變頻器的基本構成及分類

一. 變頻器的基本構成及其作用

電壓型變頻器

在電壓型變頻器中，整流電路產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構因其使用的換流器件的不同而有多種形式。關于這些電路的結構，可參考有關資料。

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為逆變電路，并將負載的能量回饋給電源，而且在出現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調制變頻器(參見)

PAM控制是脈沖幅度調制(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頻率即為變頻器的輸出頻率，所以這是一種同步調制方式。

由于逆變電路換流器件的開關頻率(簡稱載波頻率)較低，在使用PAM控制方式的變頻器進行調速驅動時具有電動機運轉噪音小，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，控制電路比較復雜。此外，這種控制方式也還具有當電動機進行低速運轉時波動較大的缺點。

PWM調制變頻器

PWM控制是脈沖寬度調制(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。如在逆變器環節中，將每個半周的矩形分成許多小脈沖，通過調整脈沖寬度的大小，也可起到調壓的作用。這就是所謂的PWM方式。

為使異步電動機在進行調速運轉時能夠更加平滑，目前在變頻器中多采用SPWM法(正弦波PWM調制方式)。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，該方式也具有當載波頻率不合適時會產生較大的電動機運轉噪音的缺點。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。

轉差頻率控制變頻器

轉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速與所需轉差頻率的和被自動設定，從而達到在進行調速控制的同時控制電動機輸出轉矩的目的。

轉差頻率控制是利用了速度傳感器的速度閉環控制，井可以在一定程度上對輸出轉矩進行控制，所以和V/f控制方式相比，在負載發生較大變化時仍能達到較高的速度精度和具有較好的轉矩特性。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，并需要根據電動機的特性調節轉差，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，也是交流電動機的一種理想的調速方法。矢量控制的基本思想是：將異步電動機的定子電流分為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和與其相垂直的產生轉矩的電流分量(轉矩電流)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速系統不僅在調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生的轉矩。故已經在許多需要進行精密控制的領域得到了應用。

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參數，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。但隨著變頻調速理論和技術的發展及現代控制理論在變頻器中的成功應用，目前在新型矢量控制變頻器中已經增加了自調整(Auto-tuning)功能。帶有這種功能的變頻器在驅動異步電機正常運轉之前可自動地對電動機參數進行辨識并根據辨識結果調整控制算法中的有關參數，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速控制。隨著變頻器技術的發展和市場需要的不斷擴大，通用變頻器正朝著兩個方向發展：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能為主要目的，削減了一些系統功能。主要應用于水泵、風扇、鼓風機等對于調速性能要求不高的場所，并具有體積小，價格低等方面的優勢。

高性能多功能通用變頻器在設計時充分考慮了應用中可能出現的各種需要，并為滿足這些需要在系統軟件和硬件方面都做了相應的準備。使用時，用戶可根據負載特性選擇算法并對變頻器的各種參數進行設定，也可根據系統的需要選擇廠家所提供的各種選件來滿足系統的特殊需要。高性能多功能變頻器廣泛應用于傳送帶、升降裝置以及各種機床、電動車輛等對調速系統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構比較簡單的V/f控制方式，其轉矩控制性能較差。但隨著變頻器技術的發展，目前一些廠家已經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，交流調速理論和電力電子技術的發展，異步電動機的矢量控制方式得到了充分地重視和發展，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速系統在性能上已經達到和超過了直流伺服系統。此外，由于異步電機還具有環境適應性強、維護簡單等許多直流伺服電機所不具備的優點，在許多需要進行高速高精度控制的應用中這種高性能交流調速系統正在逐步替代直流伺服系統。

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，而驅動對象通常是變頻器廠家指定的專用電機，并且主要應用于對電動機的控制性能要求較高的系統。此外，高性能專用變頻器往往是為了滿足某些特定產業或區域的需要，使變頻器具有最好的性能價格比而設計生產的。例如，在機床主軸驅動專用的高性能變頻器中，為了便于和數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域常常要用到高速電動機。為了滿足這些高速電動機驅動的需要，出現了采用PAM控制方式的高速電動機驅動用變頻器。這類變頻器的輸出頻率可達到3kHz，所以在驅動兩極異步電動機時電動機的最高轉速可達到180000r/min。

圖6-31所示為目前市場主流的交--直--交變頻器的基本結構。

二. 變頻器的分類

根據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。

根據變頻器中逆變電路的開關方式的不同，變頻器可分為PAM調制變頻器和PWM調制變頻器。

根據控制原理的不同，變頻器可分為V/f控制方式、轉差頻率控制方式和矢量控制方式。

根據用途，變頻器可分為通用變頻器和高性能專用變頻器。