1.项目七任务一 认识变频器

电力电子技术主编徐立娟

认识变频器

1项目描述2任务描述与目标3相关知识4任务实施提

纲

一、项目描述变频器是一种静止的频率变换器，可将50Hz交流电变成频率可调的交流电作为电动机的电源装置，目前在国内外使用广泛。使用变频器可以起到节能、提高产品质量和劳动生产率等作用。

二、任务描述与目标任务名称：认识变频器任务描述：变频器是利用电力电子器件的通断将工频交流电变换为另一频率的交流电的装置。自20世纪80年代变频器被引进中国以来，其应用已逐步成为当代电机调速的主流。那么，这种装置有什么用途？有哪些类型？它的基本结构又是怎样的？

二、任务描述与目标任务目标：（1）了解变频器的基本概念。（2）熟悉变频器的应用。（3）掌握变频器的基本结构。

三、相关知识变频器的用途01变频器主要用于交流电动机（以下简称电动机）转速的调节，具有体积小、质量小、精度高、功能丰富、保护功能较强、可靠性高、操作简便、通用性强等优点。变频调速是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案之一，除具有卓越的调速性能外，变频调速还有显著的节能效果，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速方式。变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到快速发展和广泛应用。

三、相关知识变频器的用途01变频调速的节能变频器的最初用途是速度控制，目前在国内应用较多的原因是节能。交流电动机的转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，采用变频调速方式时，无论电动机转速高低，转差功率的消耗基本不变，系统效率是各种交流调速方式中最高的，采用变频调速具有显著的节能效果。国家大力提倡节能，并着重推广变频调速技术。

三、相关知识变频器的用途01变频调速的节能风机、泵类负载的节能效果非常明显，节电率可达20%～60%，这是因为风机、泵类负载的耗用功率与转速的3次方成正比，当需要的平均流量较小时，转速降低，其功率按转速的3次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。目前应用较成功的案例有恒压供水，中央空调，各类风机、水泵的变频调速。

三、相关知识变频器的用途01以提高工艺水平和产品质量为目的的应用变频调速除可以在风机、泵类负载上应用外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高企业的成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高整个设备的控制水平。

三、相关知识变频器的用途01变频调速在电动机运行方面的优势变频调速很容易实现电动机的正、反转，只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。变频调速系统启动大都是从低速开始的，频率较低，加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间较平缓，启动电流较小，可以进行较高频率的启停。

三、相关知识变频器的用途01变频调速在电动机运行方面的优势变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻器上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。此外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压进行制动，无须另加制动控制电路。

三、相关知识变频器的用途01变频家电除工业相关行业外，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注。变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势，如带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪声、提高控制精度等方面有很大的优势。

三、相关知识变频器的基本结构02调速用变频器通常由主电路、控制电路组成。变频器基本结构如图所示。滤波将外部的工频交流电源转换为直流电，给逆变电路和控制电路提供所需的直流电源直流电逆变成为频率、电压都可以调节的交流电控制电路包括主控制电路、信号检测电路、驱动电路、外部接口电路以及保护电路。控制电路的主要功能是将接收的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据驱动要求为变频器主电路提供必要的驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护、输出计算结果。主电路

三、相关知识变频器的基本结构02控制电路控制电路包括运算电路、信号检测电路、驱动电路和外部接口电路。控制电路的主要功能是将接收到的各种信号在运算电路中进行计算，为变频器整流电路和逆变电路提供驱动信号，并对变频器及异步电动机提供必要的保护。（1）接收的各种信号。①各种功能的预置信号。②从键盘或外接输入端子输入的给定信号。③从外接输入端子输入的控制信号。④从电压、电流采样电路及其他传感器输入的状态信号。

三、相关知识变频器的基本结构02控制电路（2）进行的运算。①实时地计算出SPWM波形各切换点的时刻。②矢量控制运算或其他必要的运算。（3）输出的计算结果。①实时地将计算出的SPWM波形各切换点的时刻输出至逆变器件的驱动电路，使逆变器件按给定信号及预置要求输出SPWM电压波。②将当前的各种状态输出至显示器显示。③将控制信号输出至外接输出端子。

三、相关知识变频器的基本结构02控制电路（4）实现的保护功能。接收从电压、电流采样电路，以及其他传感器输入的信号，结合保护功能中预置的限值进行比较和判断，若出现故障，则采取以下3种处理方式。①停止发出SPWM信号，使变频器中止输出。②输出报警信号。③向显示器输出故障信号。

三、相关知识变频器主电路结构03目前已被广泛应用在交流电动机变频调速中的变频器是交-直-交变频器，它是先将稳压稳频（Constant

Voltage

Constant

Frequency，CVCF）的交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可调的交流电的间接型逆变电路。

三、相关知识在交流电动机的变频调速控制中，为保持额定磁通基本不变，在调节定子频率的同时必须改变定子的电压。因此，必须配备变压变频（Variable

Voltage

Variable

Frequency，VVVF）装置。它的核心部分就是逆变电路，其结构如图所示。变频器主电路结构03

三、相关知识按照控制方式的不同，交-直-交变频器的控制方式可分成以下3种方式。（1）采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式，其结构如图7-3所示。在这种控制方式中，调压和调频在两个环节上分别进行，在控制电路上协调配合，结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，因此当电压调得较低时，电网侧功率因数较低。而输出环节多用由晶闸管组成的多拍逆变器，每个周期换相6次，输出的谐波较大，因此这类控制方式现在用得较少。变频器主电路结构03

三、相关知识（2）采用不可控整流器整流、斩波器调压，再用逆变器调频的控制方式，其结构如图所示。整流环节采用不可控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，使用脉宽调压，这种方式能够改正功率因数较低的缺点，但输出逆变环节未变，仍有谐波较大的缺点。变频器主电路结构03

三、相关知识（3）采用不可控整流器整流，PWM逆变器同时调压调频的控制方式，其结构如图所示。在这类控制方式中，用不可控整流器整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变器调压调频，则输出谐波可以减小。变频器主电路结构03

三、相关知识在交-直-交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压的波形是矩形波或阶梯波，这类变频器称为电压型变频器，如图（a）所示。当交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，电源内阻抗很大，对负载来说基本是一个电流源，输出交流电流的波形是矩形波或阶梯波，这类变频器称为电流型变频器，如图（b）所示。变频器主电路结构03

三、相关知识交-直-交电压型逆变电路变频器主电路结构03三相桥式不可控整流，完成交流到直流的变换大电容C滤波电力晶体管VT1～VT6构成PWM逆变器，完成直流到交流的变换，并能实现输出频率和电压的同时调节，VD1～VD6是电压型逆变器所需的反馈二极管

三、相关知识交-直-交电压型逆变电路变频器主电路结构03可以看出，由于整流电路输出的电压和电流极性都不能改变，因此该电路只能从交流电源向中间直流环节传输功率，再向交流电动机传输功率，而不能从中间直流环节向交流电源反馈能量。当负载电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入中间直流环节，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。

三、相关知识交-直-交电压型逆变电路变频器主电路结构03为限制泵升电压，可给直流侧电容器并联一个由电力晶体管VT0和能耗电阻器R组成的泵升电压限制电路，如图所示。当泵升电压超过一定数值时，VT0导通，能量消耗在R上。这种电路可运用于对制动时间有一定要求的调速系统中。

三、相关知识交-直-交电压型逆变电路变频器主电路结构03在要求电动机频繁、快速加减速的场合，上述带有泵升电压限制电路的逆变电路耗能较多，能耗电阻器R也需较大的功率。因此，希望在制动时把电动机的动能反馈回电网。这时，需要增加一套有源逆变电路，以实现再生制动，可以再生制动的逆变电路如图所示。

三、相关知识交-直-交电流型逆变电路变频器主电路结构03整流器采用晶闸管构成的可控整流电路，完成交流到直流的变换，输出可控的直流电压U，实现调压功能大电感L滤波逆变器采用晶闸管构成的串联二极管式电流型逆变电路，完成直流到交流的变换，并实现输出频率的调节。

三、相关知识交-直-交电流型逆变电路变频器主电路结构03由图可以看出，电力电子器件的单向导向性，使得电流ID不能反向，而中间直流环节采用的大电感滤波，保证了ID的不变，但可控整流器的输出电压Ud是可以迅速反向的。因此，电流型变频电路很容易实现能量回馈。下图给出了电流型变频调速系统的电动运行和回馈制动两种运行状态。其中，UR为晶闸管可控整流器，UI为电流型逆变器。当可控整流器UR工作在整流状态（

＜90°）、逆变器工作在逆变状态时，电机在电动状态下运行，如图（a）所示。

三、相关知识交-直-交电流型逆变电路变频器主电路结构03

三、相关知识交-直-交电流型逆变电路变频器主电路结构03这时，直流回路电压Ud的极性为上正下负，电流由Ud的正端流入逆变器UI，电能由交流电网经变频器传送给电机，变频器的输出频率w1>w，电机处于电动状态。此时，如果降低变频器的输出频率，或从机械上提高电机转速，使w1<w，同时使可控整流器UR的控制角α＞90°，则电机进入发电状态，且直流回路电压Ud立即反向，而电流ID方向不变。于是，逆变器UI变成整流器，而可控整流器UR转入有源逆变状态，电能由电机回馈给交流电网，如图（b）所示。

三、相关知识交-直-交电流型逆变电路变频器主电路结构03交-直-交电流型PWM变频电路，负载为三相异步电动机。逆变器为采用GTO作为功率开关器件的电流型PWM逆变电路，图中的GTO用的是反向导电型器件，因此，给每个GTO串联了二极管以承受反向电压。逆变电路输出端的电容C是为吸收GTO关断时所产生的过电压而设置的，它也可以对输出的PWM电流波形而起滤波作用。整流电路采用晶闸管而不是二极管，这样在负载电动机需要制动时，可以使整流部分工作在有源逆变状态，把电动机的机械能反馈给交流电网，从而实现快速制动。

三、相关知识交—直—交电压型变频器与电流型变频器的性能比较变频器主电路结构03电压型变频器和电流型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同，两类变频器在性能上相当大的差异，主要表现比较见表。特点名称电压型变频器电流型变频器储能元件电容器电抗器输出波形的特点电压波形为矩形波电流波形近似正弦波电流波形为矩形波电压波形为近似正弦波

三、相关知识交—直—交电压型变频器与电流型变