变频调速系统结构与原理
一、变频器的概述
直流电动机调速系统具有良好的启动、制动性能及在大范围内平滑调速的优点，因此在过去很长的一段时间内，在需要进行调速控制的拖动系统中一直占有主导地位。但是直流电动机采用机械换向器换向，其单机容量、最高电压、最大转速等方面受到限制，而且维护、维修复杂。20世纪70年代以来，随着交流电动机调速系统理论、电力电子技术、以微处理器为核心的全数字化控制等关键技术的发展，交流电动机变频调速技术逐步成熟。目前，变频调速技术的应用几乎已经扩展到了工业生产领域的所有普通交流异步电动机的调速控制，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用
二、变频器的定义及分类
1、定义：
变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用，将工频交流电换成频率、电压连续可调的交流电的电能控制装置。
2、变频器的分类
变频器的种类很多，分类方法也有多种，常见的分类方式见表
分类方式
种类
分类方式
种类
按供电
电压分
低压变频器(VVV)
中压变频器(VVV)
高压变频器(3kV3.3kV6kV6.6kv10kV)
按控制方式分
U/f控制变频器
转差频率控制变频器
矢量控制变频器
按输出
功率分
小功率变频器
中功率变频器
大功率变频器
按用途分
通用变频器
高性能专用变频器
高频变频器
按直流电源性质分
电流型变频器
电压型变频器
按供电电源相数分
单相输入变频器
三相输入变频器
按输出电压调制方式分
PAM（脉幅调制）控制变频器
PWM（脉宽调制）控制变频器
按变换环节分
交—直—交变频器
交—交变频器
三、变频器的基本结构：
目前，变频器的变换环节大多采用交－直－交变频变压方式。交－直－交变频器是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电逆变成频率、电压可调的交流电。通用变频器主要由主电路和控制电路组成，而主电路又包括整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分，其基本构成框图如图所示。
1、变频器的主电路：
下图所示为通用变频器的主电路，各部分的作用见表
整流电路部分：将频率固定的三个交流电变换成直流电
元件
三相整流桥
滤波电容器CF
限流电阻RL与开关S
电源指示灯HL
作用
将交流电变换成脉动直流电。若电源线电压为UL,则整流后的平均电压UD=1.35UL
滤平桥式整流后的电压纹波，保持直流电压平稳
接通电源时，将电容器CF的充电冲击电流限制在允许范围内，以保护整流桥。而当CF充电到一定程度时，令开关S接通，将RL短路。在有些变频器里，S由晶闸管代替
HL除了表示电源是否接通外，另一个功能是变频器切断电源后，指示电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器的内部带电部分，以保证安全
逆变电路部分：将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电
元件
三相逆变桥
V1~V6
续流二极管
VD7~VD12
缓冲电路R01~R06、VD01~VD06、C01~C06
制动电阻RB和
制动三极管VB
作用
通过逆变管V1~V6按一定规律轮流导通和截止，将直流电逆变成频率、幅值都可调的三相交流电
在换相过程中为电流提供通路
限制过高的电流和电压，保护逆变管免遭损坏
当电动机减速、变频器输出频率下降过快时，消耗因电动机处于再发生电制动状态而回馈到直流电路中的能量，以避免变频器本身的过电压保护电路动作而切断变频器的正常输出
2、变频器的控制电路
变频器的控制电路为主电路提供控制信号，其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。通用变频器控制电路的控制框图如下图所示，主要由主控板、键盘与显示板、电源板与驱动板、外接控制电路等构成。各部分的功能见表。
部件
功能
主控板
主控板是变频器运行的控制中心，其核心器件是控制器（单片微机）或数字信号处理器（DSP），其主要功能有：
(1)接受并处理从键盘、外部控制电路输入的各种信号，如修改参数、正反转指令等
(2)接受并处理内部的各种采样信号，如主电路中电压与电流的采样信号、各部分温度的采样信号、各逆变管工作状态的采样信号等
(3)向外电路发出控制信号及显示信号，如正常运行信号、频率到达信号等，一旦发现异常情况，立刻发出保护指令进行保护或停车，并输出故障信号
(4)完成SPWM调制，将接受的各种信号进行判断和综合运算，产生相应的SPWM调制指令，并分配给各逆变管的驱动电路
(5)向显示板和显示屏发出各种显示信号
键盘与显示板
键盘与显示板总是组合在一起。键盘向主控板发出各种信号或指令，主要用于向变频器发出运行控制指令或修改运行数据等
显示板将主控板提供的各种数据进行显示，大部分变频器配置了液晶或数码管显示屏，还有指示灯，还有RUN（运行）、STOP（停止）、FWD（正转）、REV（反转）、FLT（故障）等状态指示灯和单位指示灯，如HZ、A、V等。可以完成以下指示功能：
(1)在运行监视模式下，显示各种运行数据，如频率、电压、电流等
(2)在参数模式下，显示功能码和数据码
(3)在故障状态下，显示故障原因代码
电源板与驱动板
变频器的内容电源普遍使用开关稳压电源，电源板主要提供以下直流电源：
(1)主控板电源具有极好稳定性和抗干扰能力的一组直流电源
(2)驱动电源逆变电路中上桥臂的三只逆变管驱动电路的电源是相互隔离的三组独立电源，下桥臂三只逆变管驱动电源则可共“地”。但驱动电源与主控板电源必须可靠绝缘
(3)外控电源为变频器外电路提供的稳恒直流电源
中小功率变频器驱动电路往往与电源电路在同一块电路板上，驱动电路接受主控板发来的SPWM调制信号，在进行光电隔离、放大后驱动逆变管的开关工作
外接控制电路
外接电路可实现由电位器、主令电器、继电器及其他自控设备对变频器的运行控制，并输出其运行状态、故障报警、运行数据信号等。一般包括：外部给定电路、外接输入控制电路、外接输出电路、报警输出电路等
大多数中小容量通用变频器中，外接控制电路往往与主控电路设计在同一电路板上，以减小其整机的体积，提高电路可靠性，降低生产成本
四、变频器中常用电力半导体器件
目前，通用变频器逆变电路使用的电力半导体器件主要有电力晶体管GTR、电力场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT、门极可关断晶体管GTO和智能功率模块IPM等。主要介绍GTR、MOSFET和IGBT。
1、大功率晶体管（BJT或GTR
（1）特点：是一种双极结型晶体管，实际上是复合晶体管（达林顿管）。其基本结构与晶体管相同，由集电极C，放射极e和基极b，集电极电流ic的大小受基极电流IB的控制，属电流控制型器件。如图所示。
（2）优缺点：
（优）击穿电压和集电极最大饱和电流都较大。
（缺）开关频率较低，最高２ＫHZ，因而以大功率晶体管为逆变器件的变频器负载波频率也很低，电动机电磁噪声大。此外，控制电路的驱动功率也较大。
2、功率场效应管（MOSFET）
（1）特点：与场效应管相同，由漏极d，源极s和控制极g构成。漏极电流id的大小受控制极与源极间的电压ＵＧＳ的控制，属电压控制。如图所示。
2）优缺点：
（优）MOSFET的开关频率较高，最高达20kHZ，设MOSFET为逆变管的变频器的载波频率也较高，降低电机电磁噪声。控制电路所需驱动功率较小。
（缺）MOSFET的击穿电压和漏极最大饱和电流较小，难以满足多数变频器的要求。
3、绝缘栅双极性晶体管（IGBT管）
1）特点：是MOSFET和BJT结合产物，其主体部分与晶体管相同，也是集电极c和发射极e；但驱动部分却和场效应管相同，是绝缘栅结构。集电极电流ic的大小受控制极与放射极间的电压ＵＧＥ的控制，也属于电压控制型器件。应用时常在管旁并联一个反向续流二极管，且做成双管或六管模块。如图所示。
（2）优缺点：
（优）兼有BTT和MOSFET管道优点，一方面击穿电压和集电极最大饱和电流较大，IGBT的击穿电压已达V，集电极最大饱和电流已超过1A，以IGBT为逆变器件的变频器容量已达KVA以上。另一方面，开关频率已达20KHZ，使变频器的载波频率在10KHZ以上，故电动机电波波形比较平滑，无电噪声。故在绝大多数大、中、小容量变频器的逆变模块都采用IGBT管
（3）用万用表检测IGBT模块好坏的简单测量方法：
2）明确测量内容对图9所示六单元IGBT模块，应测量其“+”“-”两引脚间是否短路、各IGBT的续流二极管是否有击穿现象六只IGBT的触发导通及关断功能是否正常。
3）用万用表RX10k挡进行测量测量步骤如下：
①用十个手指同时触及BU和U、BV和V、BW和W有BX、BY、BZ和“-”，以释放栅极上感应存储的电荷，避免对后续测量结果产生影响。用黑表笔接触模块的“+”，红表笔接触“-”，这时表针应指在接近无穷大的位置；交换表针再测量，表针应指在10KΩ附近。表明“+”“-”两引脚间无击穿短路现象。②用①的方法释放栅极上感应存储折电荷后，测量U、V、W三引脚间的正反向电阻。测量时两两相测，交换红黑表笔后再两两相测，共测量六次。六次测量中万用表表针均应指在接近无穷大的位置。表明六只IGBT续流二极管无击穿现象。
③分别测量六只IGBT的触发导通关断特性，以栅极为BW的一只IGBT的测量为例。万用表黑表笔接触“+”即被测IGBT的集电极（C）、红表笔接触W即被测IGBT的发射极（E）用手指同时触及一下BW即被测IGBT的栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，手指离开后表针缓慢向阻值变大方向摆动；然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IIGBT被阻断，万表表的指针应指在接近无穷大的位置。这说明被测IGBT管的触发导通及关断功能正常。
用上述同样的方法测量其余的IGBT管。
能够通过上述全部测量即可判断此IGBT模块是好的，否则可能已损坏。以上方法也可以用于检测功率场效应晶体管（MOSFET）的好坏。
4）注意事项
①多数指针式万用表皆可用于检测IGBT，但判断IGBT好坏时，一定要将万用表的转换开关置于电阻RX10K挡位上，因该挡位使用的电池电压较高，其他各挡位的电池电压大低，检测时可能无法使IGBT触发导通。
②由于IGBT的输入级为场效应器件，其输入电阻很大且极易感应电荷，测量中应注意及时释放栅极上的感应存储的电荷，以免造成误判。
关于GTR模块的测试方法可参照上述方法和一般三极管好坏的测量方法进行。测量吕要注意对模块中的所有GTR和续流二极管均应一一测量，防止因漏测造成误判。
五、变频器的工作原理和功能
1、变频器的工作原理
（1）三相交流异步电动机转速方程式：
式中 ｆ――电动机电源的频率（Hz）
Ｐ――电动机定子绕组的磁极对数
ｓ――转差率
可见，在定子磁极对数Ｐ不变、转差率ｓ变化不大的情况下，可以认为调节电动机定子电源频率ｆ时，电动机的转速ｎ也大致随频率ｆ成正比变化。若均匀调节电动机电源频率ｆ，则可以平滑的改变电动机的转速。
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，完成逆变的功能的装置叫逆变器，它是变频器的重要组成部分。电压型逆变器的动作原理可用右图所示的机械开关的动作来说明。
当开关S1、S2、与S3、S4轮流闭合和打开时，在负载上即可得到波形图的交流电压，完成直流到交流的逆变过程。用具有相同功能的电力半导体器件取代机械开关，即得到单相逆变电路，电路结构和输出电压波形如图所示，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，即完成变频。
生产中常用的变频器采用三相逆变电路，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。在与变频器输出相连接的三相交流电动机定子绕组上得到三相交流电
（2）U/f控制原理：
U/f控制是在改变变频器输出频率的同时改变输出电压的幅值，以维持电动机磁通基本恒定，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基本控制方式。
三相交流异步电动机在工作过程中，铁心磁通接近饱和状态，使得铁心材料得到利用。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。
在励磁不足时，电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时，又会使铁心中的磁通处于处于饱和状态，使电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铁耗，降低其效率和功率因数，并易使电动机温升过高。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定并为额定值。
由异步电动机定子绕组感应电动势的有效值近似等于定子绕组外加电压Ｕ1
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U和频率f，使U/f等于常数，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
由于电动机实际电路中定子阻抗上存在压降，尤其是当电动机低速运行时，感应电动势较低，定子阻抗上的压降不能忽略，采用U/f控制的调速系统中工作频率较低时，电动机的输出转矩将下降。为了改善低频时转矩特性，可采用补偿电源电压的方法，即低频时适当提升电压U来补偿电子阻抗上的压降，以保证电动机在低速区域运行时仍能得到极大的输出转矩，这种补偿功能称为变频器的转矩提升功能。
综上所述，对电动机供电的变频器一般要求兼有调压和调频功能，通常将这种变频器称为变频变压（VVVF）型变频器。
PWM输出电压的波形是非正弦波，用于驱动三相异步电动机运行时性能较差。如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化，即使脉冲宽度先逐步增大，然后再逐渐减小，则输出电压也会按正弦规律变化。这就是目前工程实际中应用最多的正弦PWM法，简称SPWM。
其波形产生的方法是：在变频器的控制电路中，由调制波信号发生器提供的一组三相对称正弦波调制信号作为变频器输出的基波，与三角波振荡器提供的三角波载波信号相叠加，如图。
通过其交点时刻控制主电路半导体开关器件V1～V6的通断，从而得到一组等幅而不等宽且两侧窄、中间宽的脉冲电压波形，其大小和频率通过调节正弦波调制信号的幅值和频率而改变，即按正弦规律变化，如图所示。
在每半个周期内输出若干个宽度不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应局部波形下的面积，则输出电压可近似认为与正弦波等效。
（4）三相异步电动机变频器调速后的机械特性
1）在基频fin以下调速在基频fin（一般为电动机的额定频率）以下调速时，采用的是U/f恒定控制方式。此时，电动机的机械特性基本上是平行下移的，如图所示。在频率较低时最大转矩将减小（此时定子阻抗上的压降不能忽略，电动机主磁通有较大削弱），采用转矩提升后的特性曲线如图中的虚线所示。由于采用U/f恒定控制时电动机主磁通基本恒定，所以在基频以下调速属于恒转矩调速
把基频以上调速和基频以下调速两种情况结合起来，可得如图所示的异步电动机变频调速控制特性
2、变频器的功能：
随着变频器调速技术的发展，变频器尤其是高性能通用变频器的功能越来越丰富，下面按用途对通用变频器的主要功能进行简要介绍。
系统所具有的功能。
1）全范围转矩自动增强功能由于电动机绕组中阻抗的作用，采用U/f控制的变频器在电动机的低速运行区域会出现转矩不足的情况。为提高系统的性能，具有全范围转矩自动增强功能的变频器在电动机的加速、减速和正常运行的所有区域中可以根据负载情况自动调节U/f值，对电动机的输出转矩进行补偿。
2）防失速功能变频器的防失速功能包括加速过程的防失速功能、恒速运行过程的防失速功能和减速过程的防失速功能三种。
加速过程和恒速运行过程中的防失速功能的基本作用是：当电动机由于加速过快或负载过大等原因出现过电流现象时，变频器将自动降低输出频率，以避免出现变频器因过电流保护电路动作而停止工作。
对于电压型变频器，在电动机的减速过程中回馈能量将使变频器的直流中间电路的电压上升，可能会出现过电压保护电路动作而使变频器停止工作的情况。减速过程的防失速功能的基本作用是：在过电压保护电路动作之前暂停降低变频器的输出频率或减小输出频率的降低速率，达到防止失速的目的。
3）过转矩限定运行功能这种功能的作用是对机械设备进行保护并保证运行的连续性。利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定，当电动机的输出转矩达到该设定值时，变频器停止工作并发出报警信号。
4）运行状态检测显示功能该功能主要用于检测变频器的工作状态并及时显示。
5）自动节能运行功能该功能的作用是使变频器能自动选择工作参数，使电动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行。
6）自动电压调整功能当电源电压下降时，使用自动电压调整功能可以维护电动机的高启动转矩。
7）通过外部信号对变频器进行启停控制的功能变频器通常都具有通过外部信号控制变频器启停的功能
2）频率设定功能
1）给定频率的设定方法与给定信号对应的变频器的工作频率称为给定频率，通用变频器给定频率的设定通常采用三种方法，见表4
设定方法
说明
面板给定
利用操作面板上的数字增加键和数字减小键进行频率的数字量给定或调整
预置给定
通过程序预置的方法预置给定频率。启动时，按运行键，变频器即自行升速到预置的给定频率为止。
外接给定
从控制接线端上，引入外部的电压信号或电流信号进行频率给定，这种方法常用于远程控制的情况。所有的变频器都为用户提供了可以外接给定控制信号的输入端。
2）基本频率fb和最高频率fmax电动机的额定频率称为变频器的基本频率。当频率给定信号为最大时，变频器的给定频率称为最高频率。
3）上限频率fH和下限频率fL上限频率与下限频率是调速系统所要求变频器的工作范围，根据调速系统的工作需要进行设定。设与fH、fL对应的给定信号分别是XHXL，则上限频率的定义是：当XXH时fX＝fH;下限频率的定义是：当XXL时，fX＝fL。如图所示。
4）载波频率采用PWM技术的变频器的输出电压是一系列脉冲，输出脉冲的频率称为变频器的载波频率。在电动机的电流中，具有较强的载波频率的谐波分量，它将引起电动机铁心振动而发出噪声，或对同一控制柜内的其他设备造成干扰。为降低噪声或干扰，用户可在一定范围内调整载波频率，但改变载波频率往往会影响变频器的特性。
5）点动频率生产机械在调试的过程中，以及每次新的加工过程开始前，常需要点动控制。变频器可根据生产机械的特点和要求，预先一次性地设定一个点动频率，每次点动时都在该频率下运行，而不必变动已经设定好的给定频率。（未完，待续）
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