變頻器:電能控制裝置-中文百科頻道

發展曆程

變頻技術誕生背景是交流電機無級調速的廣泛需求。傳統的直流調速技術因體積大故障率高而應用受限。

20世紀60年代以後，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級産品。但其調速性能遠遠無法滿足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術企業開始批量化生産變頻器，開啟了變頻器工業化的新時代。

20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻（PWM－VVVF）調速的研究得到突破，20世紀80年代以後微處理器技術的完善使得各種優化算法得以容易的實現。

20世紀80年代中後期，美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生産和電子技術的優勢，高端産品迅速搶占市場。

步入21世紀後，國産變頻器逐步崛起，現已逐漸搶占高端市場。上海和深圳成為國産變頻器發展的前沿陣地。

變頻器組成

主電路

主電路是給異步電動機提供調壓調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：電壓型是将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。電流型是将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，将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産生的電壓脈動的“平波回路”，以及将直流功率變換為交流功率的“逆變器“。

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。

平波回路

在整流器整流後的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器産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餘量，可以省去電感采用簡單的平波回路。

逆變器

同整流器相反，逆變器是将直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所确定的時間使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。

控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信号的回路，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”，将運算電路的控制信号進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。

（1）運算電路：将外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信号進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

（3）驅動電路：驅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）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）的信号為速度信号，送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。

（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發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。

功能作用

變頻節能

變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。風機、泵類負載采用變頻調速後，節電率為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、泵類采用變頻調速使其轉速降低，節能效果非常明顯。而傳統的風機、泵類采用擋闆和閥門進行流量調節，電動機轉速基本不變，耗電功率變化不大。據統計，風機、泵類電動機用電量占全國用電量的31%，占工業用電量的50%。在此類負載上使用變頻調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、中央空調和液壓泵的變頻調速。

在自動化系統中應用

由于變頻器内置有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、保護環節，因此，在自動化系統中獲得廣泛應用。例如：化纖工業中的卷繞、拉伸、計量、導絲；玻璃工業中的平闆玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機；電弧爐自動加料、配料系統以及電梯的智能控制等。變提高工藝水平和産品質量方面的應用頻器在數控機床控制、汽車生産線、造紙和電梯上的應用。

在提高工藝水平和産品質量方面的應用

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産品質量，減少設備的沖擊和噪聲，延長設備的使用壽命。采用變頻調速控制後，使機械系統簡化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變原有的工藝規範，從而提高了整個設備的功能。例如，紡織和許多行業用的定型機，機内溫度是靠改變送入熱風的多少來調節的。輸送熱風通常用的是循環風機，由于風機速度不變，送入熱風的多少隻有用風門來調節。如果風門調節失靈或調節不當就會造成定型機失控，從而影響成品質量。循環風機高速啟動，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。在采用變頻調速後，溫度調節可以通過變頻器自動調節風機的速度來實現，解決了産品質量問題。此外，變頻器能夠很方便地實現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，同時可以節能40%。

實現電機軟啟動

電機硬啟動不僅會對電網造成嚴重的沖擊，而且會對電網容量要求過高，啟動時産生的大電流和震動對擋闆和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻器後，變頻器的軟啟動功能将使啟動電流從零開始變化，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網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，同時也節省設備的維護費用。

分類

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，低壓變頻器國内常見的有單相220V變頻器、三相220V變頻器、i相380V變頻器。高壓變頻器常見有6kV、10kV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。

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-交型變頻器可将工頻交流電直接轉換成頻率、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變成直流電，然後再把直流電變換成頻率、電壓均可以調節的交流電，故又稱為間接型變頻器。

3．按直流電源的性質分類

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，直流電源的性質分為電壓型變頻器和電流型變頻器。

給定方式

變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信号給定、模拟信号給定、脈沖信号給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優缺點，必須按照實際的需要進行選擇設置，同時也可以根據功能需要選擇不同頻率給定方式進行疊加和切換。

控制方式

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。其控制方式經曆了以下四代。

正弦脈寬調制（SPWM）控制方式

其特點是控制電路結構簡單、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速要求，已在産業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，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動态轉矩能力和靜态調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會随負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

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磁場軌迹為目的，一次生成三相調制波形，以内切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用後又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鍊幅值，消除低速時定子電阻的影響；将輸出電壓、電流閉環，以提高動态的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。

矢量控制（VC）方式

矢量控制變頻調速的做法是将異步電動機在三相坐标系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐标系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐标系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然後模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐标反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是将交流電動機等效為直流電動機，分别對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鍊，然後分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐标變換，實現正交或解耦控制。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，由于轉子磁鍊難以準确觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較複雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

直接轉矩控制（DTC）方式

1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。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、簡潔明了的系統結構、優良的動靜态性能得到了迅速發展。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。直接轉矩控制直接在定子坐标系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鍊和轉矩。它不需要将交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多複雜計算；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學模型。

矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—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，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節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術雖尚未成熟，但仍吸引着衆多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鍊等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是：

1、控制定子磁鍊引入定子磁鍊觀測器，實現無速度傳感器方式；

2、自動識别（ID）依靠精确的電機數學模型，對電機參數自動識别；

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矩、定子磁鍊、轉子速度進行實時控制；

4、實現Band—Band控制按磁鍊和轉矩的Band—Band控制産生PWM信号，對逆變器開關狀态進行控制。

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

變頻器的選用

選用變頻器的類型，按照生産機械的類型、調速範圍、靜态速度精度、起動轉矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器最合适。所謂合适是既要好用，又要經濟，以滿足工藝和生産的基本條件和要求。

需要控制的電機及變頻器自身

1、電機的極數。一般電機極數以不多于（極為宜，否則變頻器容量就要适當加大。

2、轉矩特性、臨界轉矩、加速轉矩。在同等電機功率情況下，相對于高過載轉矩模式，變頻器規格可以降額選取。

3、電磁兼容性。為減少主電源幹擾，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。

變頻器功率的選用

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

1、變頻器功率值與電動機功率值相當時最合适，以利變頻器在高的效率值下運轉。

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。

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。

4、經測試，電動機實際功率确實有富餘，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。

5、當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果。

變頻器箱體結構的選用

變頻器的箱體結構要與環境條件相适應，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。常見有下列幾種結構類型可供用戶選用：

1、敞開型IPOO型本身無機箱，适用裝在電控箱内或電氣室内的屏、盤、架上，尤其是多台變頻器集中使用時，選用這種型式較好，但環境條件要求較高；

2、封閉型IP20型适用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合；

3、密封型IP45型适用工業現場條件較差的環境；

4、密閉型IP65型适用環境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場合。

變頻器容量的确定

合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗，比較簡便的方法有三種：

1、電機實際功率确定發。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。

2、公式法。當一台變頻器用于多台電機時，應滿足：至少要考慮一台電動機啟動電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。

3、電機額定電流法變頻器。

變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、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，或按廠家在産品中标明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇。

主電源

1、電源電壓及波動。應特别注意與變頻器低電壓保護整定值相适應，因為在實際使用中，電網電壓偏低的可能性較大。

2、主電源頻率波動和諧波幹擾。這方面的幹擾會增加變頻器系統的熱損耗，導緻噪聲增加，輸出降低。

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

發展方向

電力電子器件的基片已從Si（矽）變換為SiC（碳化矽），使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優點；并制造出體積小、容量大的驅動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發研制之中。随着IT技術的迅速普及，變頻器相關技術發展迅速，未來主要向以下幾個方面發展：

網絡智能化

智能化的變頻器使用時不必進行很多參數設定，本身具備故障自診斷功能，具有高穩定性、高可靠性及實用性。利用互聯網可以實現多台變頻器聯動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統。

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、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。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。

節能環保無公害

保護環境，制造“綠色”産品是人類的新理念。電力拖動裝置應着重考慮節能、變頻器能量轉換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網的污染等問題減少到最低程度。

适應新能源

現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，有後來居上之勢。這些發電設備的最大特點是容量小而分散，将來的變頻器就要适應這樣的新能源，既要高效，又要低耗。現在電力電子技術、微電子技術和現代控制技術以驚人的速度向前發展，變頻調速傳動技術也随之取得了日新月異的進步，這種進步集中體現在交流調速裝置的大容量化、變頻器的高性能化和多功能化、結構的小型化等方面。