第二章变频器的分类与特点2.1 变频器的分类1 按变换环节分类变频器的功能就是将频率、电压都固定的交流电源变成频率、电压都连续可调的三相交流电源。

按照变换环节有无直流环节可以分为交－交变频器和交－直－交变频器。

（1）交-直-交变频器的各种结构交－直－交变频器的主电路可以分为以下几部分：1、整流电路——交－直部分整流电路通常由二极管或可控硅构成的桥式电路组成。

根据输入电源的不同，分为单相桥式整流电路和三相桥式整流电路。

我国常用的小功率的变频器多数为单相220V 输入，较大功率的变频器多数为三相380V （线电压）输入。

2、中间环节——滤波电路根据贮能元件不同，可分为电容滤波和电感滤波两种。

由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，所以用电容滤波就构成电压源型变频器，用电感滤波就构成电流源型变频器。

3、逆变电路——直－交部分逆变电路是交－直－交变频器的核心部分，其中6个三极管按其导通顺序分别用 VT1～VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。

逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是彼此相差120°的交流电压，即实现了从直流电到交流电的逆变。

输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率，达到了变频的目的。

实际逆变电路除了基本元件三极管和续流二极管外，还有保护半导体元件的缓冲电路，三极管也可以用门极可关断晶闸管代替。

（2）交-交变频器单相输出交-交变频电路的原理框图，电路由P （正）组和N （负）组反并联的晶闸管变流电路构成，两组变流电路接在同一个交流电源，Z 为负载。

变频器的主电路三相电交-交变频器结构图交-交变频器的特点为：1) 因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高。

2) 由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好。

3) 由于输出上限频率不高于电网频率的1/3～1/2，因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低。

4)交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。

功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。

2. 按直流电源的性质分类（1）电流型优点：当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备，只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角α>90°）即可。

（2）电压型特点:中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲。

由于大电容的作用，主电路直流电压UD比较平稳，电动机端的电压为方波或阶梯波。

直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压源型变频器或电压型变频器。

3. 按输出电压调节方式分类（1）脉冲幅值调节（PAM ）特点是:变频器在改变输出频率的同时，也改变了电压的幅值，故称为脉幅调制，常用PAM （Pulse Amplitude Modulation ）表示。

PAM 需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分PAM 调制的输出电压（2）脉冲宽度调节（PWM ）每半个周期内输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每两个脉冲间的间隔宽度为t2 ，则脉冲的占空比为特点是，变频器在改变输出频率的同时，也改变输出电压的脉冲占空比（幅值不变），故称为脉宽调制，常用PWM 表示。

112t t t γ+＝脉宽调制的输出电压在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。

当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小。

当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大。

图 SPWM的输出电压在图脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波（基准波或调制波）和等腰三角波（载波）的交点来决定主开关器件V1或V2的导通时间而实现调压的。

利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。

这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式称为正弦PWM方式，简称SPWM控制方式。

4 按变频控制方式分类U/f控制变频器转差频率控制变频器矢量控制变频器(1)U/f控制方式U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。

因为是控制电压与频率之比，所以称为U/f控制。

U/f控制又称VVVF控制方式。

该类变频器大多采用16位单片机，属于近似的恒磁通控制方式。

该控制方式是普通功能型通用变频器的核心功能。

为保证通用变频器的性能，通常还有瞬时停电再起动功能、变频器和电网间的自动切换功能、控制信号的设定、调整功能，联锁信号的输入和输出功能以及对变频器、电动机的保护功能，对故障信息的存储和显示功能等。

3个缺点:1 引起变频器的过电流跳闸2 U/f控制方式的静态稳定性不高3 电动机的转速很低时，转矩不足(2)转差频率控制方式转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。

根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。

转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。

其实现思想是：通过检测电动机的实际转速，根据设定频率与实际频率的差对输出频率进行连续的调节，从而使输出频率始终满足电动机设定转速的要求。

因为其基本结构是转速闭环控制系统，所以在调整转速的同时，对输出转矩也进行了控制。

(3) 矢量控制方式矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。

根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成励磁分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，从而控制了电动机的转矩，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。

矢量控制方式是一种高性能的异步电动机的控制方式，不仅使控制系统的动态响应快、低频时电磁转矩大，而且控制灵活，矢量控制变频器的调速性能可以完全达到直流调速的调速精度和过度过程快速性要求。

5. 按用途分类（1）通用变频器它适用于对调速性能没有严格要求的场合，随着变频技术的进一步发展，通用变频器发展为以节能运行为主要目的的风机、泵类等平方转矩负载使用的平方转矩变频器和以普通恒转矩机械为主要控制对象的恒转矩变频器。

（2）专用变频器某个方面的性能指标极高，因而可以实现高控制要求，但相对价格较高。

专用变频器又分为高性能专用变频器、高频变频器和高压变频器。

作业：1、从不同角度给变频器进行分类？2.2 变频器的基本结构及主要技术参数2.2.1 基本结构1.主电路（1）整流电路①整流管VDl ～VD6。

在图中，二极管VDl ～VD6组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。

如电源的线电压为UL ，则三相全波整流后平均直流电压UD 的大小是 我国三相电源的线电压为380V ，故全波整流后的平均电压是②滤波电容器CF 。

③限流电阻RL 和开关SL 。

开关SL 的功能是：当CF 充电到一定程度时，令SL 接通，将RL 短路掉。

④电源指示HL 。

1.35D LU U = 1.35380513D U V V=⨯＝（2）能耗电路电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压UD不断上升，甚至可能达到危险的地步。

因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使UD保持在允许范围内。

图中的制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。

（3）逆变电路①逆变管Vl～V6。

②续流二极管VD7～VDl2其主要功能有：1. 电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。

VD7～VDl2为无功电流返回直流电源时提供“通道”。

2. 当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD7～VDl2整流后返回给直流电路。

3. V1～V6进行逆变的基本工作过程是，同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和截止的状态。

2 控制电路（1）驱动电路（2）主控电路（3）保护及报警单元（4）参数设定和监视单元：图中①（5）控制电源：图（6）外部端子：输入控制端子：图中②输出控制端子：图中③通信接口：图中④2.2.2主要技术参数1 输入侧的额定值（1）380V，3相绝大多数变频器都是这种规格。

（2）220V，3相主要用于某些进口设备中。

（3）220V，单相主要用于家用小容量变频器中。

2 输出侧的额定值（1）输出电压UN ：输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。

大多数为额定频率时的输出电压值。

（2）输出电流IN ：允许长时间输出的最大电流。

（3）输出容量SN ： （4）配用电动机容量PN ： ——电动机的效率；——电动机的功率因数。

（5）过载能力 :输出电流超过额定电流的允许范围和时间。

大多数变频器都规定为1.5IN 和60s 。

3 频率指标（1）频率范围最低工作频率约为0.1～1Hz ；最高工作频率约为120～650Hz 。

（2）频率精度指变频器输出频率的准确程度。

以变频器的实际输出频率与给定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。

例如，用户给定的最高工作频率为fmax=120Hz ，频率精度为0.01%，则最大误差为： 2.2.3 变频调速系统1、电流源逆变器供电的转速开环系统：恒压频比控制、转速开环变频调速系统的基本结构如下所示N N NS I =cos N N m mP S ηφ=m ηcos mφmax 0.00011200.012f H z H z∆=⨯=1 给定积分器GI：给定积分器作用是当转速给定信号发生阶跃变化时，防止逆变器的频率和电压也发生阶跃变化。

经过GI后，阶跃的转速给定信号变为按规定斜率上升的斜坡信号，使逆变器的输出频率和电压都能平缓上升，从而可限制冲击电流。

2 绝对值变换器GAB绝对值变换器GAB的作用：只要改变三相逆变器输出的电压的相序，就可以使电动机转速改变方向。

因此，不论转速给定信号为正还是为负，即不论要求正转还是反转，逆变器输出电压和频率的指令值均为正值。

但是，经给定积分器GI后的转速给定信号却有正有负，因此需要经过绝对值变化器GAB将变换成只输出其绝对值信号，来控制逆变器的输出频率。

3 电压控制环节电压控制环节一般采用电压、电流双闭环的结构如下图所示，内环设电流调节器ACR用以限制动态电流，兼起保护作用，外环设电压调节器A VR，用以控制输出电压。

电压—频率控制信号加到电压调节器上以前，应先通过函数发生器GF，把电压给定信号提高一些，以补偿定子阻抗压降，改善调速时（特别是低速时）的机械特性。

4 函数发生器GF：由于变频调速系统中，频率和电压之间必须满足一定关系，为此，二者的指令信号和之间也必须满足对应的关系，这一关系由函数发生器GF实现。