變頻器

變頻技術誕生背景是交流電機無級調速的廣泛需求。傳統的直流調速技術因體積大故障率高而應用受限。 ^[3] 

20世紀60年代以後，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產品。但其調速性能遠遠無法滿足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術企業開始批量化生產變頻器，開啓了變頻器工業化的新時代。 ^[3] 

20世紀70年代開始，脈寬調製變壓變頻(PWM－VVVF)調速的研究得到突破，20世紀80年代以後微處理器技術的完善使得各種優化算法得以容易的實現。 ^[3] 

20世紀80年代中後期，美、日、德、英等發達國家的 VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研製的。不過美國和德國憑藉電子元件生產和電子技術的優勢，高端產品迅速搶佔市場。 ^[3] 

相比較國外變頻器的發展狀況，我國的變頻器應用起步較晚，直到20世紀90年代末期才得到較為廣泛的推廣。國內變頻技術發展狀況，可以概括為：變頻器的整體技術相對落後，和國外在變頻調速研究上取得的先進成果比，存在着較大的差距；變頻器使用的核心部件技術空白，目前來説，變頻器的生產中需要的關鍵功率器件，在國內幾乎沒有廠家可以生產，導致我們核心技術受制於國外，必須依靠進口；主要產品集中在低壓產品和中低端市場。由於產品可靠性和工藝水平不高，目前國內變頻器產品主要面向低壓和對性能要求一般的市場，高性能、大功率市場主要被國外大公司佔領。 ^[11] 

步入21世紀後，國產變頻器逐步崛起，現已逐漸搶佔高端市場。上海和深圳成為國產變頻器發展的前沿陣地。 ^[3] 

變頻功率分析儀(5張)

主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波迴路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器“。 ^[4] 

大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由於其功率方向可逆，可以進行再生運轉。 ^[4] 

在整流器整流後的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，採用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有餘量，可以省去電感採用簡單的平波迴路。 ^[4] 

同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。 ^[4] 

控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的迴路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 ^[4] 

（1）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 ^[4] 

（2）電壓、電流檢測電路：與主迴路電位隔離檢測電壓、電流等。 ^[4] 

（3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。 ^[4] 

（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算迴路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。 ^[4] 

（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞。 ^[4] 

變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。風機、泵類負載採用變頻調速後，節電率為20%～60%，這是因為風機、泵類負載的實際消耗功率基本與轉速的三次方成比例。當用户需要的平均流量較小時，風機、泵類採用變頻調速使其轉速降低，節能效果非常明顯。而傳統的風機、泵類採用擋板和閥門進行流量調節，電動機轉速基本不變，耗電功率變化不大。據統計，風機、泵類電動機用電量佔全國用電量的31%，佔工業用電量的50%。在此類負載上使用變頻調速裝置具有非常重要的意義。目前，應用較成功的有恆壓供水、各類風機、中央空調和液壓泵的變頻調速。 ^[5] 

由於變頻器內置有32位或16位的微處理器，具有多種算術邏輯運算和智能控制功能，輸出頻率精度為0.1%~0.01%，且設置有完善的檢測、保護環節，因此，在自動化系統中獲得廣泛應用。例如：化纖工業中的卷繞、拉伸、計量、導絲；玻璃工業中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機；電弧爐自動加料、配料系統以及電梯的智能控制等。變提高工藝水平和產品質量方面的應用頻器在數控機牀控制、汽車生產線、造紙和電梯上的應用。 ^[5] 

變頻器還可以廣泛應用於傳送、起重、擠壓和機牀等各種機械設備控制領域，它可以提高工藝水平和產品質量，減少設備的衝擊和噪聲，延長設備的使用壽命。採用變頻調速控制後，使機械系統簡化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變原有的工藝規範，從而提高了整個設備的功能。例如，紡織和許多行業用的定型機，機內温度是靠改變送入熱風的多少來調節的。輸送熱風通常用的是循環風機，由於風機速度不變，送入熱風的多少隻有用風門來調節。如果風門調節失靈或調節不當就會造成定型機失控，從而影響成品質量。循環風機高速啓動，傳動帶與軸承之間磨損非常厲害，使傳動帶變成了一種易耗品。在採用變頻調速後，温度調節可以通過變頻器自動調節風機的速度來實現，解決了產品質量問題。此外，變頻器能夠很方便地實現風機在低頻低速下啓動並減少了傳動帶與軸承之間的磨損，還可以延長設備的使用壽命，同時可以節能40%。 ^[5] 

電機硬啓動不僅會對電網造成嚴重的衝擊，而且會對電網容量要求過高，啓動時產生的大電流和震動對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻器後，變頻器的軟啓動功能將使啓動電流從零開始變化，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的衝擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，同時也節省設備的維護費用。 ^[6] 

1．按輸入電壓等級分類

變頻器按輸入電壓等級可分低壓變頻器和高壓變頻器，低壓變頻器國內常見的有單相220 V變頻器、三相220 V變頻器、i相380 V變頻器。高壓變頻器常見有6 kV、10 kV變壓器，控制方式一般是按高低一高變頻器或高一高變頻器方式進行變換的。 ^[7] 

2．按變換頻率的方法分類

變頻器按頻率變換的方法分為交-交型變頻器和交-直交型變頻器。交-交型變頻器可將工頻交流電直接轉換成頻率、電壓均可以控制的交流，故稱直接式變頻器。交直-交型變頻器則是先把工頻交流電通過整流裝置轉變成直流電，然後再把直流電變換成頻率、電壓均可以調節的交流電，故又稱為間接型變頻器。 ^[7] 

3．按直流電源的性質分類

在交-直-交型變頻器中，按主電路電源變換成直流電源的過程中，直流電源的性質分為電壓型變頻器和電流型變頻器。 ^[7] 

變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈衝信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優缺點，必須按照實際的需要進行選擇設置，同時也可以根據功能需要選擇不同頻率給定方式進行疊加和切換。 ^[6] 

低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都採用交—直—交電路。其控制方式經歷了以下四代。 ^[8] 

其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由於輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。 ^[8] 

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調製波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用後又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。 ^[8] 

矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相座標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止座標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉座標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當於直流電動機的勵磁電流；It1相當於與轉矩成正比的電樞電流)，然後模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的座標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然後分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經座標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由於轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較複雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。 ^[8] 

1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，並以新穎的控制思想、簡潔明瞭的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉矩控制直接在定子座標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多複雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。 ^[8] 

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由於矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術雖尚未成熟，但仍吸引着眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是： ^[8] 

1、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式； ^[8] 

2、自動識別(ID)依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別； ^[8] 

3、算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制； ^[8] 

4、實現Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態進行控制。 ^[8] 

矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩響應(<2ms)，很高的速度精度(±2%，無PG反饋)，高轉矩精度(<+3%)；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時(包括0速度時)，可輸出150%～200%轉矩。 ^[8] 

選用變頻器的類型，按照生產機械的類型、調速範圍、靜態速度精度、起動轉矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經濟，以滿足工藝和生產的基本條件和要求 ^[9]  。

1）電機的極數。一般電機極數以不多於(極為宜，否則變頻器容量就要適當加大。

2）轉矩特性、臨界轉矩、加速轉矩。在同等電機功率情況下，相對於高過載轉矩模式，變頻器規格可以降額選取。3）電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當電機與變頻器距離超過50m時，應在它們中間串入電抗器、濾波器或採用屏蔽防護電纜 ^[9]  。

系統效率等於變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統效率才較高。從效率角度出發，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點： ^[9] 

1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。 ^[9] 

2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要儘可能接近電動機的功率，但應略大於電動機的功率。 ^[9] 

3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處於重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。 ^[9] 

4）經測試，電動機實際功率確實有富餘，可以考慮選用功率小於電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峯值電流是否會造成過電流保護動作。 ^[9] 

5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果 ^[9]  。

變頻器的箱體結構要與環境條件相適應，即必須考慮温度、濕度、粉塵、酸鹼度、腐蝕性氣體等因素。常見有下列幾種結構類型可供用户選用： ^[9] 

1）敞開型IPOO型本身無機箱，適用裝在電控箱內或電氣室內的屏、盤、架上，尤其是多台變頻器集中使用時，選用這種型式較好，但環境條件要求較高； ^[9] 

2）封閉型IP20型適用一般用途，可有少量粉塵或少許温度、濕度的場合； ^[9] 

3）密封型IP45型適用工業現場條件較差的環境； ^[9] 

4）密閉型IP65型適用環境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場合 ^[9]  。

合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗，比較簡便的方法有三種： ^[9] 

1）電機實際功率確定發。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。 ^[9] 

2）公式法。當一台變頻器用於多台電機時，應滿足：至少要考慮一台電動機啓動電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。 ^[9] 

3）電機額定電流法變頻器。 ^[9] 

變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大於或等於電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。對於輕負載類，變頻器電流一般應按1.1N（N為電動機額定電流）來選擇，或按廠家在產品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇 ^[9]  。

1）電源電壓及波動。應特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應，因為在實際使用中，電網電壓偏低的可能性較大。 ^[9] 

2）主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統的熱損耗，導致噪聲增加，輸出降低。 ^[9] 

3）變頻器和電機在工作時，自身的功率消耗。在進行系統主電源供電設計時，兩者的功率消耗因素都應考慮進去 ^[9]  。

電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅），使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高温的優點；並製造出體積小、容量大的驅動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發研製之中。隨着IT技術的迅速普及，變頻器相關技術發展迅速，未來主要向以下幾個方面發展： ^[10] 

智能化的變頻器使用時不必進行很多參數設定，本身具備故障自診斷功能，具有高穩定性、高可靠性及實用性。

目前市場上新型變頻器都內置了接口，同時提供多種相互兼容的通信接口，支持多種通信協議，同時可以通過連接計算機，由計算機鍵盤來控制和操作變頻器，並且可與多種現場總線進行聯網通信， ^[11]  可以實現多台變頻器聯動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統。 ^[10] 

變頻器的製造專門化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。 ^[10] 

隨着矢量控制、轉矩控制等控制理論的發展和高速數字信號處理器的應用，變頻器的性能將越來越高。無速度傳感器矢量控制技術的發展成熟，使變頻系統擺脱了硬件檢測電機轉速的束縛，系統體積更小。 ^[11] 

受益計算機技術的進步，變頻控制系統將實現交流調速系統和信息系統的緊密結合，同時還可以提高系統的整體性能。另外，隨着交流電機控制理論的日益豐富，相關的控制策略和控制算法也越來越複雜，需要更多的計算和存儲空間，目前全數字化的高性能交流調速系統中都廣泛的應用DSP芯片。 ^[11] 

變頻器的電磁兼容、諧波抑制、電機噪聲抑制等技術都是目前人們關注的重點，變頻器的環保問題顯得越來越重要。很多國家都已經制定了限制諧波的有關規定和標準。尋找解決好變頻器的噪聲和電磁污染的方法，也成為了很多研宄人員工作的重心。 ^[11] 

現在以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭角，有後來居上之勢。這些發電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗。現在電力電子技術、微電子技術和現代控制技術以驚人的速度向前發展，變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步，這種進步集中體現在交流調速裝置的大容量化、變頻器的高性能化和多功能化、結構的小型化等方面。 ^[10]