變頻器的基本組成與其工作原理

　　變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

　　我們使用的電源分為交流電源和直流電源，一般的直流電源大多是由交流電源通過變壓器變壓，整流濾波后得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95%左右。無論是用于家庭還是用于工廠，單相交流電源和三相交流電源，其電壓和頻率均按各國的規(guī)定有一定的標準，如我國大陸規(guī)定，直接用戶單相交流電壓為220V，三相交流電線電壓為380V，頻率為50Hz，其它國家的電源電壓和頻率可能與我國的電壓和頻率不同，如有單相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，標準的電壓和頻率的交流供電電源叫工頻交流電。通常，把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。

　　為了產生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變電源頻率和電壓可調的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調速用，又叫變頻調速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15－－20倍。變頻器也可用于家電產品。使用變頻器的家電產品中，不僅有電機（例如空調等），還有熒光燈等產品。

　　用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調節(jié)電源供電的頻率。變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電，在該項應用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再將直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

　　變頻器的基本組成：

　　變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。

　　整流單元：將工作頻率固定的交流電轉換為直流電。

　　高容量電容：存儲轉換后的電能。

　　逆變器：由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波。

　　控制器：按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅動交流電動機。

　　變頻器的工作原理：

　　變頻器是把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置，在實際的生產中有著十分廣泛的應用。那么變頻器的工作原理是什么呢？下面電工之家?guī)黄饋矸窒硪幌隆?/p>

　　它的主電路由三部分構成，即整流器、平波回路和逆變器，并一般分為電流型和電壓型。電壓型是將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。電流型是將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，將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產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。

　　整流器

　　最近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

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

　　逆變器

　　同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使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號的回路，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”，將運算電路的控制信號進行放大的“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：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，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。

　?。?）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）的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉。

　?。?）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)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，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

　　上圖就是變頻器控制電路的原理示意圖。上半部為主電路，下半部為控制電路。主要由控制核心CPU 、輸入信號、輸出信號和面板操作指示信號、存儲器、LSI電路組成。

　　外接電位器的模擬信號經模數(shù)轉換將信號送入CPU，達到調速的目的。外接的開關量信號也經由與非門送入控制CPU。

　　變頻器的控制方式與原理：

　　控制方式

　　1： VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的縮寫，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說的變壓變頻。

　　2： CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的縮寫，意為恒電壓、恒頻率，也就是人們所說的恒壓恒頻。

　　VVC的控制原理

　　在VVC中，控制電路用一個數(shù)學模型來計算電機負載變化時最佳的電機勵磁，并對負載加以補償。此外集成于ASIC電路上的同步60°PWM方法決定了逆變器半導體器件（IGBTS）的最佳開關時間。決定開關時間要遵循以下原則：

　　數(shù)值上最大的一相在1/6個周期（60°）內保持它的正電位或負電位不變。其它兩相按比例變化，使輸出線電壓保持正弦并達到所需的幅值（如下圖）

　　正弦控制PWM不同，VVC是依據(jù)所需輸出電壓的數(shù)字量來工作的。這能保證變頻器的輸出達到電壓的額定值，電機電流為正弦波，電機的運行與電機直接接市電時一樣。

　　由于在變頻器計算最佳的輸出電壓時考慮了電機的常數(shù)（定子電阻和電感），所以可得到最佳的電機勵磁。

　　因為變頻器連續(xù)的檢測負載電流，變頻器就能調節(jié)輸出電壓與負載相匹配，所以電機電壓可適應電機的類型，跟隨負載的變化。

　　VVC+的控制原理是將矢量調制的原理應用于固定電壓源PWM逆變器。這一控制建立在一個改善了的電機模型上，該電機模型較好的對負載和轉差進行了補償。因為有功和無功電流成分對于控制系統(tǒng)來說都是很重要的，控制電壓矢量的角度可顯著的改善0-12HZ范圍內的動態(tài)性能，而在標準的PWM U/F驅動中0-10HZ范圍一般都存在著問題。

　　利用SFAVM或60°AVM原理來計算逆變器的開關模式，可使氣隙轉矩的脈動很?。ㄅc使用同步PWM的變頻器相比）。用戶可以選擇自己最喜愛的工作原理，或者由逆變器依據(jù)散熱器的溫度來自動選擇控制原理。如果溫度低于75°C采用SFAVM原理來控制，當溫度高于75℃時就應用60°AVM原理。

　　以下給出這兩個原理的概要：

　　如下圖所示，電機模型為負載補償器和電壓矢量發(fā)生器分別計算額定的空載值ISX0，Isy0和I0，θ0。知道實際的空載值就有可能更準確地估計電機軸的負載轉矩。

　　與V/f控制相比，電壓矢量控制在低速時很有利，傳動的動特性可得到明顯的改善。此外因為控制系統(tǒng)能更好地估計負載轉矩，給出電壓和電流的矢量值，與標量（僅有大小的值）控制的情況相比，電壓矢量控制還能得到很好的靜態(tài)特征。