变频器简介及其工作原理 变频器的分类与工作原理

一、变频器的种类特点

1.1 变频器的种类

变频器的英文名称VFD或VVVF，它是一种利用逆变电路的方式将恒频恒压的电源编程频率和电压可变的电源，进而对电动机进行调速控制的电器装置。下图为变频器的实物外形。

变频器的种类很多，其分类方式也是多种多样，按照不同的分类方式，具体的类别也不相同。

1 按变换方式分类

变频器按照变换方式的不同主要分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。

如下图所示，交-直-交变频器又称间接式变频器，该变频器是先将工频交流电通过整流单元转换成脉动的直流电，再经过中间电路中的电容平滑滤波，为逆变电路供电，在控制系统的控制下，逆变电路将直流电源转换成频率和电压可调的交流电，然后提供给负载（电动机）进行变速控制。

如下图所示，交-交变频器又称直接式变频器，该变频器是将工频交流电直接转换成频率和电压可调的交流电，提供给负载（电动机）进行变速控制。

2 按电源性质分类

在交-直-交变频器中，根据中间电路部分电源性质的不同，又可将变频器分为电压型变频器和电流型变频器。

如下图所示，电压型变频器的特点是中间电路采用电容器作为直流储能元件，缓冲负载的无功功率。直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故电压型变频器常用于负载电压变化较大的场合。

如下图所示，电流型变频器的特点是中间电路采用电感器作为直流储能元件，用以缓冲负载的无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波。由于该直流内阻较大，可扼制负载电流频繁而急剧的变化，因此电流型变频器常用于负载电流变化较大的场合。

3 按用途分类

变频器按用途可分为通用变频器和专用变频器两大类。

通用变频器是指在很多方面具有很强通用性的变频器，简化了一些系统功能，并以节能为主要目的，多为中、小容量变频器，是目前工业领域中应用数量最多、最普遍的一种变频器，适用于工业通用电动机和一般变频电动机，一般由交流低压220V/380V（50HZ）供电，对使用的环境没有严格的要求，以简便的控制方式为主。

专用变频器是指专门针对某一方面或某一领域而设计研发的变频器，针对性较强，具有适用于所针对领域独有的功能和优势，能够更好地发挥变频调速的作用。

目前，较常见的专用变频器主要有风机专用变频器、电梯专用变频器、恒压供水（水泵）专用变频器、卷绕专用变频器、线切割专用变频器等。

除上述几种分类方式外，变频器还可以按照变频控制方式分为压/频控制变频器、转差率控制变频器、矢量控制变频器、直接转矩控制变频器等。

按调压方式主要分为PAM变频器和PWM变频器。PAM变频器是按照一定规律对脉冲列的脉冲幅度进行调制，控制其输出的量值和波形。实际上就是能量的大小用脉冲的幅度来表示，整流输出电路中增加绝缘栅双极性晶体管（IGBT），通过对该IGBT的控制改变整流电路输出的直流电压幅度（140-390V），这样变频电路输出的脉冲电压不但宽度可变，而且幅度也可变。

PWM变频器是按照一定规律对脉冲列的脉冲宽度进行调制，控制其输出量和波形。实际上就是能量的大小用脉冲的宽度来表示，此种驱动方式，整流电路输出的直流供电电压基本不变，变频器功率模块的输出电压幅度恒定，控制脉冲的宽度受微处理器控制。

按输入电流的相数分为三进三出、单进三出。其中，三进三出是指变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电，大多数变频器属于该类。单进三出是指变频器等输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，一般家用电器设备中的变频器为该类方式。

二、变频器的结构

下图为变频器的结构组成。从图中可以看到，变频器主要由操作显示面板、主电路接线端子、控制接线端子、控制逻辑切换跨接器、PU接口、电流/电压切换开关、冷却风扇及内部电路等构成。

1 操作显示面板

操作显示面板是变频器与外界实现交互的关键部分，目前多数变频器都是通过操作显示面板上的显示屏、按键或按钮、指示灯等进行相关参数的设置及运行状态的监视。下图为典型变频器的操作显示面板结构图。

2 接线端子

变频器的接线端子有两种：一种为主电路接线端子，一种为控制接线端子。其中电源侧的主电路接线端子主要用于连接三相供电电源，而负载侧的主电路接线端子主要用于连接电动机。下图为典型变频器的接线端子。

3 内部电路

变频器的内部电路主要是由整流单元（电源电路板）、控制单元（控制电路板）、其他单元（通信电路板）、高容量电容、电流互感器等部分构成的。下图为典型变频器的内部电路。

三、变频器的功能特点

变频器的作用是改变电动机驱动电流的频率和幅值，进而改变其他旋转磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，变频器与交流笼型异步电动机组合替代了大部分原来只能用直流电动机完成的工作，缩小了体积，降低了故障发生的概率，使传动技术发展到新阶段。

下图为变频器的功能原理图。由于变频器既可以改变输出的电压又可以改变频率（即可改变电动机的转速）。可实现对电动机的起动及对转速进行控制。

变频器用于将频率一定的交流电源，转换频率可变的交流电源，从而实现对电动机的起动、转速进行控制。变频器是将启停控制、变频调速、显示及按键设置功能、保护功能等于一体的控制装置。

1 启停控制功能

变频器受到起动和停止指令后，可根据预先设定的起动和停止方式控制电动机的起动与停机，其主要控制功能包含软启动控制、加/减速控制、停机及制动控制等。下图为变频器起动的特点。

2 变频调速功能

变频器的变频调速功能是其最基本的功能。在传统电动机控制系统中，电动机直接由工频电源（50HZ）供电，其供电电源的频率是恒定不变的，因此，其转速也是恒定的；在电动机的变频控制系统中，很容易实现电动机工作在不同电源频率下，从而自动完成电动机调速控制。

3 监控和故障诊断功能

变频器前面板上一般都设有显示屏、状态指示灯及操作按键，可用于对变频器各项参数进行设定以及对设定值、运行状态等进行监控显示。

大多数变频器内部设有故障诊断功能，该功能可对系统构成、硬件状态、指令的正确性等进行诊断。当发生异常时，会控制报警系统发出报警提示声，同时在显示屏上显示错误信息；当故障严重时则会发生控制指令停止运行，从而提高变频器控制系统的安全性。

4 保护功能

变频器内部设有保护电路，可实现对其自身及负载电动机的各种异常保护功能，其中主要实现过载保护和防失速保护。

5 通信功能

为了便于通信以及人机交互，变频器上通常设有不同的通信接口，可用于与PLC自动控制系统以及远程操作器、通信模块、计算机等进行通信连接。

四、变频电路的工作原理

4.1 变频电路中整流电路的工作原理

整流电路是一种把工频交流电源整流成直流电压的部分，在单相供电的变频电路中多采用单相桥式整流堆，可将220V工频交流电源整流为300V左右的直流电压；在三相供电的变频电路中一般是由三相整流桥构成的，可将380V的工频交流电源整流成500-800V直流电压。下图为变频器主电路部分的单相整流桥和三相整流桥。

4.2 变频器电路中中间电路的工作原理

变频器的中间电路包括平滑滤波电路和制动电路两部分。

1 平滑滤波电路

平滑滤波电路的功能是对整流电路输出的脉动电压或电流进行平滑滤波，为逆变电路提供平滑稳定的直流电压或电流。

下图为电容滤波电路。在电容滤波电路中，电容器接在整流电路的输出端，当整流电路输出的电压较高时，会对电容充电；当整流电路输出的电压偏低时，电容器会对负载放电，因而会起到稳压的作用，电容容量越大稳压效果越好。

下图为电感滤波电路。电感滤波电路是在整流电路的输入端接入一个电感量很大的电感线圈（电抗器）作为滤波元件。由于电感线圈具有阻碍电流变化的性能，当接通电源时，冲击电流首先进入电感线圈L，此时电感线圈会产生反电动势，阻止电流的增强，从而起到抗冲击的作用，当外部输入电源波动时，电流有减小的情况，电感线圈会产生正向电动势，维持电流，从而实现稳流作用。

2 制动电路

下图为变频器中的制动电路的工作原理。在变频器控制系统中，电动机由正常运转状态转入停机状态时需要断电制动，由于惯性电动机会继续旋转，在这种情况下由于电磁感应的作用会在电动机绕组中产生感应电压，该电压会反向送到驱动电路中，并通过逆变电路对电容器进行反充电。为防止反充电电压过高，提高减速制动的速度，需要在此期间由晶体管和制动电阻对电动机产生的电能进行吸收，从而顺利完成电动机的会自动过程。

4.3 变频电路中转速控制电路的工作原理

转速控制电路主要通过对逆变电路中电力半导体器件的开关控制，来实现输出电压频率发生变化，进而实现控制电动机转速的目的。转速控制电路主要有交流变频和直流变频两种控制方式。

1 交流变频

下图为交流变频的工作原理。

交流变频是把380/220V交流电转为直流电源，为逆变电路提供工作电压。逆变电路在变频器的控制下再将直流电逆变成交流电，该交流电再去驱动交流异步电动机。逆变的过程受转速控制电路的指令控制，输出频率可变的交流电压，使电动机的转速随电压频率的变化而相应改变，这样就实现了对电动机转速的控制和调节。

2 直流变频

下图为直流变频的工作原理。直流变频同样是把交流电转换为直流电，并送至逆变电路，逆变电路同样受到微处理器指令的控制。微处理器输出转速脉冲控制信号经逆变电路变成驱动电动机的信号，该电动机采用直流无刷电动机，其绕组为三相，特点是控制精度更高。

4.4 变频器中逆变电路的工作原理

逆变电路的工作过程实际就是将直流电压变为频率可调的交流电压的过程，即逆变过程。实现逆变功能的电路称为逆变电路或逆变器。

逆变电路的逆变过程可分解成三个周期。第一个周期是U 和V-两只IGBT导通；第二个周期是V 和W-两只IGBT导通；第三个周期是W 和U-两只IGBT导通。

1 U 和V-两只IGBT导通

下图为U 和V-两只IGBT导通周期的工作过程。

2 V 和W-两只IGBT导通

下图为V 和W-两只IGBT导通周期的工作过程。

3 W 和U-两只IGBT导通

下图为W 和U-两只IGBT导通周期的工作过程。

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