变频器的基本原理及分类详解

1.变频器的基本原理

异步电动机调速的基本原理基于以下公式

式中，n₁为同步转速（r/min）；f₁为定子供电电源频率（Hz）；p为磁极对数。

一般异步电动机转速n与同步转速n₁存在一个滑差关系

式中，n为异步电动机转速（r/min）；s为异步电动机转差率。

由式（1-2）可知，调速的方法可通过改变f₁、ppss参数中任意一个达到，对异步电动机最好的方法是改变频ff₁。基于电动机理论，三相异步电动机每相电动势的有效值与下式有关EE₁=4.4f₁N₁ϕ_mm（-⁃3）式中EE₁为定子每相电动势有效值（V）ff₁为定子供电电源频率（Hz）NN₁为定子绕组有效匝数ϕ_m为为定子磁通（Wb）。

针对式（-33）可分成两种情况分析：

（1）在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速

变频器设计时为维持电动机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通ϕ_m不变，从式（-⁃3）可知，也就是要EE₁ff₁=常数。如忽略定子漏阻抗压降，可以认为供给电动机的电压UU₁与频ff₁按相同比例变化，UU₁ff₁=常数。

1—U₁/f₁=常数 2—E₁/f₁=常数

但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，因此要人为地提高定子电压，以作漏抗压降的补偿，维持E₁/f₁≈常数，此时变频器输出U₁/f₁关系如图1-1中的曲线2，而不再是曲线1。

多数变频器在频率低于电动机额定频率时，输出的电压U₁和频率f₁类似图1-1中的曲线2，并且随着设置的不同，可改变补偿曲线的形状，应用时要根据实际电动机的运行情况调整。

（2）在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速

此时变频器的输出频率f₁提高，但变频器的电源电压由电网电压决定，不能继续提高。根据式（1-3），E₁不能变，f₁提高必然使ϕ_m下降，由于ϕ_m与电流或转矩成正比，因此也就使转矩下降，转矩虽然下降了，但因转速升高了，所以它们俩的乘积并未变，转矩与转速的乘积表征着功率。因此这时候电动机处在恒功率输出的状态下运行。异步电动机变频调速时的输出特性如图1-2所示。ϕ_m的大小表征电动机转矩的大小，因此ϕ_m曲线可以看作转矩曲线。

图1-2 异步电动机变频调速时的输出特性

1—恒转矩时的电压曲线 2—恒功率时的电压曲线 3—恒转矩时的转矩曲线 4—恒功率时的转矩曲线

由以上分析可知，采用通用变频器对异步电动机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高，即所谓的变压变频调速（VVVF）。而在额定频率以上，电压并不变，只改变频率。

实际上多数变频调速系统是运行在额定频率以下，低频时采用的补偿是为了解决低频转矩的下降，其采用的方式多种多样，有矢量控制技术、直接转矩控制技术以及拟超导技术等。其作用不外乎动态地改变低频时变频器的输出电压、输出相位或输出频率，也就是利用计算机技术，实时地而不是固定地改变图1-1中曲线1的形状达到低速时力矩提升，并且稳定运行，又不至于电流太大而造成故障。

2.变频器的分类

（1）按变换的环节分类

1）交-交变频器。交-交变频器是将工频交流电直接变换成频率电压可调的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。对于大容量、低转速的交流调速系统，常采用晶闸管交-交直接变频器直接驱动低速电动机，可以省去庞大的齿轮减速箱。其缺点是：最高输出频率不超过电网频率的1/3～1/2，且输入功率因数较低，谐波电流含量大，谐波频谱复杂，因此必须配置大容量的滤波和无功补偿设备。

近年来，又出现了一种应用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，在三相输入与三相输出之间用9组双向开关组成矩阵阵列，采用PWM控制方式，可直接输出变频电压。这种调速方法的主要优点是：

①输出电压和输入电流的低次谐波含量都较小。

②输入功率因数可调。

③输出频率不受限制。

④能量可双向流动，可获得四象限运行。(https://www.xing528.com)

⑤可省去中间直流环节的电容元件。

交-交变频自从20世纪70年代末提出以来，一直受到电力电子学科研工作者的高度重视。

2）交-直-交变频器。交-直-交变频器是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率电压可调的交流电，又称间接式变频器。交-直-交变频器是目前广泛应用的通用型变频器。

（2）按直流电源性质分类

1）电流型变频器。电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流型变频器。电流型变频器的特点是能扼制负载电流的频繁而急剧的变化，常应用于负载电流变化较大的场合。

2）电压型变频器。电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常应用于负载电压变化较大的场合。

（3）根据电压的调制方式分类

1）脉宽调制（SPWM）变频器。脉宽调制变频器输出电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，中、小容量的通用变频器几乎全都采用脉宽调制方式。

2）脉幅调制（PAM）变频器。脉幅调制变频器输出电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的。

（4）根据输入电源的相数分类

1）三进三出变频器。三进三出变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电，绝大多数变频器都属此类。

2）单进三出变频器。单进三出变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电。家用电器里的变频器均属此类，通常容量较小。

此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。

3.变频器的额定数据

（1）输入侧的额定数据

1）输入电压U_1N即电源侧的电压。在我国，低压变频器的输入电压通常为380V（三相）和220V（单相），中、高压变频器的输入电压通常为0.66kV、3kV、6kV（三相）。此外，变频器还对输入电压的允许波动范围作出规定，如±10%、-15%～+10%等。

2）相数如单相、三相。

3）频率f_1N即电源频率（常称工频），我国为50Hz，频率的允许波动范围通常规定为±5%。

（2）输出侧的额定数据

1）额定电压U_N。因为变频器的输出电压要随频率而变，所以U_N定义为输出的最大电压。通常，它总是和输入电压U_1N相等。

2）额定电流I_N。变频器允许长时间输出的最大电流。

3）额定容量S_N。由额定线电压U_N和额定线电流I_N的乘积决定：

S_N=U_NI_N（1-4）

容量为在连续不变的负载中，允许配用的最大负载容量。在生产机械中，负载的容量主要是根据发热状况来定的。在变动负载、断续负载及短时负载中，只要温升不超过允许值，在由变频器构成的调速系统中，因电动机是允许短时间（几分钟或几十分钟）过载的，而变频器则允许150%负载过载1min。所以，在选用变频器时，应充分考虑负载的工况。

4）过载能力是指变频器的输出电流允许超过额定值的倍数和时间。大多数变频器的过载能力规定为：150%/1min。可见，变频器的允许过载时间与电动机的允许过载时间相比，变频器的过载能力是很低的。

4.电压型变频器和电流型变频器的特点

电压型和电流型变频器都属于交-直-交变频器，其主电路由整流器、平波电路和逆变器三部分组成。由于负载一般都是感性的，它和电源之间必有无功功率传送，因此在中间的直流环节中，需要有缓冲无功功率的元件。如果采用大电容器来缓冲无功功率，则构成电压型变频器；如采用大电抗器来缓冲无功功率，则构成电流型变频器。电压型变频器和电流型变频器的特点见表1-1。

表1-1 电压型变频器和电流型变频器的特点