變頻調速技術

編寫王孝儉

水利與建筑工程學院

2007年7月

目錄

緒論..............................................................2

第一講變頻調速技術及其產(chǎn)生背景...................................3

1.1變頻調速技術的概念.................................................................3

1.2幾種交流調速方式的比較.............................................................3

1.3變頻調速技術的三大優(yōu)點.............................................................5

1.4變頻調速技術是時代的產(chǎn)物...........................................................6

1.5變頻調速技術的主要發(fā)展方向及關鍵技術..............................................10

第二講變頻器的簡單原理及分類....................................11

2.1變頻器發(fā)展概況....................................................................11

2.2變頻器的簡單原理...................................................................13

2.3變頻器的分類.......................................................................15

2.4變頻調速器的優(yōu)良性能..............................................................20

附圖：變頻器內部結構....................................................................21

第三講變頻器的主要性能指標及選型................................22

3.1變頻器得主要性能標...............................................................23

3.2變頻器的選型及配置要點............................................................23

3.3傳動系統(tǒng)對電機的要求及影響........................................................27

3.4變頻器周邊器件的選擇..............................................................28

3.5功率電纜的線徑和配線距離..........................................................31

第四講變頻器功能解析............................................33

4.1頻率的給定與相關功能..............................................................33

4.2變頻器的加減速功能................................................................42

4.3變頻器的外接端子及其控制功能.....................................................49

4.4變頻器的系統(tǒng)控制功能..............................................................57

4.5變頻器的保護和顯示功能............................................................66

第五講變頻調速技術的應用........................................75

5.1應用變頻調速技術的目的和效益......................................................75

5.2應用通用變頻器的技術優(yōu)勢..........................................................83

5.3變頻調速技術在恒壓供水系統(tǒng)的應用..................................................85

5.4變頻調速技術在節(jié)水灌溉供水系統(tǒng)的應用............................................88

5.5通用變頻器在電梯中的應用.........................................................89

5.6變頻調速技術的在我國應用的典型成果..............................................94

緒論

多年來，國家經(jīng)貿委一直會同國家有關部門致力于變頻調速技術的開發(fā)及推廣應用，在技術開發(fā)、技

術改造方面給予了重點扶持，組織了變頻調速技術的評測推薦工作，并把推廣應用變頻調速技術作為風機、

水泵節(jié)能技改專項的重點投資方向，同時鼓勵單位開展統(tǒng)貸統(tǒng)還方式，抓開發(fā)、抓示范工程、抓推廣應用。

1995—1997年3年間我國風機水泵變頻調速技術改造投入資金3.5億元，改造總容量達100萬kW,可年

節(jié)電7億kWh,平均投資回收期約2年。

1998年1月1日實施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條，已將變頻調速列入通用節(jié)能技術加

以推廣。在國家經(jīng)貿委《“九五”資源節(jié)能綜合利用工作綱要》中，變頻調速已被列入重點組織實施的10

項資源節(jié)約綜合利用技術改造示范工程之一。由國家經(jīng)貿委和國家計劃委員會在2001年制訂了《節(jié)約用

電管理辦法》，著重推薦了變頻調速技術。

變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，但目前在國內應用較多的是節(jié)能。中國是能耗大國，能源利用率

很低，且能源儲備不足。在2003年的中國電力消耗中，60?70%為動力電，其中，交流電動機占90%左

右。我國電動機的總裝機容量已達5.8億千瓦，約占工業(yè)耗電量的80%。而在5.8億千瓦總容量中，只有

不到2000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的，據(jù)分析，在中國帶變動負載、具有節(jié)能潛力的電機至少有1.8

億千瓦。因此國家大力提倡節(jié)能措施，并著重推薦了變頻調速技術。

有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，截止到2006年底，我國發(fā)電裝機容量達到了62200萬千瓦，同比增長20.3%。其

中水電達到12875萬千瓦，約占總容量的20.67%,同比增長9.5%；火電達到48405萬千瓦，約占總容量

的77.82%,同比增長23.7%。我國核電總裝機容量為684萬千瓦，占全國總裝機容量的比例還不足2%。

當前，在全球經(jīng)濟發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張制約了國民經(jīng)

濟的增長，而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著重大影響。

能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高極為重要。在高速增長的經(jīng)

濟環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨著經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有文獻表明，受資金、技術、能源價格

的影響，中國能源利用效率比發(fā)達國家低得多。對能源的有效利用在我國已非常迫切。作為能源消耗大戶

之一的電機在節(jié)能方面大有潛力可挖。

雖然我國人均能源資源占有量遠比世界平均值低，但我國是世界上單位GDP能耗最高的國家之一。

2004年，我國單位GDP能耗是美國的4倍、德國的7倍、日本的11倍，我國的經(jīng)濟總量在世界上排名是

第七，而電力消耗卻位居第二，卻僅次于美國。能耗過大已經(jīng)成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展中面臨的一個突出問

題。，因此，在國家“十五”規(guī)劃中，電機系統(tǒng)在節(jié)能方面的投入將高達500億元左右，所以變頻調速系統(tǒng)在

我國將有非常巨大的市場需求。

黨的十六屆五中全會提出“2010年人均國內生產(chǎn)總值比2000年翻一番。單位國內生產(chǎn)總值能源消耗

比“十五”期末降低20%左右”的目標，這一目標是十一五規(guī)劃的約束性指標，具有法律效力。這是建設

資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的和諧社會的重大舉措，也是實現(xiàn)黨的十六大提出全面建設小康社會的根本保證。

2006年我國萬元GDP能源消耗僅同比下降了1.23%o要實現(xiàn)"十一五''規(guī)劃的目標節(jié)能指標，任務還十分

艱巨。

市場調查顯示，電力行業(yè)2003年的變頻器市場規(guī)模就達到2.5億元。2003年變頻器在紡織與化纖行

'業(yè)的市場規(guī)模超過了10億元。此外，在食品、飲料、包裝、造紙、機床、電梯等行業(yè)，國內企業(yè)也需要

擴大生產(chǎn)規(guī)模，提高生產(chǎn)技術，因此變頻調速技術廣闊的應用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

第一講變頻調速技術及產(chǎn)生背景

近10年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，電氣傳動技術面臨著一場

歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。電機交流

變頻調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變

頻調速以其優(yōu)異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點

而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。現(xiàn)在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調

速技術的工作。

近年來交流調速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調速技術。變頻調速是交流調速的基礎和主干內容。

上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻

率一直是固定的，變頻調速技術的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。

1.1變頻調速技術的概念

變頻調速技術是一種以改變電機供電電源頻率和電壓來達到電機調速目的的技術。

電氣傳動控制系統(tǒng)通常山電動機、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關系到合理地使用電動

機以節(jié)約電能和控制機械的運轉狀態(tài)（位置、速度、加速度等），實現(xiàn)電能-機械能的轉換，達到優(yōu)質、高

產(chǎn)、低耗的目的。

電氣傳動分成不調速和調速兩大類，調速分為電氣調速和機械調速，電氣調速又分為交流調速和直流

調速兩種方式。不調速電動機直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術的發(fā)展這類原本不調速的機械越來越

多地改用調速傳動以節(jié)約電能（節(jié)約15%?20%或更多），改善產(chǎn)品質量，提高產(chǎn)量。在我國60%的發(fā)電

量是通過電動機消耗的，因此調速傳動是一個重要行業(yè)，一直得到國家重視，目前已有一定規(guī)模。

目前，無論哪種電氣調速，都是通過電機來實現(xiàn)的。從大范圍來分，電機有直流電機和交流電機。過

去的調速，多數(shù)用直流電機，直流電動機雖有調速性能好的優(yōu)越，但也有一些固有的難于克服的缺點，主

要是機械式換向器帶來的弊端。其缺點是：①維修工作量大，事故率高；②容量、電壓、電流和轉速的上

限值，均受到換向條件的制約，在一些大容量、特大容量的調速領域中無法應用；③使用環(huán)境受限，特別

是在易燃易爆場合難于應用。而交流電動機有一些固有的優(yōu)點：①容量、電壓、電流和轉速的上限，不像

直流電動機那樣受限制；②結構簡單、造價低：③堅固耐用，事故率低，容易維護。它的最大缺點是調速

困難，簡單調速方案的性能指標不佳。隨著交流電動機調速的理論問題的突破和調速裝置（主要是變頻器）

性能的完善，交流電動機調速性能差的缺點已經(jīng)得到了克服。目前，由于變頻調速技術的應用，交流調速

系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流調速系統(tǒng)相匹敵，甚至可以超過直流系統(tǒng)。

1.2幾種交流調速方式的比較

交流電動機大多數(shù)調速方案的基本原理很早以前就已經(jīng)確立了。在變頻調速技術出現(xiàn)以前，人們?yōu)榱?/p>

實現(xiàn)籠式交流電機調速，也做過長期不懈的努力，因而就出現(xiàn)了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串

電阻調速、串級調速、液力偶合調速等交流調速方式。但這些交流調速方式都只能在針對某用途，在一

定的條件下使用于特定場合。

從節(jié)能的角度，交流電動機的調速裝置可以分為高效調速裝置和低效調速裝置兩大類。高效調速裝置

的特點是：調速時基本保持額定轉差，不增加轉差損耗，或可以將轉差功率率回饋至電網(wǎng)。低效調速裝置

的特點是：調速時改變轉差，增加轉差損耗。

1、具體的交流調速裝置的分類如下：

(1)高效調速包括：

①變極對數(shù)調速——鼠籠式電機

②變頻調速——鼠籠式電機

③審級調速——繞線式電機

④無換向器電機調速——同步電機

(2)低效調速包括：

①定子調壓調速——鼠籠式電機

②電磁滑差離合器調速——鼠籠式心機

③轉子串電阻調速——繞線式心機

2、各種調速裝置的特點

(1)變極對數(shù)調速

優(yōu)點：①無附加差基損耗，效率高；

②控制電路簡單，易維修，價格低；

③與定子調壓或電磁轉差離合器配合可得到效率較高的平滑調速。

缺點：①有級調速，不能實現(xiàn)無級平滑的調速。且由于受到電機結構和制造工藝的限制，通常只能

實現(xiàn)2-3種極對數(shù)的有級調速，調速范圍相當有限。

(2)變頻調速

優(yōu)點：①無附加轉差損耗，效率高，調速范圍寬；，

②對于低負載運行時間較長、起停運行較頻繁的場合，可以達到節(jié)電和保護電機的目的。

缺點：①技術較復雜，價格較高。

(3)無換向器電機調速

優(yōu)點：①具有交流同步電動機結構簡單和直流電動機良好的調速性能：

②低速時用電源電壓、高速時用電機反電勢自然換流，運行可靠；

③無附加轉差損耗，效率高，適用于高速大容量同步電動機的啟動和調速

缺點：①過載能力較低，原有電機的容量不能充分發(fā)揮。

(4)串級調速

優(yōu)點：①可以將調速過程中產(chǎn)生的轉差能量加以回饋利用效率高；

②裝置容量一與調速范圍成正比，適用于70%?95%的調速。

缺點：①功率因數(shù)較低，有諧波干擾，正常運行時無制動轉矩，適用于單象限運行的負載

(5)定子調壓調速

優(yōu)點：①線路簡單，裝置體積小，價格便宜；

②使用維修方便。

缺點：①調速過程中增加轉差功率，且此功率全部用于轉子發(fā)熱，效率較低；

②調速范圍比較小：

③要求采用高轉差電機，比如特殊設計的力矩電機，所以特性較軟，一般適用于55kW以下

的異步電動機。

(6)電磁轉差離合器調速

優(yōu)點：①結構簡單，控制裝置容量小，價值便宜。

②運行可靠，維修容易。

③無諧波干擾。

缺點：①速度損失大，因為，電磁轉差離合器本身轉差較大，所以輸出軸的最高轉速僅為電機同步

轉速的80%?90%：

②調速過程中轉差功率全部轉化成熱能形式的損耗，效率低.

(7)轉子串電阻調速

優(yōu)點：①技術要求較低，易于掌握；

②設備費用低；

③無電磁諧波干擾。

缺點：①串鑄鐵電阻只能進行有級調速。若用液體電阻進行無級調速，則維護保養(yǎng)要求較高；

②調速過程中附加的轉差功率全部轉化為所串電阻發(fā)熱形式的損耗，效率低。

③調速范圍不大。

綜上所述，交流電動機最理想的調速方法應該是改變電動機供電電源的頻率，這就是變頻調速。隨著

力電子技術的飛速發(fā)展變頻調速的性能指標完全可以達到甚至超過直流電動機調速系統(tǒng)。

1.3變頻調速技術的三大優(yōu)點

1.具有顯著的節(jié)電效果。

由于采用變頻調速后，風機、泵類負載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達到20%?60%,這是因為風機

水泵的耗用功率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、水泵的轉速較低，其節(jié)能

效果也是十分可觀的。而傳統(tǒng)的擋板和法門進行流量調節(jié)時，耗用功率變化不大。由于這類負載很多，約

占交流電動機總容量的20%?30%,它們的節(jié)能就具有非常重要的意義。

對于一些在低速運行的恒轉矩負我，如傳送帶等，變頻調速也可節(jié)能。除此之外，原有調速方式耗能

較大者(如繞線轉子電動機等)，原有調速方式比較龐雜，效率較低者(如龍門刨床等)，采用了變頻調速

后，節(jié)能效果也很明顯。

3.具有卓越的調速性能。

高速響應、低噪聲、大范圍、高精度平滑無級調速。變頻調速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉。只需要

改變變頻器內部逆變管的開關順序，即可實現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。變頻

調速系統(tǒng)起動大都是從低速開始，頻率較低。力FI、減速時間可以任意設定，故加、減速時間比較平緩，起

動電流較小，可以進行較高頻率的起停。

變頻調速系統(tǒng)制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上，也可

回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。除此之外，變頻器還具有直流制動功能，需

要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路。

3.在國民經(jīng)濟各領域的廣泛適用性。

變頻調速除了在風機、泵類負載上的應用以外，還可以廣泛應用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等

各種機械設備控制領域。它可以提高奇特的產(chǎn)成品率，延長設備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控

制系統(tǒng)得以簡化，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控制水平。

山于變頻調速技術的三大優(yōu)點，使變頻調速技術為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量

提供了至關重要的手段。

既然變頻調速技術有以上優(yōu)點，那么怎樣實現(xiàn)變頻調速呢？實現(xiàn)變頻調速的裝置一變頻調速器(簡

稱變頻器。

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，其

中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行

平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速

的目的。

1.4變頻調速技術是時代的產(chǎn)物

到20世紀80年代，由于電力電子技術，微電子技術和信息技術的發(fā)展，才出現(xiàn)了對交流機來說最好

的變頻調速技術，它力;現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調速方式，乃至直流電機調速，而成

為電氣傳動的中樞。因而說變頻調速是時代的產(chǎn)物，只有在技術高度發(fā)展的今天才能實現(xiàn)。

1.是電力電子技術發(fā)展的結果

主電路功率元件技術的進展指開關元件的自關斷化、模塊化、集成化和智能化，開關頻率不斷提高，

開關損耗將進一步降低。電力電子技術是現(xiàn)代電子學的重要分支，是一門研究如何利用電力電子器件對電

能進行控制、變換和傳輸?shù)膶W科。電力電子器件是電力電子技術的物質基礎和技術關鍵。

主電路功率元件是變頻調速技術發(fā)展最重要的物質基礎，主電路功率元件技術的迅猛發(fā)展，促使變頻

調速技術水平有了突破性的提高.沒有功率元件技術的發(fā)展，就沒有今天的高水平變頻調速技術。主電路

功率元件，相當于信號電路中的A/D采樣，稱之為功率采樣，器件的工作過程就是能量過渡過程，其可

靠性決定了系統(tǒng)的可靠性。目前，根據(jù)可控程度，主電路功率元件分成四代產(chǎn)品：

(1)第一代主電路功率元件一半控型器件

上世紀50年代，美國通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管問世，它標志著電力電子技術的開端。此后，晶

閘管(SCR)的派生器件越來越多，到了上世紀70年代，已派生了快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、

不對稱晶閘管等半控型器件，且功率越來越大，性能日益完善。但因晶閘管本身工作頻率較低，一般低于

400HZ,大大限制了它的應用。此外，關斷這些器件，需要強迫換相電路，使得整體重量和體積增大，效

率和可靠性降低。目前，國內生產(chǎn)的電力電子器件仍以晶閘管為主。

(2)第二代主電路功率元件一全控型器件

隨著關鍵技術的突破以及需求的發(fā)展，早期的小功率、低頻、半控型器件發(fā)展到了現(xiàn)在的超大功率、

高頻、全控型器件。由于全控型器件能控制開通和關斷，大大捉高了開關控制的靈活性。自上世紀70年

代后期以來，可關斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR或BJT)及其模塊相繼實用化。

(3)第三代主電路功率元件一復合場控器件

上世紀80年代末和90年代初發(fā)展起來的功率半導體復合器件，以功率MOSFET和IGBT為代表，集

高頻、高壓和大電流等特性于一身，它表明了傳統(tǒng)電力電子技術已進入現(xiàn)代電力電子時代。這些器件主要

有電力場控晶體管，即功率金屬一氧化物一半導體場效應晶體管(MOS-FET)、絕緣柵極雙極晶體管，(IGT

或IGBT)、靜電感應晶體管(SIT)和靜電感應晶閘管(SITH)等。

晶閘管作為最早的電力電子元件自上世紀60年代問世以來，至今其功率容量已提高了近300000%,

許多國家正能穩(wěn)定生產(chǎn)中100mm,8000V/4000A的晶閘管。盡管有自關斷能力的電子電子器件的發(fā)展使晶

閘管的應用領域有所減小，但因它的高電壓、大電流特性，在大功率直流驅動和大功率高電壓的變頻調速

驅動應用中仍占有不可動搖的地位。自第二代GTR,MOSFET至第三代IGBT為代表的電力半導體器件的

發(fā)展中，除了自關斷能力外，一個顯著的特點是元件的開關頻率不斷提高，元件的通態(tài)壓降不斷降低，使

電機控制性能有了很大的提高。例如，采用GTR做成的通用型變頻器，其GTR的開關頻率約為2kHz,

變頻器輸出的最低工作頻率約為3Hz,最高頻率約為120Hzo而采用IGBT做成的通用型變頻器，IGBT的

開關頻率約達20kHz,變頻器的最低輸出頻率可達0.5Hz,最高工作頻率可達400—500Hz。用它控制電

機運行，則噪聲更小，電機運行更平穩(wěn)。

這些高性能的開關元件問世是現(xiàn)代最新的矢量變換捽制用于中小功率、高性能變頻調速系統(tǒng)的保證。

(4)第四代主電路功率元件一功率集成電路(PIC)

進入21世紀后，可以預期還會出現(xiàn)新的更高性能的主電路功率元件，已有的各代電力電子元件還會

不斷得以改進和提高。此外，一個新的發(fā)展動向值得注意，那就是大功率元件向集成化、智能化方向的發(fā)

展；智能功率模塊(IPM)是向第四代器件功率集成電路(PIC)發(fā)展的過渡產(chǎn)品。它是微電子技術與電力電子

技術相結合的產(chǎn)物。它不僅具備提供一定的功率輸出能力，且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護和自診

斷等功能，而且內含驅動電路、保護電路，可實現(xiàn)過流、短路、欠壓和過壓等保護，還可實現(xiàn)電機的再生

制動。外界只需提供PWM信號給智能功率模塊，就能實現(xiàn)以往復雜的主電路及其外圍電路的功能。

主電路功率元件正進入以新型器件為主的新時代，作為電力電子技術發(fā)展的決定性因素，電力電子器

件的研發(fā)及關鍵技術突破，必然會促進電力電子技術的迅速發(fā)展，進而促進變頻調速技術的迅速發(fā)展。

如上所述，電力電子器件(即通常所說的電力半導體器件)，種類繁多，發(fā)展迅速，技術內涵相當豐

富。在電氣傳動中，它主要用于開關工作狀態(tài)。總體上,可以從三個角度出發(fā)對其進行分類。如圖1-2所

示的電力電子器件“樹下面的分類是針對三端器件而

言的。

根據(jù)器件的開關特性可以分成為兩大類型：半控型

器件和全控型器件。通過門極信號只能控制其導通而不

能控制其關斷的器件稱為半控型器件；通過門極信號既

能控制其導通又能控制其關斷的器件，稱為全控型器件。

普通晶閘管(SCR)及其派生器件，如逆導晶閘管(RCT)、

不對稱晶閘管(ASCR)、和雙向晶閘管(TRIAC)為半控型

器件。其余三端器件均為全控型器件。圖1-1所示的電力電子器件“樹”

根據(jù)半導體器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況，眾多的電力電子器件可以分成單極型、

雙極型和混合型三種類型。凡由一種載流子參與導電的稱為單極型器件，圖中功率MOSFET、靜電感應晶

體管(SIT)屬單極型器件；凡由電子和空穴兩種載流子參與導電的稱為雙極型器件，圖中PN結整流管、普

通晶閘管及其派生器件、雙極晶體管(BJT)等屬于雙極型器件，值得強調的是靜電感應晶閘管(SITH)也是雙

極型器件（與SIT不同）；由單極型和雙極型兩種器件組成的復合器件稱為混合型器件，圖中絕緣柵雙極型

晶體管（1GBT）和MOS門極晶閘管（MCT）屬于混合型器件。

除上述兩種分類方法外，根據(jù)控制極（包括門極、柵極或基極）信號的不同性質，電力電子器件還被分

成電流控制型和電壓控制型兩種類型。電流控制型器件一般通過從控制極注入或抽出控制電流的方式來實

現(xiàn)對導通或關斷的控制；而電壓控制器件是指利用場控原理控制的電力電子器件，其導通或關斷是由控制

極上的電壓信號控制的，控制極電流極小。

圖1—2所示的“樹”中，單極性器件MOSFET和SIT都是電壓控制型的。雙極型器件基本上是電流控

制型的（僅SITH屬電壓控制型）。

單極型器件只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導電，是電壓控制型器件，具有控制功率小、驅動電路

相對簡單、工作頻率高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著特點，其缺點是通態(tài)壓降大、導通損耗大。

雙極型器件中兩種載流子都參與導電，具有通態(tài)壓降小、導通損耗小的顯著特點，多數(shù)屬于電流控制

型，其缺點是控制功率大、驅動電路較復雜、工作頻率較低、有二次擊穿問題等。

混合型器件又稱復合型器件，是人們在比較單極型和雙極型的優(yōu)缺點之后，基于兩者互為短長的事實

取兩者所長而制成的一類新型器件。利用雙極型器件作為它的輸出級，而利用單極性器件作為它的輸入級,

所得到的復合器件發(fā)揚了兩者的優(yōu)點，摒棄了兩者的缺點，成為一代新型的場控復合器件。其典型代表就

是IGBT和MCTo

目前，通用變頻器中所用主開關器件基本上是BJT和IGBT。由于1GBT性能優(yōu)于BJT,而其電壓、

電流指標也己超過了BJT,為此IGBT正在取代BJT成為一種應用前景十分廣闊的場控電力電子器件。使

用IGBT的通用變頻器的單機容量已達1500kw。近年采，又推出了IGBT的新系列，即智能功率模塊

（IntelligentPowerModule——IPM）。很多變頻器廠商開始推出小容量的采用IPM的通用變頻器。

2.是微電子技術發(fā)展的結果

微處理器技術的進步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向。變頻調速控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng)，需要存

儲多種數(shù)據(jù)，并快速實時處理大量信息。最初的變頻調速控制都是采用分立元件的模擬電路，后來隨著電

子技術的進步，一些集成電路甚至專用集成電路被大量引用。這些電路大多為模擬數(shù)字混合電路，它大大

提高了變頻調速的可靠性和抗干擾能力，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了研制費用。

微處理器技術的進步，使硬件簡化；柔性的控制算法，使控制具有很大的靈活性，可實現(xiàn)復雜的控制

規(guī)律，使現(xiàn)代控制理論在運動控制系統(tǒng)中的應用成為現(xiàn)實；易于與上層系統(tǒng)連接進行數(shù)據(jù)傳輸，便于故障

診斷，加強保護和臨視功能，使系統(tǒng)智能化（如有些變頻器具有自調整功能）。

變頻器可以通過模擬量（0?5V、0?10V、4-20mA）接口、RS485、CAN—BUS等各種通訊接

口和儀表、計算機、可編程序控制器、DCS相接，通過總線Profibus、Interbus通訊。具有遠程控制的功

能，容易對系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。

從上世紀70年代早期開始，微處理器性能的提升就基本上遵循著IT界著名的摩爾定律。這意味著在

過去的30多年里每18個月，CPU的計算能力就會翻番。大到巨型機，小到個人便攜電腦，持續(xù)高速發(fā)展

的微處理器取代了諸多其他計算形式而成為各個類別、各個領域所有計算機系統(tǒng)的計算動力之源。

前10年，市場上較通用的變頻器大多采用單片機來控制，應用較多的是8096系列產(chǎn)品。但單片機的

處理能力有限，對采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實時性和精度要求高，單片機往

往不能滿足要求。近年來，各種集成化的單片DSP的性能得到很大改善，軟件和開發(fā)工具也越來越多，越

來越好，而價格卻大幅度降低，目前低端產(chǎn)品已接近單片機的價格水平，而其比單片機具有更高的性能價

格比。從而使DSP器件及技術更容易使用，價格也能為廣大用戶所接受。越來越多的單片機用戶開始選用

DSP器件來提高產(chǎn)品性能，DSP器件取代高檔單片機的時機也已成熟。

與單片機相比DSP器件具有較高的集成度。DSP具有快的CPU,更大容量的存儲器，內置有波特率

發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標準異步串口。有的片內集成了A/D和采樣/保持電路,

可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡指令系統(tǒng)計算機(RISC)器件，大多數(shù)指令都能在一個

指令周期內完成，并且通過并行處理技術，使一個指令周期內可完成多條指令。DSP具有獨立的程序和數(shù)

據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。內置高速的硬件乘法器，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。而單

片機為復雜指令系統(tǒng)計算機(CISC),多數(shù)指令要2?3個指令周期來完成，速度比較慢。DSP器件運算功

能強，而單片機的事務處理能力強。DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換

和濾波器的運算速度。

近幾年來，國外各大公司紛紛推出以DSP(數(shù)字信號處理器)為基礎的內核，配以電機控制所需的外圍

功能電路，集成在單一芯片內的稱為DSP單片電機控制器，價格大大降低，體積縮小，結構緊湊，使用便

捷，可靠性提高。DSP和普通的單片機相比，處理數(shù)字運算能力增強1000%?1500%,以確保變頻調速系

統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。

3.是控制理論發(fā)展的結果

變頻調速控制理論技術的進展主要體現(xiàn)在由標量控制向高功態(tài)性能的矢量控制與直接轉矩控制發(fā)展

和開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉矩控制系統(tǒng)方面。

在變頻調速系統(tǒng)出現(xiàn)的初期，其控制技術是采用電壓頻率協(xié)調控制(即V/f為常數(shù))。此種控制技術有

開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。采用開環(huán)時用于般生產(chǎn)機械，但靜態(tài)和動態(tài)性能都不太理想，采用閉環(huán)則可改善

系統(tǒng)性能。

后來，一些研究者提出了轉差頻率控制方法。采用這種控制技術使得變頻調速系統(tǒng)在一定的程度上改

善了靜態(tài)和動態(tài)性能，使之接近于直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，但是，還是不能滿足高性能調速系統(tǒng)的要求。

改善調速系統(tǒng)動態(tài)性能的關鍵在于如何實現(xiàn)轉矩控制。上世紀70年代異步電機矢量變換控制方法提

出，至今已獲得了迅猛的發(fā)展。

這種理論的核心是將一臺交流電機等效為直流電機來控制，因而獲得了與直流調速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的動

態(tài)性能，這種理論的主要思想是將異步電機模擬成直流電機，通過坐標變換的方法，分別控制電機的勵磁

電流分量與轉矩電流分量，從而獲得與直流電機一樣的良好的動態(tài)調速特性。因為這種方法采用了坐標變

換，需進行快速、復雜的數(shù)學運算，所以對控制器的運算速度、處理能力等要求較高，微型計算機技術的

發(fā)展為矢量變換控制的實現(xiàn)提供了良好的外部條件。近年來，經(jīng)過各國科技工作者的努力，矢量變換控制

的變頻調速方法已廣泛用于電氣傳動系統(tǒng)中。

近10多年來，各國學者和研究部門致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測定子電壓、電流

等，容易測量的物理量進行速度估算，以取代速度傳感器，提高控制系統(tǒng)的可靠性，降低成本，目前已研

究出無度傳感器矢量控制系統(tǒng)的實用產(chǎn)品。

近幾年來，智能控制研究很活躍，并在許多領域獲得了應用。典型的如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和基

于專家系統(tǒng)的控制。比較成熟的是模糊控制，它具有不依賴被控對象精確的數(shù)學模型、能克服非線性因素

的影響等優(yōu)點。模糊控制已在交流調速系統(tǒng)中取得了滿意的效果。

它的典型應用有基于模糊邏輯的異步電機效率優(yōu)化控制；基于模糊邏輯的智能逆變器的研究等。智能

控制正在顯示出其實現(xiàn)變頻調速的智能化自適應控制的巨大希望所在，有研究結果表明，有效利用智能控

制技術，可使變頻調速系統(tǒng)做到高效、自適應、自診斷、自保護、動態(tài)性能優(yōu)良。變頻調速技術每次大

的發(fā)展都有理論方面的突破。

今后相當一段時間內還會是將現(xiàn)有的各種理論加以結合，互相取長補短，或都將其它學科的理論、方

法引入電機控制，走交叉學科的道路。

1.5變頻調速技術的主要發(fā)展方向及關鍵技術

1.主要發(fā)展方向

（1）實現(xiàn)高水平的控制。基于電動機和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控

制和機械扭振補償?shù)龋换诂F(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、采用微分幾

何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等；基

于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術等。

（2）開發(fā)清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數(shù)為1,網(wǎng)側和負載側有盡可

能低的諧波分量，以減少對電網(wǎng)的公害和電動機的轉矩脈動。對中小容量變流器，提高開關頻率的PWM

控制是有效的。對大容量變流器，在常規(guī)的開關頻率下，可改變電路結構和控制方式，實現(xiàn)清潔電能的變

換。

（3）縮小裝置的尺寸。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率

模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電

容器。功率器件冷卻方式的改變（如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管）對縮小裝置的尺寸也很有效。

（4）高速度的數(shù)字控制。以32位高速微處理器為基礎的數(shù)字控制模板有足夠的能力實現(xiàn)各種控制算

法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術也有很大的發(fā)展。

（5）模擬與計算機輔助設計（CAD）技術。電機模擬器、負載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變

頻器的設計和測試提供了強有力的支持。

2.主要的研究內容及關鍵技術

（1）高壓、大電流技術：動態(tài)、靜態(tài)均壓技術（6kV、10kV回路中3英寸晶閘管串聯(lián)，靜動態(tài)均壓

系數(shù)大于0.9）；均流技術（大功率晶閘管并聯(lián)的均流技術，均流系數(shù)大于0.85）；浪涌吸收技術（10kV、

6kV回路中）；光控及電磁觸發(fā)技術（電/光，光/電變換技術）；導熱與散熱技術（主要解決導熱及散熱

性好、電流出力大的技術，如熱管散熱技術）；高壓、大電流系統(tǒng)保護技術（抗大電流電磁力結構、絕緣

設計）；等效負載模擬技術。

（2）新型電力電子器件的應用技術：可關斷驅動技術；雙PWM逆變技術；循環(huán)變流/電流型交-直

-交變流技術（12脈波變頻技術）；同步機交流勵磁變速運行技術；軟開關PWM變流技術。

（3）全數(shù)字自動化控制技術：參數(shù)自設定技術；過程自優(yōu)化技術；故障自診斷技術；對象自辨識技

術。

（4）現(xiàn)代控制技術：多變量解耦控制技術；矢量控制和直接力矩控制技術；自適應技術。

第二講變頻器的簡單原理及分類

2.1變頻器發(fā)展概況

經(jīng)過大約30年的發(fā)展，目前交流調速電氣傳動已經(jīng)上升為電氣調速傳動的主流。在電氣調速傳動領

域內，由直流電動機占統(tǒng)治地位的局面已經(jīng)受到了猛烈的沖擊。可以相信，在不久的將來交流調速電氣傳

動將會完全取代直流調速電氣傳動。

目前，從數(shù)百瓦級的家用電器直到數(shù)千千瓦級乃至數(shù)萬千瓦級的調速傳動裝置，可以說無所不包的都

可以用交流調速傳動方式來實現(xiàn)。交流調速傳動己經(jīng)從最初的只能用于風機'泵類的調速過渡到針對各類

高精度、快響應的高性能指標的調速控制。從性能價格比的角度看，交流調速裝置已經(jīng)優(yōu)于直流調速裝置。

目前人們所說的交流調速傳動，主要是指采用電子式電力變換器對交流電動機的變頻調速傳動。除變

頻以外的另一些簡單的調速方案，例如變極調速、定子調壓調速、轉差離合器調速等，雖然仍在特定場合

有一定的應用，但由于其性能較差，終將會被變頻調速所取代。

2.1.1交流調速裝置的大容量化

對一些大型生產(chǎn)機械的主傳動，直流電動機在容量等級方面已接近極限值，采用直流調速方案無論在

設計和制造上都已十分困難。某些大容量高速傳動，過去只能采用增速齒輪或是直接以汽輪機傳動，噪聲

大，效率低，占地面積大。特大容量交流傳動裝置一高壓變頻器的發(fā)展，填補了這方面的空白。

80年代初采用BJT的PWM變頻器實現(xiàn)了通用化。到了90年代初BJT通用變頻器的容量達到600kVA,

400kVA以下的已經(jīng)系列化。前幾年主開關器件開始采用IGBT,僅三四年的時間，IGBT變頻器的單機容

量已達1800kVA(適配1500kW電動機)，隨著IGBT容量的擴大，通用變頻器的容量將隨之擴大。

2.1.2開關器件的自關斷化

近十幾年，大功率自關斷電力電子器件的發(fā)展十分迅速。其中門極關斷(GTO)晶閘管、大功率晶體管

(BJT)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的發(fā)展最快，實用化的程度也最高。采用自關斷器件省去了線路復雜、

體積較大的強迫換相電路，既可以減小裝置體積，又降低了開關損耗提高了效率。同時，由于開關頻率的

提高，變流器可采用PWM控制，既降低諧波損耗、減小轉矩脈動，又可以提高快速性、改善功率因數(shù)。

優(yōu)點是很多的。

據(jù)統(tǒng)計，目前變頻器中的開關器件，在容量為1500kW以下的采用IGBT；1000~7500kW的采用GTO；

1975年前后還是普通晶閘管的一統(tǒng)天下，如今已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。隨著自關斷器件性能的改善和新型

器件的開發(fā)，變頻器主開關器件自關斷化的進程必將進一步向前推進。

2.1.3變頻裝置的多功能化和高性能化

早期的變頻調速系統(tǒng)，基本上是采用U//控制方式，無法得到快速的轉矩響應，低速特性也不好(負

載能力差)。1971年德國西門子公司發(fā)明了所謂“矢量控制”技術。一改過去傳統(tǒng)方式中對交流電量的量值(電

壓、電流、頻率的量值)進行控制的方法，實現(xiàn)了在控制量值的同時也控制其相位的新控制思想。使用坐標

變換的辦法，實現(xiàn)定子電流的磁場分量和轉矩分量的解耦控制，可以使交流電動機像直流電動機一樣具有

良好的調速性能。

多年來，人們圍繞著矢量控制技術做了大量的工作，如今矢量控制這?新的交流電動機調速原理得到

了廣泛的實際應用，并相應地形成了許多系列化的實際裝置。其性能指標已經(jīng)完全可以做到與直流調速系

統(tǒng)一樣，甚至有所超過，完全可以取代直流調速系統(tǒng)。

電力電子器件和控制技術的不斷進步，使變頻器向多功能化和高性能化方向發(fā)展。特別是微機的應用，

以其精練的硬件結構和豐富的軟件功能，為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。

人們總結了交流調速電氣傳動控制的大量實踐經(jīng)驗，并不斷融人軟件功能。日益豐富的軟件功能使通

用變頻器的適應性不斷增強，僅舉幾例說明如下：轉矩提升功能使低速下的轉矩過載能力提高到150%,

使起動和低速運行性能得到很大的提高；轉差補償功能使異步電動機的機械特性，”=〃(T)的硬度甚至大

于工頻電網(wǎng)供電時的硬度，額定轉矩下的轉速降比無補償時減小1/3?2/3,提高了穩(wěn)態(tài)下的轉速穩(wěn)定度

(應該指出，這是用簡單的開環(huán)，控制達到的指標，并不需要閉環(huán)控制)；瞬時停電、短時過載情況下的平

穩(wěn)恢復功能防止了不必要的跳閘，保證了運行的連續(xù)性，這對某些不允許停車的生產(chǎn)工藝十分有意義；控

制指令和控制參數(shù)的設定，可山觸摸式面板實現(xiàn)，不但靈活方便，而且實現(xiàn)了模擬控制方式所無法實現(xiàn)的

功能，比如多步轉速設定、S形加減速和自動加減速控制等；故障顯示和記憶功能，使故障的分析和設備

的維修變得既準確又快速；靈活的通信功能，方便了與可編程序控制器或上位計算機的接口，很容易實現(xiàn)

閉環(huán)控制等等。這里不再一一列舉。可以這樣說，通用變頻器的多功能化和高性能化為用戶提供了?種可

能，即可以把原有生產(chǎn)機械的工藝水于“升級”，達到以往無法達到的境界，使其變成一種具有高度軟件控

制功能的新機種。

在一些軋鋼廠中，大型初軋機這類快速可逆系統(tǒng)，90年代初采用了交一交變頻矢量控制系統(tǒng)，到目

前又開始采用交一直一交電壓型變頻器的矢量控制系統(tǒng)。實踐證明，它完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求，達

到了已往直流調速系統(tǒng)的性能指標。

2.1.4PWM技術的應用

自關斷器件的發(fā)展為PWM技術鋪平了道路。目前幾乎所有的變頻調速裝置都采用這一技術。PWM

技術用于變頻器的控制，可以改善變頻器的輸出波形，降低電動機的諧波損耗，并減小轉矩脈動，同時還

簡化了逆變器的結構，加快了調節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。

PWM技術除了用于逆變器的控制，還用于整流器的控制。PWM整流器現(xiàn)己開發(fā)成功，利用它可以實

現(xiàn)輸入電流正弦和電網(wǎng)功率因數(shù)為k人們稱PWM整流器是對電網(wǎng)無污染的“綠色”變流器。

PWM波形的生成方法有多種多樣，有載波調制法、微機查表法(包括著名的諧波消去法及由此進化而

來的優(yōu)化法等)、實時計算法和自激振蕩法等。這些方法已趨成熟，在實際中均有應用。

2.1.5全數(shù)字控制技術的應用

各類電氣傳動裝置的控制器由模擬控制轉向全數(shù)字控制，已經(jīng)成為事實。交流調速傳動也不例外，采

用全數(shù)字控制方式的各類交流調速傳動控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，其性能也得到了很大的改善。

由變頻器供電的調速系統(tǒng)是一個快速系統(tǒng)，在使用數(shù)字控制時要求的采樣頻率較高，通常高于1kHz,

常需要完成復雜的操作控制、數(shù)學運算和邏輯判斷，所以要求單片機具有較大的存儲容量和較強的實時處

理能力。前段時間內，較為流行的方案是采用數(shù)片單片機來構成一個功能較強的全數(shù)字控制器。實用中單

片機的數(shù)量常根據(jù)具體任務適當選配。

全數(shù)字控制方式，使信息處理能力大幅度地增強。采用模擬控制方式無法實現(xiàn)的復雜控制在今天都已

成為現(xiàn)實，使可靠性、可操作性、可維修性，即所謂的RAS(Reliability,Availability,Serviceability)功能得

以充實。微處理機和大規(guī)模集成電路的引入，對于變頻器的通用化起到了決定性的作用。

全數(shù)字控制具有如下特點：

1.精度高數(shù)字計算機的精度與字長有關，變頻器中使用16位乃至32位微型機作為控制機，精度

在不斷提高。

2.穩(wěn)定性好由于控制信息為數(shù)字量，不會隨時間發(fā)生漂移。與模擬控制不同，它一般不會隨溫度

和環(huán)境條件發(fā)生變化。

3.可靠性高微型計算機采用大規(guī)模集成電路，系統(tǒng)中的硬件電路數(shù)量大為減少，相應的故障率大

大降低。

4.靈活性好系統(tǒng)中硬件向標準化、集成化方向發(fā)展，可以在盡可能少的硬件支持下，山軟件去完

成復雜的控制功能。適當?shù)匦薷能浖涂梢愿淖兿到y(tǒng)的功能或提高其性能。

5.存儲能力強存儲容量大，存放時間幾乎不受限制，這是模擬系統(tǒng)不能比擬的。利用這一特點可

在存儲器中存放大量的數(shù)據(jù)或表格，利用查表法簡化計算，提高運算速度。

6.邏輯運算能力強容易實現(xiàn)自診斷、故障記錄、故障尋找等功能，使變頻裝置可靠性、可使用性、

可維修性大大提高。

2.1.6變頻調速裝置應用領域不斷擴大

通用變頻器經(jīng)歷了模擬控制、數(shù)模混合控制直到全數(shù)字控制的演變，逐步地實現(xiàn)了多功能化和高性能

化，進而使之對各類生產(chǎn)機械、各類生產(chǎn)工藝的適應性不斷增強。最初通用變頻器僅用于風機、泵類負載

的節(jié)能調速和化纖工業(yè)中高速纏繞的多機協(xié)調運行等，到目前為止，其應用領域得到了相當?shù)臄U展。如搬

送機械，從反抗性負載的搬運車輛，帶式運輸機到位能負載的起重機、提升機、立體倉庫、立體停車場等

都已采用了通用變頻器；金屬加工機械，從各類切削機床直到高速磨床乃至數(shù)控機床、加工中心超高速伺

服機的精確位置控制都已應用通用變頻器；在其他方面，如農(nóng)用機械、食品機械、木工機械，印刷機械、

各類空調、各類家用電器甚至街心公園噴水池……，可以說其應用范圍相當廣闊，并且還將繼續(xù)擴大。

2.1.7變頻調速裝置的結構小型化

變頻器主電路中功率電路的模塊化、控制電路采用大規(guī)模集成電路(LSI)和全數(shù)字控制技術、結構設計

上采用“平面安裝技術”等一系列措施，促進了變頻電源裝置的小型化。以富士公司的變頻器為例，經(jīng)一次

改型.(由G5s到G7S)其裝置體積縮小了一半.另外，最新開發(fā)的一種混合式功率集成器件，采用厚薄膜

混合集成技術，把功率電橋、驅動電路、檢測電路、保護電路等封裝在一起，構成廠一種“智能電力模

塊”(IntelligentModule,IPM)這種器件屬于絕緣金屬基底結構，所以防電磁干擾能力強，保護電路和檢測

(傳感)電路與功率開關間的距離可以盡可能的小，因而保護迅速且可靠，傳感信號的響應也卜分迅速。由

于上述優(yōu)點，這種器件不久將來必將進人中功率以下的變頻裝置，并將進一步小型化和智能化。

2.2變頻器的簡單原理

在交流異步電動機的諸多調速方法中，變頻調速的性能最好，調速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率

高。采用通用變頻器對籠型異步電動機進行調速控制，由于使用方便、一可靠性高并且經(jīng)濟、效益顯著，

所以逐步得到推廣。

2.2.1變頻調速的基本控制方式

異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為

一

,n

式中—同步轉速(r/min)；P

，一定子頻率(Hz)；

%—磁極對數(shù)。

而異步電動機的軸轉速為

n=nx(1-s')='(1-s)(1)

n

P

式中S—異步電動機的轉差率，S=("|一〃)/"1。

山式(1)可知，電機轉速n與電源頻率力成正比，只要改變電源頻率/即可改變電動機的轉速，當頻率

力在0?50Hz的范圍內變化時，電動機轉速可在0?3()00r/min變化，調節(jié)范圍非常寬。變頻調速就是通過

改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調節(jié)的。當頻率的變化幅度很小時，宏觀上認為電機轉速的變化是連續(xù)的，

是無級差的。

對異步電動機進行調速控制時，希望電動機的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，

同樣的轉子電流下，電磁轉矩小，電動機的負載能力下降；磁通太強，則處于過勵磁狀態(tài)，使勵磁電流過

大，這就限制了定子電流的負載分量，為使電動機不過熱，負載能力也要下降。異步電動機的氣隙磁通(主

磁通)是定、轉子合成磁動勢產(chǎn)生的，下面說明怎樣才能使氣隙磁通保持恒定。

由電機理論知道，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值為

4=4.44/戶Q”

式中￡一定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的方均根值(V)；

工一定子頻率(Hz)；

N一定子相繞組有效匝數(shù)；

①〃,一每極磁通量(Wb)。

由上式可見，①”的值是由耳和/共同決定的，對耳和才進行適當?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐ㄖ?“

保持額定值不變。

2.2.2變頻器的基本構成

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器的全稱

為變頻調速器。

變頻器按變換的環(huán)節(jié)分為交一交和交一直一交兩種形式。交一交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率

可控制的交流，又稱直接式變頻器。而交一直一交變頻器則是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然

后再把直流電變換成頻率可控制的交流電，它又稱為間接式變頻器。

交-交變頻器：把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調的交流電源.其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)

節(jié)，故變換效率高，但其連續(xù)可調的頻率范圍窄，一般為額定頻率的1/2以下，故他主要用于容量較大的

低速拖動系統(tǒng)中。

交-直-交變頻器：先把頻率固定的交流電經(jīng)過整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調的三相

交流電。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較容易控制，因此在頻率的調節(jié)范圍，以及改善變頻后電動機

的特性等方面，都具有明顯的優(yōu)勢。目前迅速地普及應用的主要是這一種。

我們的目的是學習通用變頻器，所以以下主要講述交一直一交變頻器（以下簡稱為變頻器）。

變頻器的基本構成如圖2—1所示，由主電路（包括

網(wǎng)偵變通3SI中間直流環(huán)節(jié)m負載變流器n

整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成，分述

如下:M潦器

1、整流器電網(wǎng)側的變流器重是整流器，它的作用AC?

拌

制

制

指

是把三相（也可以是單相）交流電整流成直流電。拉

令

令

2、逆變器負載側的變流器II為逆變器。最常見的控M電珞

結構形式是利用六個半導體主開關器件組成的三相橋式

逆變電路。有規(guī)律地控制逆變器中主開關器件的通與斷,

可以得到任意頻率的三相交流電輸出。圖2—1變頻器的基本構成

3、中間直流環(huán)節(jié)由于逆變器的負載為異步電動機,屬于感性負載。無論電動機處于電動或發(fā)電制

動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為L因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功

能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)

節(jié)。

4、控制電路控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。

其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。控制方法可以采

用模擬控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計算機進行全數(shù)字控制，采用盡可能簡單的硬

件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式常可以完成模擬控制方式難以完

成的功能。

2.3變頻器的分類

這里主要就交一直一交變頻器（即間接式變頻器）按不同角度進行如F分類。

2.3.1按直流電源性質分類：

當逆變器輸出側的負載為交流電動機時，在負載和直流電源間將有無功功率的交換。用于緩沖無功功

率的中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件可以是電容或是電感，據(jù)此，變頻器分成電壓型變頻元器與電流型變頻器兩

大類。

1.電流型變頻器

電流型變頻器特