变频器的调速原理与基本组成

1.三相异步电动机的两种调速方式

当三相异步电动机定子绕组通入三相交流电后，定子绕组会产生旋转磁场，旋转磁场的转速n₀与交流电源的频率f及电动机的磁极对数p有如下关系：

n₀=60f/p

电动机转子的旋转速度n（即电动机的转速）略低于旋转磁场的旋转速度n₀（又称同步转速），两者的转速差称为转差s，电动机的转速为

n=（1-s）60f/p

由于转差s很小，一般为0.01～0.05，因此为了计算方便，可近似认为电动机的转速与定子的旋转磁场转速相同，即电动机转速近似为

n=60f/p

从上面的近似公式可以看出，三相异步电动机的转速n与交流电源的频率f和电动机的磁极对数p有关，当交流电源的频率f发生改变时，电动机的转速就会发生变化。通过改变电动机的磁极对数p来调节电动机转速的方法称为变极调速，通过改变交流电源的频率来调节电动机转速的方法称为变频调速，变频器是通过改变交流电源频率来调节电动机转速的。

2.变频器的基本组成

变频器是一种典型的采用了变频技术的电气设备。变频器的功能是将工频（50Hz或60Hz）交流电源转换成频率可变的交流电源提供给电动机，通过改变输出电源的频率来对电动机进行调速控制。

图5-1所示为几种常见的变频器。变频器种类很多，主要可分为两类，即交—直—交型变频器和交—交型变频器。

1.交—直—交型变频器的组成与原理

交—直—交型变频器利用电路先将工频电源转换成直流电源，再将直流电源转换成频率可变的交流电源，然后提供给电动机，通过调节输出电源的频率来改变电动机的转速。交—直—交型变频器的典型结构如图5-2所示。

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图5-1 几种常见的变频器

图5-2 交—直—交型变频器的典型结构框图

下面对照图5-2所示框图说明交—直—交型变频器工作原理。

工频交流电源经整流电路转换成脉动的直流电，直流电再经中间电路进行滤波平滑，然后送到逆变电路，与此同时，控制系统会产生驱动脉冲，经驱动电路放大后送到逆变电路，在驱动脉冲的控制下，逆变电路将直流电转换成频率可变的交流电并送给电动机，驱动电动机运转。改变逆变电路输出交流电的频率，电动机转速就会发生相应的变化。

整流电路、中间电路和逆变电路构成变频器的主电路，用来完成交—直—交的转换。由于主电路工作在高电压大电流状态，因此为了保护主电路，变频器通常设有主电路电压检测和输出电流检测电路，当主电路电压过高或过低时，电压检测电路将该情况反映给控制电路，当变频器输出电流过大（如电动机负荷大）时，电流采样元件或电路会产生过电流信号，经电流检测电路处理后也送到控制电路。当主电路出现电压不正常或输出电流过大时，控制电路通过检测电路获得该情况后，会根据设定的程序做出相应的控制，如让变频器主电路停止工作，并发出相应的报警指示。

控制电路是变频器的控制中心，当它接收到输入调节装置或通信接口送来的指令信号后，会发出相应的控制信号去控制主电路，使主电路按设定的要求工作，同时控制电路还会将有关的设置和机器状态信息送到显示装置，以显示有关信息，便于用户操作或了解变频器的工作情况。

变频器的显示装置一般采用显示屏和指示灯；输入调节装置主要包括按钮、开关和旋钮等；通信接口用来与其他设备（如可编程序控制器PLC）进行通信，接收它们发送过来的信息，同时还将变频器有关信息反馈给这些设备。

2.交—交型变频器的组成与原理

交—交型变频器利用电路直接将工频电源转换成频率可变的交流电源并提供给电动机，通过调节输出电源的频率来改变电动机的转速。交—交型变频器的结构如图5-3所示。从图中可以看出，交—交型变频器与交—直—交型变频器的主电路不同，它采用交—交变频电路直接将工频电源转换成频率可调的交流电源的方式进行变频调速。

图5-3 交—交型变频器的结构框图

交—交变频电路一般只能将输入交流电频率降低输出，而工频电源频率本来就低，所以交—交型变频器的调速范围很窄，另外这种变频器要采用大量的晶闸管等电力电子器件，导致装置体积大、成本高，故交—交型变频器使用远没有交—直—交型变频器广泛，因此本章主要介绍交—直—交型变频器。