变频器的原理和功能详解

（1）变频器的工作原理

1）逆变的基本工作原理。将直流电变换为交流电的过程称为逆变，完成逆变功能的装置叫逆变器，它是变频器的重要组成部分。电压型逆变器的工作原理可用如图6-12a所示开关的动作来说明。

图6-12 电压型逆变器的动作原理

当开关S1、S2与S3、S4轮流闭合和断开时，在负载上可得到波形如图6-12b所示的交流电压，即完成了直流电到交流电的逆变过程。用具有相同功能的逆变器开关元件取代机械开关，即得到单相逆变电路，电路结构和输出电压波形如图6-13所示。若改变逆变器开关元件的导通与截止时间，就可改变输出电压的频率，即完成了变频。

图6-13 单相逆变电路

a）电路结构 b）输出电压波形

生产中常用的变频器采用三相逆变电路，电路结构如图6-14a所示。在每个周期中，各逆变器开关元件的工作情况如图6-14b所示，图中阴影部分表示各逆变管的导通时间。

图6-14 三相逆变电路

a）电路结构 b）各开关元件的导通情况 c）输出电压波形

下面以U、V之间的电压为例，分析逆变电路的输出线电压。

①在Δt₁、Δt₂时间内，V1、V4同时导通，U为“+”、V为“-”，U_UV为“+”，且U_m=U_D。

②在Δt₃时间内，V2、V4均截止，U_UV=0。

③在Δt₄、Δt₅时间内，V2、V3同时导通，U为“-”，V为“+”，U_UV为“-”，且U_m=U_D。

④在Δt₆时间内，V1、V3均截止，U_UV=0。

根据以上分析，可画出U与V之间的电压波形，同理可画出V与W之间、W与U之间的电压波形，如图6-14c所示。从图中可以看出，三相电压的幅值相等，相位互差120°。

由此可见，只要按照一定的规律来控制6个逆变器开关元件的导通和截止，就可把直流电逆变成三相交流电。而逆变后的交流电的频率，则可以在上述导通规律不变的前提下，通过改变控制信号的频率来进行调节。

上面的分析仅是简单地说明逆变的基本工作原理，但据此得到的交流电压是不能直接用于控制电动机运行的，实际应用的变频器要复杂得多。

2）U/f控制。若忽略定子电阻上的电压降，则电动机的端电压应该与频率成正比。如果令电压与频率成正比变化，比值保持与额定供电电压和工频频率时的比例一致，那么这种控制方式就是基本U/f控制模式，也称为恒定比值U/f控制。U/f控制是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维持电动机磁通基本稳定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。U/f控制是目前通用变频器中广泛采用的基本控制方式。

三相交流异步电动机在工作过程中，铁芯磁通接近饱和状态，使得铁芯材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。

当频率高于工频时，受到供电电压和电动机绝缘水平的限制，电压不能继续保持与频率的比例不变，而是停留在额定电压水平，这时电动机磁通大大衰减，属于弱磁运行。这不仅是U/f控制模式下才有的问题，在所有控制模式下，频率超过电动机设计频率以后都只能是弱磁运行。

超过工频的弱磁运行称为超同步运行，它不仅有弱磁问题，而且由于转速增加，机械部分受到的摩擦损耗和离心力都增加了，严重时可能导致机械损坏。因此，超同步运行是受到限制的，除专门为变频调速设计的电动机外，普通异步电动机只允许小范围的超同步运行，例如60Hz以内。在工频以下，电压与频率成正比，磁通近似恒定；在工频以上，电压不变，电动机弱磁运行，同时，允许的运行频率也存在一个上限，这就是基本U/f控制模式的电压频率关系。

由异步电动机定子绕组感应电动势的有效值E=4.44k_rf₁N₁Φ_m，得

式中 k_r——定子绕组的绕组系数；(www.xing528.com)

N₁——每相定子绕组的匝数；

f₁——定子电源的频率（Hz）；

Φ_m——铁芯中每极磁通的最大值（Wb）。

显然，要使电动机的磁通在整个调速过程中保持不变，只要在改变电源频率f₁的同时改变电动机的感应电动势E，使其满足E/f为常数即可。但在电动机的实际调速控制过程中，电动机感应电动势的检测和控制较困难，考虑到正常运行时电动机的电源电压与感应电动势近似相等，只要控制电源电压U和频率f，使U/f为常数，即可使电动机的磁通基本保持不变，采用这种控制方式的变频器称为U/f控制变频器。

3）脉宽调制技术。随着科学技术的不断发展，工农业生产自动化程度的不断提高，对电力传动系统提出了更高的要求。同时，新型高频开关器件和数宇化技术的发展，也为研究、设计、制造更加复杂、性能更好的逆变器提供了条件。脉宽调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）式变频技术，就是利用半导体器件的导通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲列，以实现变频、变压及消除谐波为目的的一门技术。因为无论是矩形波电压，还是矩形波电流，都含有一系列的谐波分量，产生一系列的谐波磁动势，一方面增加谐波损耗，降低电动机效率；另一方面在电动机中产生一系列的谐波转矩。高速运行时，因为谐波频率较高，所以影响不大。但是低速运行时，由于谐波频率随着基波频率的降低而降低，因此谐波转矩对电动机的影响就大了，严重时会影响电动机的调速范围，甚至低速时不能正常运行。所以急需研制性能优异的逆变器，以消除谐波影响。PWM型逆变器就是在这种情况下应运而生的，并得到迅速发展。目前已经进入实际应用阶段。

①PWM变频器的基本特点。PWM型变频器常采用电压型逆变器。现以如图6-15所示的单相逆变器为例说明PWM的控制原理。

如图6-16a所示为通电型输出方波电压波形，图6-16b所示为脉宽调制型逆变器输出电压波形。由图可见，PWM控制方式是通过改变电力晶体管VT₁、VT₄和VT₂、VT₃交替导通的时间来改变逆变器输出电压波的频率。通过改变每半个周期VT₁、VT₄和VT₂、VT₃幅值的开关元件的通断时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。如果使开关元件在半个周期内反复通、断多次，在逆变器的输出端就会获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，其输出电压波就将很接近于正弦电压波，高次谐波电压将大为削弱。若采用高速开关元件，使逆变器输出脉冲数增多，则即使输出电压频率很低，其输出波形也是比较好的。所以PWM型逆变器特别适用于作为异步电动机变频调速的供电电源，实现平滑启动、停车和高效率宽范围调速。

图6-15 单相逆变器

图6-16 电压波形

②PWM型逆变器的基本调制方式。脉宽调制方式对PWM型逆变器的性能具有根本性的影响。脉宽调制的方式很多，从调制脉冲的极性分有单极性和双极性；从载频信号和参考信号（或称基准信号）之间的关系分有同步式和异步式。就几种常用的脉宽调制方式分别说明如下：

a）极性调制

·参考信号为直流电压。为了说明方便，给出三相桥式晶体管逆变器原理图，如图6-17所示。逆变桥由大功率晶体管VT₁～VT₆和快速续流二极管VD₁～VD₆组成。

在控制电路中采用载频信号u_c与参考信号u_r相比较的方法产生基极驱动信号，如图6-18所示。这里u_c采用单极性等腰三角形；u_r采用可变的直流电压。在u_r与u_c波形的交点处发出调制信号，当三角波幅值一定时，改变参考信号u_r的大小，输出脉冲宽度就随之改变，从而可以改变输出基波电压的大小；当改变载波（三角波）频率，并保持每周输出的脉冲数不变时，就可以改变基波电压的频率。

在实际控制系统中，可同时改变载波频率和直流参考电压的大小，使逆变器的输出在变频的同时相应地变压，以满足一般变频调速系统的要求。这种调制方法在不同频率下，正、负半周波形始终保持完全对称，因此输出中只有奇次谐波没有偶次谐波。为了抑制低频输出时谐波的影响，常采用随着输出频率的降低连续地或分段地增加每周的输出脉冲数的调制方法。

图6-17 三相桥式晶体管逆变器原理图

图6-18 单极性直流参考信号下的控制方式

·参考信号为正弦波。参考信号u_r为正弦波的脉宽调制方法叫作正弦波脉宽调制（SPWM）方式。产生的调制波是等幅、等距而不等宽的脉冲列，如图6-19所示。其调制波形接近于正弦波，谐波分量大大减小。这是最常用的一种调制方法。此图为单极性脉宽调制波形，SPWM调制波的脉冲宽度基本上成正弦分布，各脉冲与正弦曲线下对应的面积近似成正比。可见SPWM比一般PWM的调制波形更接近于正弦波，谐波分量大为减小。SPWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由参考电压u_r来控制。当改变u_r幅值时，脉宽随之改变，从而改变输出电压的大小；当改变u_r频率时，输出电压频率即随之改变。但正弦波最大幅值必须小于三角波幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。

图6-19 正弦波脉宽调制波形

图6-19只画出了单相脉宽调制波。对于三相逆变器，必须产生互差120°的三相调制波。载频三角波可以共用，但必须有一个三相可变频变幅的正弦波发生器，产生可变频变幅的三相正弦参考信号，然后分别与三角波相比较产生三相脉冲调制波。如果脉冲调制波在任何输出频率情况下，正、负半周始终保持完全对称，即为同步调制式。如果载频三角波频率一定，只改变正弦参考信号频率，这时正、负半周的脉冲数和相位就不是随时对称的了。这种调制方式叫作异步调制式。异步调制将会出现偶次谐波，但每周的调制脉冲数将随输出频率的降低而增多，有利于改善低频输出特性。据分析，三角波频率一般应比正弦参考电压频率大9倍以上，否则偶次谐波的影响就大了。

b）双极性正弦波PWM调制原理。上述单极性调制必须加倒向控制信号，而双极性调制就不需要倒向信号了。SOWM双极性调制和单极性调制一样，输出基波大小和频率也是通过改变正弦参考信号的幅值和频率来实现的，用于变频调速时，要保持U₁/f基本恒定。这种双极性调制方式，当然也可采用同步式或异步式的调制方法。