变频器的分类和特点

变频器的种类非常多，常用变频器的外形如图1-1所示。

图1-1 常用变频器的外形

1.变频器按变换频率的方法分类及各类别的特点

（1）交-直-交变频器 交-直-交变频器又称间接变频器，它是先将工频交流电通过整流器变换成直流电，再经过逆变器将直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，其基本原理如图1-2所示。

图1-2 交-直-交变频器

（2）交-交变频器 交-交变频器又称直接变频器，它可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电。交-交变频器的基本原理如图1-3所示，其整个系统由两组晶闸管整流装置反向并联组成，正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就可获得交变的输出电压u_o。

图1-3 交-交变频器

交-交变频器与交-直-交变频器的主要特点比较见表1-1，目前应用较多的是交-直-交变频器。

表1-1 交-交变频器与交-直-交变频器的主要特点比较

2.变频器按主电路工作方式的分类及各类别的特点

（1）电压型变频器 电压型变频器的主电路如图1-4所示。在电压型变频器中，整流电路产生逆变所需的直流电压，通过中间直流环节的电容进行滤波后输出。由于采用大电容滤波，故主电路直流电压波形比较平直，在理想情况下可看成一个内阻为零的电压源。电压型变频器输出的交流电压波形为矩形波或阶梯波，多用于不要求正反转或快速加减速的通用变频器中。

图1-4 电压型变频器的主电路

（2）电流型变频器 电流型变频器的主电路如图1-5所示，其特点是中间直流环节采用大电感滤波。由于电感的作用，直流电流波形比较平直，因而直流电源的内阻抗很大，近似于电流源。电流型变频器输出的交流电流波形为矩形波或阶梯波，其最大优点是可以进行四象限运行，将能量回馈给电源，且在出现负载短路等情况时容易处理，故该方式适用于频繁可逆运转的变频器和大容量变频器。

电流型变频器与电压型变频器主要特点的比较见表1-2。

图1-5 电流型变频器的主电路

表1-2 电流型变频器与电压型变频器主要特点的比较

①指三相桥式变频器，既不采用脉冲宽度调制，也不进行多重叠加。

3.变频器按电压调节方式的分类及各类别的特点(www.xing528.com)

（1）PAM变频器 脉冲幅值调节（Pulse Amplitude Modulation，PAM）方式，是一种以改变电压源的电压U_d或电流源的电流I_d的幅值进行输出控制的方式。因此，在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，整流部分则控制输出电压或电流。采用PAM方式调节电压时，变频器的输出电压波形如图1-6所示。PAM控制的主电路原理图如图1-6a所示。

PAM被用于中间电路电压可变的变频器，频率控制时，输出电压的频率通过逆变器改变工作周期来调节。在每一个工作周期内，功率开关器件都通断若干次。因为实施PAM的线路比较复杂，要同时控制整流和逆变两个部分，并且晶闸管整流后，直流电压的平均值并不和移相角成线性关系，从而使整流和逆变的协调变得相当困难，所以一般不采用这种调制方式。

（2）PWM变频器和SPWM变频器 采用脉冲宽度调制（Puls eWidth Modulation，PWM）方式时，在变频器输出波形的一个周期中产生多个脉冲，其等值电压近似为正弦波，波形平滑且谐波较少。PWM控制的主电路原理图如图1-6b所示。脉冲宽度调制方式又分为等脉宽PWM法和正弦波PWM法（SPWM法）等。

图1-6 用PAM和PWM控制的主电路方式调压输出电压波形

a）PAM控制的主电路 b）PWM控制的主电路

等脉宽PWM法是最为简单的一种，它每一脉冲的宽度均相等，改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当方法即可以使电压与频率协调变化。等脉宽PWM法的缺点是输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦波脉宽调制）法是为了克服等脉宽PWM法的缺点而发展来的，其具体方法如图1-7所示，是以一个正弦波作为基准波（称为调制波），用一列等幅的三角波（称为载波）与基准正弦波相交如图1-7a所示，由它们的交点确定逆变器的开关模式。当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通；当基准正弦波低于三角波时，使开关器件截止。由此，使变频器输出电压波为图1-7b所示的脉冲列，其特点是在半个周期中等距、等幅（等高）、不等宽（可调），总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例。这样，输出电压中的谐波分量显然可以大大减小。

4.变频器按控制方式的分类及各类别的特点

图1-7 SPWM变频器的调压原理

a）正弦波与三角波 b）变频器输出电压波形

异步电动机变频调速时，变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制，不同的控制方式所得到的调速性能、特性及用途是不同的。同理，变频器也可以按控制方式进行分类。

（1）U/f控制变频器 U/f（电压U和频率f的比）控制方式，又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使U/f的值保持一定而得到所需的转矩特性。基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上则可以实现恒功率调速。采用U/f控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求不太高的通用变频器。

（2）转差频率控制变频器 转差频率控制方式是对U/f控制方式的一种改进。在采用转差频率控制方式的变频器中，变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。变频器的输出频率由电动机的实际转速与转差频率自动设定，从而达到在调速控制的同时也使输出转矩得到控制。该控制方式是闭环控制，故与U/f控制方式相比，在负载发生较大变化时，仍能达到较高的速度精度和具有较好的转矩特性。但是，由于采用这种控制方式时，需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，故通用性较差。

（3）矢量控制变频器 矢量控制的基本思想是将交流异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于这种控制方式中必须同时控制电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以这种控制方式被称为矢量控制。采用矢量控制方式的交流调速系统能够提高变频调速的动态性能，不仅在调速范围上可以与直流电动机相媲美，而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。因此，矢量控制变频器已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。

5.变频器按用途的分类及各类别的特点

（1）通用变频器 通用变频器的特点是可以对普通的交流异步电动机进行调速控制。通用变频器可以分为低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器两种类型。

简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而减少了一些系统功能的通用变频器。它主要应用于水泵、风机等对于系统的调速性能要求不高的场合，并具有体积小和价格低等优点。

高性能多功能通用变频器为了满足可能出现的各种需要，在系统硬件和软件方面都做了许多工作。在使用时，用户可以根据负载特性选择算法，并对变频器的各种参数进行设定。该变频器除了可以应用于简易型通用变频器的所有应用领域外，还广泛应用于传动带、升降装置，以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有较高要求的场合。

（2）高性能专用变频器 随着控制理论、交流调速理论和电力电子技术的发展，异步电动机的矢量控制方式得到了重视和发展。高性能专用变频器主要是采用矢量控制方式。采用矢量控制方式的高性能专用变频器和变频调速专用电动机所组成的调速系统，在性能上已达到和超过了直流调速系统。此外，高性能专用变频器往往是为了满足特定行业（如冶金行业、数控机床、电梯等）的需要，使变频器在工作中能发挥出最佳性价比而设计生产的。

（3）高频变频器 在超精密机械加工中常常用到高速电动机。为了满足其驱动的需要出现了高频变频器。

（4）单相变频器和三相变频器 与单相交流电动机和三相交流电动机相对应，变频器也分为单相变频器和三相变频器。两者的工作原理相同，但电路的结构不同。