变频器是利用电力半导体器件的通断作用，将工作电源频率变换为另一频率的电能控制装置。

是一种通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

电气传动基础知识：

以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。

目的：根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩。

意义在于：

序号	意义	有代表意义的行业或设备
1	节能	风机、水泵、注塑机
2	提高产品质量	机床、印刷、包装等生产线
3	改善工作环境	电梯、中央空调

注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能。

电力传动系统运动方程式：

P 电机功率＝T 电机转矩 ×N电机速度×K常数

T 电机转矩＞T负载转矩→加速运行

T 电机转矩＜T负载转矩→减速运行

T 电机转矩＝T负载转矩→恒速运行

电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素，加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关。

速度模式：以保持转速恒定为目的，如常规调速系统（电梯、各类生产线）。控制设备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，恒速时电机转矩肯定等于负载转矩。

转矩模式：以控制电机转矩恒定为目的，如：开卷/收卷，恒速时电机转矩肯定等于负载转矩，但电机的运转速度不确定。

如果电机转矩始终大于负载转矩，则速度持续上升直至设备限速或损坏。

如果电机转矩始终小于负载转矩，则速度为0或最低（下限）速度。

为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护。

电气传动系统负载特性：

直流电气传动系统特点	交流电气传动系统特点
控制对象：直流电动机； 控制原理简单，一种调速方式； 性能优良，对硬件要求不高； 电机有换向电刷（换向火化）； 电机设计功率受限； 电机易损坏，不适应恶劣现场； 需定期维护。	控制对象：交流电动机 控制原理复杂，有多种调速方式； 性能较差，对硬件要求较高； 电机无电刷，无换向火化问题； 电机功率设计不受限； 电机不易损坏，适应恶劣现场； 基本免维护。

交流异步电机的机械特性公式：

n ＝60f/p(1-s)

n ：电机转速；

f ：给电机供电的交流电频率；

p ：电机极对数；

s ： 转差率 。

交流同步电机的机械特性公式：

n ＝60f/p

n ：电机转速；

f ：给电机供电的交流电频率；

p ：电机极对数。

在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用，三相交流 鼠笼电机 尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉，还是在一些性能较低的传动现场使用。

变频器：

变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency）

变频器的控制对象：三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极。

变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）：

序号	优点
1	平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全。
2	在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度。
3	无级调速，调速精度大大提高。
4	电机正反向无需通过接触器切换。
5	非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制。

变频器分类：

供电电源	低压	220V/1PH 、220V/3PH、380V/3PH
	高压	3000 、6000、10000V/3PH
控制算法	通用	内置V/F控制方式，简单，性能一般。
	高性能	内置矢量控制方式，复杂，高性能。
变换方法 （拓朴结构）	交直交	电压型（储能环节为电解电容）
		电流型(储能环节为电抗器）
	交交	无储能环节

注：交直交电压型变频器因结构简单，功率因素高，目前广泛使用；

常用设计功率在315KW。

交流低压交直交通用变频器系统框图：

整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波。

逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦。

单相逆变电路工作原理：

逆变器的功能：

通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率；

通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序。

三相逆变电路：

缺点：

输出电压的谐波分量太大；

电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机；

转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳；

直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题。

调制解调器：英文是 MODEM ，其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。电子信号分两种，一种是“模拟信号”，一种是“数字信号”。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时，就必须使用调制解调器来“翻译”两种不同的信号。连入Internet后，当PC机向Internet发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号“翻译”成模拟信号，才能传送到Internet上，这个过程叫做“调制”。当PC机从Internet获取信息时，由于通过电话线从 Internet传来的信息都是模拟信号，所以PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译”，这个过程叫作“解调”。合起来就是“调制解调”。

PWM （Pulse Width Moduration）调制：

PWM 调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频率可变的电压脉冲列。

SPWM 调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同GTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题。

交流调速的控制核心是：只有保持电机磁通恒定才能保证电机出力，才能获得理想的调速效果。

V/F 控制-—简单实用，性能一般，使用最为广泛只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定。

例：对于380V 50Hz电机，当运行频率为40HZ时，要保持V/F恒定，则40HZ时电机的供电电压：380×（40/50)＝304V。

低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高。

矢量控制—性能优良，可以与直流调速媲美，技术成熟较晚。

模仿直流电机的控制方法，采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制，保持电机磁通的恒定，进而达到良好的转矩控制性能，实现高性能控制。性能优良，控制相同复杂，直到90代计算机技术迅速发展才真正大范围使用。

控制算法：

项目	通用变频器	高性能变频器
控制算法	V/F 控制＋转矩提升； 同步机异步机控制算法基本相同。	开环矢量控制（无速度传感器矢量控制）； 闭环矢量控制（有速度传感器矢量控制）； 异步机和同步机需要不同的控制算法。
调速范围	＜1:40	1 ：100（开环矢量)，1：1000(闭环矢量)
启动转矩	无要求	180% 0.5Hz （开环矢量)； 200% 0 速(闭环矢量)。
稳速精度	与转差有关（2-3%)	0.5%( 开环矢量)，0.05%(闭环矢量)
转矩控制	无	有
控制算法	简单	复杂
电机参数	不依赖电机参数，支持同时驱动不同类型不同功率的电机。	电机参数对控制性能的影响较大，一般只能驱动一台电机。

变频器关键技术指标：

输入侧：

额定工作电压：给变频器供电的额定工作电压，各国家不完全一样。

中国是220V/单相/50HZ或380V/3相/50HZ 。

电压允许波动：限制变频器的最高和最低工作电压，避免损坏变频器。

当电压超过最高值时变频器并没有保护能力。

频率波动范围：50/60Hz±5％

输出侧：

额定输出电压：变频器的最大输出电压，由额定工作电压决定。

额定电流：变频器能够长期输出的最大电流。

过载能力：变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间，由逆变模块决定。

最大输出频率：变频器能够输出的最大工作频率。

频率精度：输出频率的准确度（相对于设定频率）。

频率分辩率：指给定运行频率的最小改变量。

防护等级：IP20(不防水）。

实用原理框图：

适用于中大功率(5.5KW以上）。

适用于小功率（＜5.5KW)。

类别		作用	主要构成器件
主 回 路	整流部分1	将工频交流变成直流，输入无相序要求。	整流桥
	逆变部分2	将直流转换为频率电压均可变的交流电，输出无相序要求。	IGBT
	制动部分3/4	消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值。	单管IGBT 和制动电阻，大功率制动单元外置。
	上电缓冲6	降低上电冲击电流，上电结束后接触器自动吸合，而后变频器允许运行。	限流电阻和接触器
	储能部分5	保持直流母线电压恒定，降低电压脉动。	电解电容和均压电阻
控制回路	键盘7	对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态。	MCU( 单片机）
	控制电路8	交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护。	DSP( 或两个MCU）
结构件	散热器	将整流桥、逆变器产生的热量散发出去
	温度传感器	检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下。
	风扇	配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种。

主回路接口：

控制回路接口：

接口类型	主要特点	主要功能
开关量输入	无源输入，一般由变频器内部12V供电。	启/停变频器，接收编码器信号、多段速、外部故障等信号或指令。
开关量输出	集电极开路输出、继电器输出。	变频器故障、就绪、达速等，参与外部控制。
模拟量输入	0-5V/4-20mA	频率给定/PID给定、反馈，接收来自外部的给定或控制。
模拟量输出	0-10V/4-20mA	运行频率、运行电流的输出，用于外界显示仪表和外部设备控制。
脉冲输出	PWM 波输出	功能同模拟量输出（只有个别变频器提供）。
通讯口	RS485/RS232	组网控制

以上端子均可自由编程。

变频器保护功能：

由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等，要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。

超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。

保护类型		原因
缺相	输入缺相	输入电压值相差超过允许值
	输出缺相	输出电流三相不平衡
过流	加速/减速/恒速	超过变频器允许的最大电流（2倍额定）
过载		超过变频器允许的过载范围
过压	加速/减速/恒速	直流母线电压超过允许值
过热		散热器温度超过允许值
欠压		电网电压过低

键盘控制：

特点：

运行命令由键盘上的RUN和STOP决定；运行方向一般由变频器内部参数决定；运行给定由键盘修改特定功能码完成；方便快捷。

适用场合：

在设备调试时广泛使用，应用在简单且实时性不强的单机场合。

外部端子控制（单机）：

特点：

运行命令由外部启停按钮决定，通过变频器外部端子FWD/REV决定运行方向。

运行给定一般由外部模拟端子决定：

PLC  模拟输出；电位器；常与外部逻辑电路或PLC共同控制变频器。

适用场合：应用在实时性较强独立系统，使用范围最广。

外部端子控制（多机）：

使用场合：各类小型生产线或系统。

特点：实时性好；调试维护方便；线路复杂，抗干扰；能力差。

通讯控制：

使用场合：各类中大型生产线或系统。

特点：

所有控制均通过通讯电缆线路相对简单，自动化水平高，信息交换量大实时性好，抗扰能力强。

为防止网络故障，特设独立急停功能投入大，调试维护困难。

选型原则：

考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。

要准确选型，必须要把握以下几个原则：

充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型 (G型：恒转矩；P型：恒功率。)

P 型的V/F曲线是基频以下，输出电压相对于输出频率按2次方曲线变化，适用于风机、水泵等负载转矩与转速平方成比例变化的设备。

了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。

确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素，如选用的是通用变频器，则可以选择P型机：

以下情况要考虑容量放大一档：

1 、长期高温大负荷；2、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场；

3 、目标负载波动大；4、现场电网长期偏低而负载接近额定；

5 、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）。

充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。

对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则：

以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器：

民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上；

电网品质恶劣或容量偏小的场合；

如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机；

以下情况要选用交流输出电抗器；

变频器到电机线路超过100米（一般原则）；

以下情况一般要选用制动单元和制动电阻；提升负载。

频繁快速加减速；大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）。

选型原则：

使用通用变频器的行业和设备	使用矢量变频器的行业和设备
纺织绝大多数设备	纺织有张力控制场合需使用
冶金辅助风机水泵、辊道、高炉卷扬	冶金各种主轧线、飞剪
石化用风机、泵、空压机
电梯门机、起重行走	电梯、起重提升
供水
油田用风机、水泵、抽油机、空压机
电厂风机水泵、传送带
市政锅炉、污水处理
部分拉丝机牵引	拉丝机的收放卷
	凹版印刷
水泥、陶瓷、玻璃生产线全线
传送带矿山风机泵	矿山提升机
卷烟制丝	卷烟成型包装
低速造纸及配套风机水泵、制浆	高速造纸、切纸机、复卷机

硬件连线：

交-直-交变频器结构：

交-直-交变频器由主电路和控制电路组成，如图所示。主电路包括整流单元、平波单元和逆变单元。控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入/输出电路和驱动电路组成。

整流单元的主要作用是将三相（或单相）交流电转变成直流电，从而为逆变电路提供所需的直流电源。

平波单元是为了减少输出电压或电流的波动，通过大容量电容或电感对输出电压、输出电流进行滤波；

逆变单元是变频器的主要部分之一，功能是在控制电路的作用下，将输出的直流电压，转换为频率可调的交流电压，实现对异步电动机的变频调速控制。

控制电路为变频器主电路提供通断控制信号。

变频器有什么用？

1 、改变频率；

2 、过流保护；

3 、过压保护；

4 、过载保护；

5 、节能省电；

6 、自动化控制。

本文素材来源于互联网，暖通南社整理编辑于2021年1月27日。

来源：暖通南社