浅谈变频器原理

　　[摘要]交流变频调速技术发展概况纵观电力传动的发展过程，交、直流两种传动方式共存于各个生产领域，由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统，因此直流调速系统一直在调速领域内居首位。但由于直流电动机具有机械整流器和电刷，因而存在着维护保养工作量大、电动机安装环境受到限制和难以向大容量、高转速及高电压方向发展等缺点。随着电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能电力电子元器件产品的出现，历来阻碍交流调速技术发展的一些因素相继被克服，原直流调速系统领先的一些技术性能，交流调速系统都能与直流调速系统相媲美。因此，交流调速在电气传动领域中越来越占有重要的地位，它已成为机电一体化的电气传动技术。

　　[关键词]变频器

　　作者：侯志鹏

　　一、变频调速器的分类

　　可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器；交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，目前广泛采用交-直-交变频器。

　　二、变频调速的原理和实现算法变压变频的基本原理

　　根据电机学原理，异步电动机的转速为：n=60f（1-s）/p，在改变供电电源频率时，电机的同步转速也相应的改变。当电机在负载条件下运行时，电机转速低于电机的同步转速，两者的差值就是转差，转差的大小与电机的负载有关。

　　电机定子每相感应电动势的有效值为：Es=4.44fsNksΦm。

　　由异步电机T型等效电路图1-1可知异步电机端电压与感应电动势的关系式为：U1=E1+I1R1其中，R1，I1分别为定子绕组阻抗及其流过的电流。在电机控制过程中，使每级磁通中Φm保持为额定值不变是关键的一环。磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；若增大磁通，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。在交流异步电机中，磁通Φm是定子和转子磁动势合成产生的，因此由式Es=4.44fsNksΦm可知，只要同时协调控制Es和fs，就可以达到控制Φm并使之恒定的目的。对此，需要考虑额定频率以下和额定频率以上两种情况。

　　1.额定频率以下的调速，要保持Φm不变，当频率fs从额定值介向下调节时，必须同时降低Es，使：Φm=常数即采用恒电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当定子频率fs较高时感应电动势的值也增大，因此可以忽略定子阻抗压降，认为定子相电压Us=Es则得：Φm=KUs/fs=常数，这就是恒压频比（（V/F）的控制方式。低频时，Es和Us都较小，定子阻抗压降所占的比率就比较显著，不能再忽略，这时可以人为的对定子阻抗压降进行补偿，适当的提高逆变器的输出电压。

　　2.额定频率以上的调速：在额定频率以上调速时，频率可以从额定值fsn往上提高，但是端电压Us不能继续上升，只能维持在额定值Usn，这将迫使磁通与频率成反比的下降，相当于直流电机的弱磁升速的情况。在整个电机调速范围内，异步电机的控制特性如图1-2所示。如果电机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许的条件下长期运行。这时电机转矩基本上随磁通变化，因此在额定频率以下为恒转矩调速，在额定频率以上为恒功率调速。

　　三、变频调速系统的硬件实现

　　主要由整流器、滤波环节、逆变器、检测环节和控制回路组成。系统主电路采用交-直-交电压型变频器结构，采用SPWM变频技术。

　　四、变频器的主电路

　　变频器是将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电器设备，用以驱动交流异步（同步）电动机进行变频调速，不但能满足不同生产工艺需要，而且节能效果显著。

　　过去传统的调速方式是晶闸管直流电动机传动系统，但直流电动机本身存在一些固有的缺点：直流电动机造价高、维护量大；受使用环境制约条件多；最高速度和容量都有一定限制等。而交流调速系统具有结构简单、成本低廉、节能、高精度和响应快速等突出优点。

　　异步电动机其转速为：，从上式可以看出，改变极对数p、转差率s和调节电源频率f都可以调速。对于同步电动机，运行中改变极对数p会引起失步，对于异步电动机，改变极对数p是有级调速，改变转差率s大部分是耗能调速，唯有改变频率调速是交流电动机较为理想的调速方式。但是只改变频率并不能使电动机得到经济可靠的运行，原因是异步电动机是铁磁结构。对于任何铁磁结构的设备，只有使它的磁通保持为额定磁通，才可使铁磁材料得到充分利用。对于异步电动机，有如下的关系式：U≈E=4.44fNKWφ。

　　式中，U：定子电压；E：定子电动势；f：定子频率；N：定子每相绕组的匝数；KW：绕组系数；φ：每极气隙磁通。在变频调速时，为了得到所需的电磁转矩，使电动机的铁磁材料得到充分利用，则应尽可能地使气隙磁通恒定为额定磁通。由U≈E=4.44fNKWφ式可知，为保持气隙磁通φ近似不变，在调节定子频率f时则必须同时改变定子电压U，即U/f=常数。为此，用于交流电动机变频调速的变频器实际上都是变压变频器，即VVVF。由于电机的电压不能超过额定电压，因此，在基频以上调频时，电压U只能保持在额定电压，当电压U一定时，电机的气隙磁通φ随着频率f的升高成比例下降，类似直流电机的弱磁调速，因此，基频以上的调速属恒功率调速。