱風的多少來調(diào)節(jié)的。輸送熱風通常用的是循環(huán)風機，由于風機速度不變，送入熱風的多少只有用風門來調(diào)節(jié)。如果風門調(diào)節(jié)失靈或調(diào)節(jié)不當就會造成定型機失控，從而影響成品質(zhì)量。循環(huán)風機高速啟動，傳動帶與軸承之間磨損非常厲害，使傳動帶變成了一種易耗品。在采用變頻調(diào)速后，溫度調(diào)節(jié)可以通過變頻器自動調(diào)節(jié)風機的速度來實現(xiàn)，解決了產(chǎn)品質(zhì)量問題。此外，變頻器能夠很方便地實現(xiàn)風機在低頻低速下啟動并減少了傳動帶與軸承之間的磨損，還可以延長設備的使用壽命，同時可以節(jié)能40%。 ^[5] 

實現(xiàn)電機軟啟動

電機硬啟動不僅會對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻器后，變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始變化，大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，同時也節(jié)省設備的維護費用。 ^[6] 

分類

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1．按輸入電壓等級分類

變頻器按輸入電壓等級可分低壓變頻器和高壓變頻器，低壓變頻器國內(nèi)常見的有單相220 V變頻器、三相220 V變頻器、i相380 V變頻器。高壓變頻器常見有6 kV、10 kV變壓器，控制方式一般是按高低一高變頻器或高一高變頻器方式進行變換的。 ^[7] 

2．按變換頻率的方法分類

變頻器按頻率變換的方法分為交-交型變頻器和交-直交型變頻器。交-交型變頻器可將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可以控制的交流，故稱直接式變頻器。交直-交型變頻器則是先把工頻交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)變成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可以調(diào)節(jié)的交流電，故又稱為間接型變頻器。 ^[7] 

3．按直流電源的性質(zhì)分類

在交-直-交型變頻器中，按主電路電源變換成直流電源的過程中，直流電源的性質(zhì)分為電壓型變頻器和電流型變頻器。 ^[7] 

給定方式

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變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點，必須按照實際的需要進行選擇設置，同時也可以根據(jù)功能需要選擇不同頻率給定方式進行疊加和切換。 ^[6] 

控制方式

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低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。 ^[8] 

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式

其特點是控制電路結(jié)構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。 ^[8] 

電壓空間矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到*。 ^[8] 

矢量控制(VC)方式

矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。 ^[8] 

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式

1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授*提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。 ^[8] 

矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是： ^[8] 

1、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現(xiàn)無速度傳感器方式； ^[8] 

2、自動識別(ID)依靠精確的電機數(shù)學模型，對電機參數(shù)自動識別； ^[8] 

3、算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進行實時控制； ^[8] 

4、實現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開關狀態(tài)進行控制。 ^[8] 

矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(<2ms)，很高的速度精度(±2%，無PG反饋)，高轉(zhuǎn)矩精度(<+3%)；同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(包括0速度時)，可輸出150%～200%轉(zhuǎn)矩。 ^[8] 

變頻器的選用

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選用變頻器的類型，按照生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求 ^[9]  。

需要控制的電機及變頻器自身

1）電機的極數(shù)。一般電機極數(shù)以不多于(極為宜，否則變頻器容量就要適當加大。

2）轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在同等電機功率情況下，相對于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取。3）電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當電機與變頻器距離超過50m時，應在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜 ^[9]  。

變頻器功率的選用

系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點： ^[9] 

1）變頻器功率值與電動機功率值相當時合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。 ^[9] 

2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。 ^[9] 

3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。 ^[9] 

4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。 ^[9] 

5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調(diào)整節(jié)能程序的設置，以利達到較高的節(jié)能效果 ^[9]  。

變頻器箱體結(jié)構的選用

變頻器的箱體結(jié)構要與環(huán)境條件相適應，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。常見有下列幾種結(jié)構類型可供用戶選用： ^[9] 

1）敞開型IPOO型本身無機箱，適用裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用時，選用這種型式較好，但環(huán)境條件要求較高； ^[9] 

2）封閉型IP20型適用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合； ^[9] 

3）密封型IP45型適用工業(yè)現(xiàn)場條件較差的環(huán)境； ^[9] 

4）密閉型IP65型適用環(huán)境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場合 ^[9]  。

變頻器容量的確定

合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗，比較簡便的方法有三種： ^[9] 

1）電機實際功率確定發(fā)。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。 ^[9] 

2）公式法。當一臺變頻器用于多臺電機時，應滿足：至少要考慮一臺電動機啟動電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。 ^[9] 

3）電機額定電流法變頻器。 ^[9] 

變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的匹配過程，常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。對于輕負載類，變頻器電流一般應按1.1N（N為電動機額定電流）來選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的大電機功率來選擇 ^[9]  。

主電源

1）電源電壓及波動。應特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應，因為在實際使用中，電網(wǎng)電壓偏低的可能性較大。 ^[9] 

2）主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統(tǒng)的熱損耗，導致噪聲增加，輸出降低。 ^[9] 

3）變頻器和電機在工作時，自身的功率消耗。在進行系統(tǒng)主電源供電設計時，兩者的功率消耗因素都應考慮進去 ^[9]  。

發(fā)展方向

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電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅），使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動裝置；

磁鐵電動機也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術的迅速普及，變頻器相關技術發(fā)展迅速，未來主要向以下幾個方面發(fā)展： ^[10] 

網(wǎng)絡智能化

智能化的變頻器使用時不必進行很多參數(shù)設定，本身具備故障自診斷功能，具有高穩(wěn)定性、高可靠性及實用性。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。 ^[10] 

專門化和一體化

變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵用變頻器、電梯變頻器、起重機械變頻器、張力控制變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。 ^[10] 

節(jié)能環(huán)保無公害

保護環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。電力拖動裝置應著重考慮節(jié)能、變頻器能量轉(zhuǎn)換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問題減少到低程度。 ^[10] 

適應新能源

現(xiàn)在以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭角，有*之勢。這些發(fā)電設備的大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗?，F(xiàn)在電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制技術以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步，這種進步集中體現(xiàn)在交流調(diào)速裝置的大容量化、變頻器的高性能化和多功能化、結(jié)構的小型化等方面。 ^[10] 

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