变频器调速工作原理

变频器调速工作原理

目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流，在电气传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。

现在人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，除变频以外的另外一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。交流调速传动控制技术之所以发展的如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

1变频器的发展

近二十年来，以功率晶体管GTR为逆变器功率元件、8位微处理器为控制核心、按压频比U/f控制原理实现异步机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。其一，是所用的电力电子器件GTR以基本上为绝缘栅双极晶体管IGBT所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高。其二，是8位微处理器基本上为16位微处理器所替代，进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能

从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能。其三，是在改善压频比控制性能的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现调速，还可进行伺服控制。其发展情况可粗略地由以下几方面来说明。

1． 容量不断扩大 80年代采用BJT的PWM变频器实现了 通用化。到了90年代初BJT通用变频器的容量达到600KVA，400KVA以下的已经系列化。前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量将随之扩大。

2． 结构的小型化 变频器主电路中功率电路的模块化、控 制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术、结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。

3． 多功能化和高性能化 电力电子器件和控制技术的不断 进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，以其简练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。由于全数字控制技术的实现，并且运算速度不断提高，使得通用变频器的性能不断提高，功能不断增强。

4． 应用领域不断扩大 通用变频器经历了模拟控制、数模 混合控制直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。目前其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆，带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停

车场等都已采用了通用变频器；在其他方面，如农用机械、食品机械、各类空调、各类家用电器等等，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。

2 变频器的基本结构和分类

变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置。变频器最早的形式是用旋转变频发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机，主要是异步电动机进行调速。随着电力电子半导体器件的发展，静止式变频电源成为变频器的主要形式。

2.1变频器的基本结构

为交流电机变频调速提供变频电源的一般都是变频器。按主回路电路结构，变频器有交-交变频器和交-直-交变频器两种结构形式。

1． 交-交变频器

交-交变频器无中间直流环节，直接将工频交流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。整个系统由两组整流器组成，一组为正组整流器，一组为反组整流器，控制系统按照负载电流的极性，交替控制两组反向并联的整流器，使之轮流处于整流和逆变状态，从而获得变频变流电压，交-交变频器的电压由整流器的控制角来决定。

交-交变频器由于其控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3-1/2，不能高速运行。但由于没有中间直流环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行。交-交变频器主要用于大容

量、低转速、高性能的同步电动机传动。

2． 交-直-交变频器

交-直-交变频器，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、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。因本课题中所用变频器为交-直-交变频器，故下面的阐述主要就交-直-交变频器进行。

交-直-交变频器其基本构成如图4-2所示，由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，各部分作用如下所述：

图3.1交-直-交变频器的基本构成

（1）整流器 电网侧的变流器 是整流器，它的作用是把三相（或单相）交流电整流成直流电。

（2）逆变器 负载侧的变流器 为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

（3）中间直流环节 由于逆变器逆变器的负载属于感性负载，

在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以中间直流环节又称为中间直流储能环节。

（4）控制电路 控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。

2.2 变频器的分类

按缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件是电容还是电感，变频器可分为电压型变频器和电流型变频器两大类。

1． 电压型变频器

对于交-直-交变频器，当中间直流环节主要采用大电容作为储能元件时，主回路直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压型变频器，如图3.2所示：

图3.2电压变频型器

2．电流型变频器

当交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作为储能元件时，直流回路中电流波形比较平直，对负载来说基本上是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，称为电流型变频器。

3交流电动机变频调速原理

异步电动机是用来把交流电能转化为机械能的交流电动机的一个品种，通过定子的旋转磁场和转子感应电流的相互作用使转子转动。

3.1异步交流电动机的机械特性

图3.3所示为固定电压下异步电动机的机械特性曲线。因为该特性对变频器的使用关系极大。下面把特性曲线中标出的一些术语作简要说明：

启动转矩：处于停止状态的异步电动机加上电压后，电动机产生的转矩。通常启动转矩为额定转矩的1.25倍。

最大转矩：在理想情况下，电动机在最大转差为Sm时产生的最大值转矩Tm。

启动电流：通常启动电流为额定电流的5~6倍。

图3.3 异步电动机机械特性曲线

空载电流：电动机在空载时产生的电流，此时电动机的转速接近同步转速。

电动状态：电动机产生转矩，使负载转动。

再生制动状态：由于负载的原因，使电动机实际转速超过同步转速，此时，负载的机械能量转换为电能并反馈给电源，异步电动机作为发电机运行。

反接制动状态：将三相电源中的两相互换后，旋转磁场的方向发生改变，对电动机产生制动作用，负载的机械能将转换为电能，并消耗于转子电阻上。

3.2异步交流电动机变频调速

现代交流调速传动，主要指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。对于交流异步电动机，调速方法很多，其中以变频调速性能最好。由电机学知识知道，异步电动机同步转速，即旋转磁场转速为

n160f1 (4-1) p

式中，f1为供电电源频率，p为电机极对数。

异步电动机轴转速为

nn1(1s)60f1(1s) (4-2) p

n1n 。 n式中，s为异步电动机的转差率，s

改变电动机的供电电源频率f1，可以改变其同步转速，从而实现调速运行。

3.3 U/f 控制

交流电机通过改变供电电源频率，可实现电机调速运行。对电机进行调速速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。

由电机理论知道，三相交流电机定子每相电动势的有效值为

E14.44f1N1kN1m (3-1)

式中 E1——定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值；

f1——定子频率；

N1——定子每相有效匝数；

KN1——基波绕组系数；

φm——每极磁通量。

由上式知道，电机选定，则N1为常数，φm 由E1、 f1共同决定，对E1、 f1适当控制，可保持φ

和基频以上两种情况。

（1）基频以下调速

由式（3-1），保持E1/f1=常数，可保持φm不变，但实际中m为额定值不变，对此，需考虑基频以下E1难于直接检测和控制。当值较高时定子漏阻抗可忽不计，认为定子相电压U1E1，保持U1/f1=常数即可。当频率较低时，定子漏阻抗压降不能忽略，这时，可人为的适当提高定子电压补偿定子电阻压降，以保持气隙磁通基本不变。

（2）基频以上调速

基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1不能超过额定电压U1N，由式（3-1）可知，这将迫使磁通与频率成反比下降，相当于直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图3.4所示的电机U/f控制特性

U

图3.4 U/f控制特性

由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）调速控制。

3.4矢量控制

U/f控制方式建立于电机的静态数学模型，因此，动态性能指标不高。对于对动态性能要求较高的应用，可以采用矢量控制方式。

矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和与其相垂直的产生转矩的电流分量(转矩电流)，并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式被称为矢量控制（Vectory Control）。

矢量控制方式使异步电动机的高性能控制成为可能。矢量控制变频器不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机转矩的变化，所以已经在许多需精密或快速控制的领域中得到应用。

变频器调速工作原理

目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流，在电气传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。

现在人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，除变频以外的另外一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。交流调速传动控制技术之所以发展的如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

1变频器的发展

近二十年来，以功率晶体管GTR为逆变器功率元件、8位微处理器为控制核心、按压频比U/f控制原理实现异步机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。其一，是所用的电力电子器件GTR以基本上为绝缘栅双极晶体管IGBT所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高。其二，是8位微处理器基本上为16位微处理器所替代，进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能

从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能。其三，是在改善压频比控制性能的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现调速，还可进行伺服控制。其发展情况可粗略地由以下几方面来说明。

1． 容量不断扩大 80年代采用BJT的PWM变频器实现了 通用化。到了90年代初BJT通用变频器的容量达到600KVA，400KVA以下的已经系列化。前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量将随之扩大。

2． 结构的小型化 变频器主电路中功率电路的模块化、控 制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术、结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。

3． 多功能化和高性能化 电力电子器件和控制技术的不断 进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，以其简练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。由于全数字控制技术的实现，并且运算速度不断提高，使得通用变频器的性能不断提高，功能不断增强。

4． 应用领域不断扩大 通用变频器经历了模拟控制、数模 混合控制直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。目前其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆，带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停

车场等都已采用了通用变频器；在其他方面，如农用机械、食品机械、各类空调、各类家用电器等等，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。

2 变频器的基本结构和分类

变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置。变频器最早的形式是用旋转变频发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机，主要是异步电动机进行调速。随着电力电子半导体器件的发展，静止式变频电源成为变频器的主要形式。

2.1变频器的基本结构

为交流电机变频调速提供变频电源的一般都是变频器。按主回路电路结构，变频器有交-交变频器和交-直-交变频器两种结构形式。

1． 交-交变频器

交-交变频器无中间直流环节，直接将工频交流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。整个系统由两组整流器组成，一组为正组整流器，一组为反组整流器，控制系统按照负载电流的极性，交替控制两组反向并联的整流器，使之轮流处于整流和逆变状态，从而获得变频变流电压，交-交变频器的电压由整流器的控制角来决定。

交-交变频器由于其控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3-1/2，不能高速运行。但由于没有中间直流环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行。交-交变频器主要用于大容

量、低转速、高性能的同步电动机传动。

2． 交-直-交变频器

交-直-交变频器，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、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。因本课题中所用变频器为交-直-交变频器，故下面的阐述主要就交-直-交变频器进行。

交-直-交变频器其基本构成如图4-2所示，由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，各部分作用如下所述：

图3.1交-直-交变频器的基本构成

（1）整流器 电网侧的变流器 是整流器，它的作用是把三相（或单相）交流电整流成直流电。

（2）逆变器 负载侧的变流器 为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

（3）中间直流环节 由于逆变器逆变器的负载属于感性负载，

在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以中间直流环节又称为中间直流储能环节。

（4）控制电路 控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。

2.2 变频器的分类

按缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件是电容还是电感，变频器可分为电压型变频器和电流型变频器两大类。

1． 电压型变频器

对于交-直-交变频器，当中间直流环节主要采用大电容作为储能元件时，主回路直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压型变频器，如图3.2所示：

图3.2电压变频型器

2．电流型变频器

当交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作为储能元件时，直流回路中电流波形比较平直，对负载来说基本上是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，称为电流型变频器。

3交流电动机变频调速原理

异步电动机是用来把交流电能转化为机械能的交流电动机的一个品种，通过定子的旋转磁场和转子感应电流的相互作用使转子转动。

3.1异步交流电动机的机械特性

图3.3所示为固定电压下异步电动机的机械特性曲线。因为该特性对变频器的使用关系极大。下面把特性曲线中标出的一些术语作简要说明：

启动转矩：处于停止状态的异步电动机加上电压后，电动机产生的转矩。通常启动转矩为额定转矩的1.25倍。

最大转矩：在理想情况下，电动机在最大转差为Sm时产生的最大值转矩Tm。

启动电流：通常启动电流为额定电流的5~6倍。

图3.3 异步电动机机械特性曲线

空载电流：电动机在空载时产生的电流，此时电动机的转速接近同步转速。

电动状态：电动机产生转矩，使负载转动。

再生制动状态：由于负载的原因，使电动机实际转速超过同步转速，此时，负载的机械能量转换为电能并反馈给电源，异步电动机作为发电机运行。

反接制动状态：将三相电源中的两相互换后，旋转磁场的方向发生改变，对电动机产生制动作用，负载的机械能将转换为电能，并消耗于转子电阻上。

3.2异步交流电动机变频调速

现代交流调速传动，主要指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。对于交流异步电动机，调速方法很多，其中以变频调速性能最好。由电机学知识知道，异步电动机同步转速，即旋转磁场转速为

n160f1 (4-1) p

式中，f1为供电电源频率，p为电机极对数。

异步电动机轴转速为

nn1(1s)60f1(1s) (4-2) p

n1n 。 n式中，s为异步电动机的转差率，s

改变电动机的供电电源频率f1，可以改变其同步转速，从而实现调速运行。

3.3 U/f 控制

交流电机通过改变供电电源频率，可实现电机调速运行。对电机进行调速速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。

由电机理论知道，三相交流电机定子每相电动势的有效值为

E14.44f1N1kN1m (3-1)

式中 E1——定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值；

f1——定子频率；

N1——定子每相有效匝数；

KN1——基波绕组系数；

φm——每极磁通量。

由上式知道，电机选定，则N1为常数，φm 由E1、 f1共同决定，对E1、 f1适当控制，可保持φ

和基频以上两种情况。

（1）基频以下调速

由式（3-1），保持E1/f1=常数，可保持φm不变，但实际中m为额定值不变，对此，需考虑基频以下E1难于直接检测和控制。当值较高时定子漏阻抗可忽不计，认为定子相电压U1E1，保持U1/f1=常数即可。当频率较低时，定子漏阻抗压降不能忽略，这时，可人为的适当提高定子电压补偿定子电阻压降，以保持气隙磁通基本不变。

（2）基频以上调速

基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1不能超过额定电压U1N，由式（3-1）可知，这将迫使磁通与频率成反比下降，相当于直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图3.4所示的电机U/f控制特性

U

图3.4 U/f控制特性

由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）调速控制。

3.4矢量控制

U/f控制方式建立于电机的静态数学模型，因此，动态性能指标不高。对于对动态性能要求较高的应用，可以采用矢量控制方式。

矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和与其相垂直的产生转矩的电流分量(转矩电流)，并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式被称为矢量控制（Vectory Control）。

矢量控制方式使异步电动机的高性能控制成为可能。矢量控制变频器不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机转矩的变化，所以已经在许多需精密或快速控制的领域中得到应用。