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变频器主电路基本构成
接线图
2023年07月21日 22:47 261
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变频器的主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。下面我们将分别介绍这三部分电路。
1.整流电路
整流电路的主要作用是对电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。在电流型变频器中整流电路的作用相当于一个直流电流源，而在电压型变频器中整流电路的作用则相当于一个直流电压源。根据所用整流元器件的不同，整流电路也有多种形式。
由于各种整流电路的基本工作方式和电路构成在许多参考书中都可以找到，在这里就不再赘述了。
2.直流中间电路
虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率六倍的电压或电流纹波。此外，变频器逆变电路也将凶为输出和载频等原因而产生纹波电压和电流，并反过来影响直流电压或电流的质量。因此，为了保证逆变电路和控制电源能够得到较高质景的直流电流或电压，必须对整流电路的输出进行平滑，以减少电压或电流的波动。这就是直流中间电路的作用。而正因为如此，直流中间电路也称为平滑电路。
对电压型变频器来说，整流电路的输出为直流电压，直流中间电路则通过大容量的电容对输出电压进行平滑。而对电流型变频器来说，整流电路的输出为直流电流，直流中间电路则通过大容量电感对输出电流进行平滑。
电压型变频器中用于直流中间电路的直流电容为大容量铝电解电容。为了得到所需的耐压值和容量，往往根据电压和变频器容量的要求将电容进行串联和并联使用。
当整流电路为二极管整流电路时，由于在电源接通时电容中将流过较大的充电电流（浪涌电流），有烧坏二极管以及影响处于同一电源系统的其他装置正常工作的可能，必须采取相应措施。
3.逆变电路
逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电雎（电流）转换为具有所需频率的交流电压（电流）。逆变电路的输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
电压型变频器
在电压型变频器中，整流电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电压。
在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。
电压型变频器主电路的结构因其使用的换流器件的不同而有多种形式。关于这些电路的结构，可参考有关资料。
电流型变频器
整流电路通过中间电路的电抗将电流平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电流提供给电动机。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的。
对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可通过将直流中间电路的电压反向的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流型控制方式更适合于大容量变频器。
PAM调制变频器(参见)
PAM控制是脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation)的缩写，是一种在整流电路部分对输出电压(电流)的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。因为在PAM控制的变频器中，逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调制方式。
由于逆变电路换流器件的开关频率(简称载波频率)较低，在使用PAM控制方式的变频器进行调速驱动时具有电动机运转噪音小，效率高等特点。但是，由于这种控制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂。此外，这种控制方式也还具有当电动机进行低速运转时波动较大的缺点。
PWM调制变频器
PWM控制是脉冲宽度调制(Pulse Width ModuLation)的缩写。交--直--交变频器要求具有两个基本特点：即输出电压的频率和幅度可变。在PAM变频器中，逆变器起变频作用，整流器完成变压。如在逆变器环节中，将每个半周的矩形分成许多小脉冲，通过调整脉冲宽度的大小，也可起到调压的作用。这就是所谓的PWM方式。
为使异步电动机在进行调速运转时能够更加平滑，目前在变频器中多采用SPWM法(正弦波PWM调制方式)。所谓SPWM法指的是通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。(参见)
采用PWM控制方式的变频器具有可减少高次谐波带来的各种不良影响，转矩波动小，而且控制电路简单，成本低等特点，是目前在变频器中采用最多的一种逆变电路控制方式。但是，该方式也具有当载波频率不合适时会产生较大的电动机运转噪音的缺点。为了克服这个缺点，在采用PWM控制方式的新型变频器中都具有一个可改变变频器载波频率的功能，以便使用户根据实际需要改变变频器的载波频率，从而达到降低电动机运转噪音的目的。
V/f控制变频器
V/f控制是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使电压和频率之比V/f的值保持一定而得到所需的转矩特性。采用V/f控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求不太高的通用变频器。
转差频率控制变频器
转差频率控制方式是对V/f控制的一种改进。在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机轴上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定，从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。
转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，井可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和V/f控制方式相比，在负载发生较大变化时仍能达到较高的速度精度和具有较好的转矩特性。但由于采用这种控制方式时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差。
矢量控制变频器
矢量控制是70年代西德B1aschke等人首先提出来的对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法。矢量控制的基本思想是：将异步电动机的定子电流分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，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。
矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能。采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可与直流电动机相匹敌，而且可直接控制异步电动机产生的转矩。故已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。
由于在进行矢量控制时需要准确地掌握对象电动机的有关参数，这种控制方式过去主要用于厂家指定的变频器专用电动机的控制。但随着变频调速理论和技术的发展及现代控制理论在变频器中的成功应用，目前在新型矢量控制变频器中已经增加了自调整(Auto-tuning)功能。带有这种功能的变频器在驱动异步电机正常运转之前可自动地对电动机参数进行辨识并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而使得对普通的异步电动机进行有效的矢量控制成为可能。
通用变频器
通用变频器可用于对普通异步电动机进行调速控制。随着变频器技术的发展和市场需要的不断扩大，通用变频器正朝着两个方向发展：低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器。
简易型通用变频器以节能为主要目的，削减了一些系统功能。主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于调速性能要求不高的场所，并具有体积小，价格低等方面的优势。
高性能多功能通用变频器在设计时充分考虑了应用中可能出现的各种需要，并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备。使用时，用户可根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设定，也可根据系统的需要选择厂家所提供的各种选件来满足系统的特殊需要。高性能多功能变频器广泛应用于传送带、升降装置以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有较高要求的许多场合。
过去，通用型变频器基本上采用的是电路结构比较简单的V/f控制方式，其转矩控制性能较差。但随着变频器技术的发展，目前一些厂家已经推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用变频器。这种高性能多功能通用变频器在性能上已经接近过去的高性能矢量控制变频器，但在价格方面却与过去采用V/f控制方式的通用变频器基本持平。
高性能专用变频器
随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的发展，异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展，采用矢量控制方式的高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上已经达到和超过了直流伺服系统。此外，由于异步电机还具有环境适应性强、维护简单等许多直流伺服电机所不具备的优点，在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。
与通用变频器相比，高性能专用变频器基本上都采用了矢量控制，而驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电机，并且主要应用于对电动机的控制性能要求较高的系统。此外，高性能专用变频器往往是为了满足某些特定产业或区域的需要，使变频器具有最好的性能价格比而设计生产的。例如，在机床主轴驱动专用的高性能变频器中，为了便于和数控装置配合完成各种工作，变频器的主电路、回馈制动电路和各种接口电路等被做成一体，从而达到了缩小体积和降低成本的要求。
此外，在超精密加工和高性能机械领域常常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器。这类变频器的输出频率可达到3kHz，所以在驱动两极异步电动机时电动机的最高转速可达到180000r/min。
图6-31所示为目前市场主流的交--直--交变频器的基本结构。
1.整流电路
整流电路的主要作用是对电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。在电流型变频器中整流电路的作用相当于一个直流电流源，而在电压型变频器中整流电路的作用则相当于一个直流电压源。根据所用整流元器件的不同，整流电路也有多种形式。
由于各种整流电路的基本工作方式和电路构成在许多参考书中都可以找到，在这里就不再赘述了。
2.直流中间电路
虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率六倍的电压或电流纹波。此外，变频器逆变电路也将凶为输出和载频等原因而产生纹波电压和电流，并反过来影响直流电压或电流的质量。因此，为了保证逆变电路和控制电源能够得到较高质景的直流电流或电压，必须对整流电路的输出进行平滑，以减少电压或电流的波动。这就是直流中间电路的作用。而正因为如此，直流中间电路也称为平滑电路。
对电压型变频器来说，整流电路的输出为直流电压，直流中间电路则通过大容量的电容对输出电压进行平滑。而对电流型变频器来说，整流电路的输出为直流电流，直流中间电路则通过大容量电感对输出电流进行平滑。
电压型变频器中用于直流中间电路的直流电容为大容量铝电解电容。为了得到所需的耐压值和容量，往往根据电压和变频器容量的要求将电容进行串联和并联使用。
当整流电路为二极管整流电路时，由于在电源接通时电容中将流过较大的充电电流（浪涌电流），有烧坏二极管以及影响处于同一电源系统的其他装置正常工作的可能，必须采取相应措施。
3.逆变电路
逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电雎（电流）转换为具有所需频率的交流电压（电流）。逆变电路的输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
电压型变频器
在电压型变频器中，整流电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电压。
在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。
电压型变频器主电路的结构因其使用的换流器件的不同而有多种形式。关于这些电路的结构，可参考有关资料。
电流型变频器
整流电路通过中间电路的电抗将电流平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电流提供给电动机。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的。
对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可通过将直流中间电路的电压反向的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流型控制方式更适合于大容量变频器。
PAM调制变频器(参见)
PAM控制是脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation)的缩写，是一种在整流电路部分对输出电压(电流)的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。因为在PAM控制的变频器中，逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调制方式。
由于逆变电路换流器件的开关频率(简称载波频率)较低，在使用PAM控制方式的变频器进行调速驱动时具有电动机运转噪音小，效率高等特点。但是，由于这种控制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂。此外，这种控制方式也还具有当电动机进行低速运转时波动较大的缺点。
PWM调制变频器
PWM控制是脉冲宽度调制(Pulse Width ModuLation)的缩写。交--直--交变频器要求具有两个基本特点：即输出电压的频率和幅度可变。在PAM变频器中，逆变器起变频作用，整流器完成变压。如在逆变器环节中，将每个半周的矩形分成许多小脉冲，通过调整脉冲宽度的大小，也可起到调压的作用。这就是所谓的PWM方式。
为使异步电动机在进行调速运转时能够更加平滑，目前在变频器中多采用SPWM法(正弦波PWM调制方式)。所谓SPWM法指的是通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。(参见)
采用PWM控制方式的变频器具有可减少高次谐波带来的各种不良影响，转矩波动小，而且控制电路简单，成本低等特点，是目前在变频器中采用最多的一种逆变电路控制方式。但是，该方式也具有当载波频率不合适时会产生较大的电动机运转噪音的缺点。为了克服这个缺点，在采用PWM控制方式的新型变频器中都具有一个可改变变频器载波频率的功能，以便使用户根据实际需要改变变频器的载波频率，从而达到降低电动机运转噪音的目的。
V/f控制变频器
V/f控制是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使电压和频率之比V/f的值保持一定而得到所需的转矩特性。采用V/f控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求不太高的通用变频器。
转差频率控制变频器
转差频率控制方式是对V/f控制的一种改进。在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机轴上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定，从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。
转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，井可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和V/f控制方式相比，在负载发生较大变化时仍能达到较高的速度精度和具有较好的转矩特性。但由于采用这种控制方式时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差。
矢量控制变频器
矢量控制是70年代西德B1aschke等人首先提出来的对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法。矢量控制的基本思想是：将异步电动机的定子电流分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，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。
矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能。采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可与直流电动机相匹敌，而且可直接控制异步电动机产生的转矩。故已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。
由于在进行矢量控制时需要准确地掌握对象电动机的有关参数，这种控制方式过去主要用于厂家指定的变频器专用电动机的控制。但随着变频调速理论和技术的发展及现代控制理论在变频器中的成功应用，目前在新型矢量控制变频器中已经增加了自调整(Auto-tuning)功能。带有这种功能的变频器在驱动异步电机正常运转之前可自动地对电动机参数进行辨识并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而使得对普通的异步电动机进行有效的矢量控制成为可能。
通用变频器
通用变频器可用于对普通异步电动机进行调速控制。随着变频器技术的发展和市场需要的不断扩大，通用变频器正朝着两个方向发展：低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器。
简易型通用变频器以节能为主要目的，削减了一些系统功能。主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于调速性能要求不高的场所，并具有体积小，价格低等方面的优势。
高性能多功能通用变频器在设计时充分考虑了应用中可能出现的各种需要，并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备。使用时，用户可根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设定，也可根据系统的需要选择厂家所提供的各种选件来满足系统的特殊需要。高性能多功能变频器广泛应用于传送带、升降装置以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有较高要求的许多场合。
过去，通用型变频器基本上采用的是电路结构比较简单的V/f控制方式，其转矩控制性能较差。但随着变频器技术的发展，目前一些厂家已经推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用变频器。这种高性能多功能通用变频器在性能上已经接近过去的高性能矢量控制变频器，但在价格方面却与过去采用V/f控制方式的通用变频器基本持平。
高性能专用变频器
随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的发展，异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展，采用矢量控制方式的高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上已经达到和超过了直流伺服系统。此外，由于异步电机还具有环境适应性强、维护简单等许多直流伺服电机所不具备的优点，在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。
与通用变频器相比，高性能专用变频器基本上都采用了矢量控制，而驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电机，并且主要应用于对电动机的控制性能要求较高的系统。此外，高性能专用变频器往往是为了满足某些特定产业或区域的需要，使变频器具有最好的性能价格比而设计生产的。例如，在机床主轴驱动专用的高性能变频器中，为了便于和数控装置配合完成各种工作，变频器的主电路、回馈制动电路和各种接口电路等被做成一体，从而达到了缩小体积和降低成本的要求。
此外，在超精密加工和高性能机械领域常常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器。这类变频器的输出频率可达到3kHz，所以在驱动两极异步电动机时电动机的最高转速可达到180000r/min。
图6-31所示为目前市场主流的交--直--交变频器的基本结构。
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