1.4　變頻器的分類方法和應用領域

1.4.1　變頻器的基本結構

變頻器的種類很多，其內部結構也各有不同，但它們的基本結構都是相似的，它們的主要區別只是主回路工作方式不同、控制電路和檢測電路等具體線路不同。對于矢量控制方式的變頻器來說，它需要進行大量的運算，其運算電路有時還有一個以數字信號處理器（DSP）為主的轉矩運算用CPU和相應的磁通檢測及調節電路。

圖1-51是大多數變頻器都具有的硬件結構。變頻器主要由整流電路、直流中間電路、逆變電路和控制電路組成。

整流電路是由全波整流橋組成的，用于對三相或單相的工頻電源進行全波整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。

直流中間電路用于對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路和控制電路能獲得質量較高的直流電源。當整流電路是電壓源時，直流中間電路的主要元件是大容量的電解電容器；而整流電路是電流源時，直流中間電路的主要元件是大容量的電感器。由于電動機制動的需要，在直流中間電路中，有時還包括制動電阻器及其控制電路。

逆變電路是變頻器的主要組成部分之一。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源，轉換成頻率和電壓都任意可調的交流電源。逆變電路的輸出，就是變頻器的輸出，用它實現對電動機的調速控制。

變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、驅動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分，這是變頻器的核心部分。控制電路的優劣決定了變頻器性能的優劣。控制電路的主要作用是將檢測電路得到的各種信號送到運算電路，根據運算結果為變頻器逆變電路提供驅動信號，并對變頻器以及電動機提供必要的保護措施。控制電路還通過A/D和D/A轉換電路等，對外部接口接收/發送多種形式的信號和給出系統內部的工作狀態，以便使變頻器能夠與外部設備配合，以進行各種高性能的控制。

1.4.2　變頻器的分類方法

變頻器的種類很多，分類方法有如下幾種。

（1）按頻率變換模式分

①交-交變頻器　交-交變頻器又稱直接變頻裝置，將頻率固定和電壓固定的交流電源變換成頻率和電壓連續可調的交流電源。這種交-交變頻器省去了中間直流環節，變頻效果較高。但所用器件數量頗多，總投資較大。它連續可調的輸出頻率范圍較窄，一般為工頻的50％以下，主要用于容量較大的低速拖動系統中。

②交-直-交變頻器　這種變頻器先把工頻交流電整流成直流電，再把直流電逆變成連續可調的交流電。由于把直流電逆變成交流電的環節較易控制，頻率調節范圍較寬，具有明顯的優勢，是目前普及應用最廣泛的一種變頻器。

（2）按主回路儲能方式分

①電流型變頻器　電流型變頻器的直流中間電路，所采用的儲能元件是大容量電感器。由于采用電感器進行濾波，輸出直流電流波形比較平直。電源內阻抗很大，對負載來說基本上是個電流源，所以稱為電流型變頻器。如圖1-52（a）所示的電流型變頻器中，電動機定子電壓的控制是通過檢測電壓后，對電流進行控制的方式來實現的。電流型變頻器的一大優勢是可以進行四象限運行，將能量回饋給電網。特別是對負載電流較大時仍能適應，這種方式適用于頻繁可逆運轉的變頻器。

②電壓型變頻器　在電壓型變頻器中，其直流中間電路所采用的儲能元件，是大電解電容。由于采用電解電容進行濾波，輸出直流電壓波形比較平坦。在理想情況下，可以看成是一個內阻為零的電壓源，如圖1-52（b）所示。

（3）按電壓的調制方法分

①PAM變頻器　PAM（脈幅調制）變頻器輸出電壓的大小是通過改變電壓的幅值來進行調制的。小容量變頻器基本上不用這種方法。

②PWM（脈寬調制）　這種調制方法的變頻器，其輸出電壓的大小，通過改變輸出脈沖的占空比進行調制。目前普遍應用的是占空比按正弦波規律變化的正弦波脈寬調制方式。圖1-53所示為PWM調壓原理。在圖1-53（a）中，把三角波與正弦波合成，通過邏輯控制就可以得到相應于信號波幅值的脈寬調制輸出波形，它與正弦波等效，如圖1-53（b）和圖1-53（c）所示。

（4）按控制方式分

①U/f控制變頻器　U/f控制變頻器是一種比較簡單的控制方式，它的基本特點是對變頻器輸出的電壓和頻率按一定比例同時控制，得到所需要的轉矩。采用U/f控制方式的變頻器，控制電路成本較低，多用于對精度要求不高的場合。

②轉差頻率控制變頻器　轉差頻率控制方式是對U/f控制方式的改進。在采用這種控制方式的變頻器中，電動機的實際速度由安裝在電動機上的轉速傳感器和變頻器設定頻率得到。而變頻器的輸出頻率則由電動機的實際轉速與所需轉差頻率的和被自動設定，從而達到在進行調速控制的同時，控制電動機輸出轉矩的目的。通常，這種變頻器只有采用廠商指定的變頻器專用電動機，才能達到預期的調節性能。

③矢量控制變頻器　矢量控制實現的基本原理，是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理，分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將電動機定子電流矢量，分解成產生磁場的電流分量和產生轉矩的電流分量，分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱為矢量控制方式、矢量控制方式又可分為轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器矢量控制方式。

采用矢量控制方式的通用變頻器，不僅可在調速范圍上與直流電動機相媲美，而且在控制異步電動機產生轉矩方面，達到了直流電動機控制轉矩的水平。目前，新型矢量控制通用變頻器中，已經具備異步電動機參數自我檢測、自我識別、自適應功能。帶有這種功能的通用變頻器，在驅動異步電動機進行正常運行之前，可以自動地對異步電動機的參數進行辨識。并根據辨識結果，調整控制運算中的有關參數，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。

（5）按變頻器的用途分

①通用變頻器　目前，在工業中使用的變頻器可以分為通用變頻器和專用變頻器兩大類，衡量通用變頻器性能的主要指標有控制方式、啟動轉矩、轉矩控制精度、速度控制精度、控制信號種類、速度控制方式、多段速度設定、載波頻率、頻率跳躍功能、通信接口等。新型的通用變領器基本都具備這些功能，其功能、操作、維護及應用方面均基本相似。

通用變頻器又可以分為低成本的簡易型通用變頻器和高性能多功能的通用變頻器。

簡易型通用變頻器，是以節能為目的的變頻器，主要應用于風機、水泵、鼓風機等負載。這種變頻器在轉矩控制性能方面是按降轉矩負載特性設計的。零速時的啟動轉矩比其他類型的變頻器要小一些，具有較高的節能性能。它同時具有體積小、價格低的優點。

高性能多功能通用變頻器，采用矢量控制方式或直接轉矩控制方式，并充分考慮了通用變頻器應用過程中，可能出現的各種需要。特殊功能還可以選件的形式供選擇。為滿足應用需要，在系統的軟件和硬件方面都做了相應的功能設置。高性能通用變頻器廣泛地應用于調速性能要求較高的各個領域之中。

通用變頻器在我國經過十幾年的發展，在產品種類、性能和應用范圍等方面都有了很大提高。目前，國內市場上流行的通用變頻器品牌多達幾十種，如歐美國家的品牌有西門子、ABB、Vacon（瓦控）、DANFOSS（丹佛斯）、Lenze（倫茨）、KEB（科比）、C.T.（統一）、歐陸、Moeller（金鐘-默勒）、Schneider（施耐德）、SIEI（西威）等，日本產的品牌有富士、三菱、安川、三墾、日立、松下、東芝、明電、春日、東洋等；韓國產的品牌LG、三星、現代；港澳臺地區的品牌有普傳、臺安、臺達、東元、正頻、寧茂、九德松益、愛德利等；國產的品牌有康沃、安邦信、惠豐、森蘭、阿爾法、時代、格立特、海利、佳靈、富凌、英威騰等。歐美國家的產品以性能先進、適應環境性強而著稱；日本產的產品以外形小巧、功能多而聞名；港澳臺地區的產品以符合國情、功能簡單實用而流行；而國產的產品則以大眾化、功能簡單、功能專用、價格低的優勢廣泛應用。

②專用變頻器

a.高性能專用變頻器：專用變頻器是為了滿足某些特定應用場合的需要而設計生產的，主要應用于對異步電動機控制性能要求較高的專用機械系統。隨著控制理論、交流調速理論和電力電子技術的發展，異步電動機的矢量控制得到了發展，專用變頻器基本上都采用了矢量控制方式。矢量控制變頻器及其專用電動機構成的交流伺服系統已經達到并超過了直流伺服系統。此外，由于異步電動機具有環境適應性強、維護簡單等許多直流伺服電動機所不具備的優點，在要求高速、高精度的控制中，這種高性能交流伺服變頻器正在逐步代替直流伺服系統。

b.高頻變頻器：在超精密機械加工中常要用高速電動機。一般通用變頻器最高輸出頻率為400Hz，超過此值就稱為高頻變頻器。為了滿足驅動高速電動機的需要，出現了采用PAM控制的高頻變頻器，其輸出頻率可達3kHz，在驅動兩極異步電動機時，電動機的最高轉速為18000r/min。

c.高壓變頻器：高壓變頻器是用來對高壓電動機進行調速控制的。這種變頻器通常采用耐高壓的GTO作為逆變電路的開關器。輸出頻率可達120Hz，主要應用于礦山機械、電力設備等領域中。高壓變頻器一般是大容量的變頻器，最高功率可做到5000kW，電壓等級為3kV、6kV、10kV。

d.單相變頻器：單相變頻器主要用于輸入單相交流電源，對三相交流電動機進行調速控制的場合。

常見變頻器的類別與應用如表1-2所示。

1.4.3　變頻器的應用領域

變頻器的應用目前已遍及國民經濟各部門的傳動領域，主要如下。

（1）在節能方面的應用

變頻調速已被認為是最理想、最有發展前途的調速方式之一。風機、泵類負載采用變頻調速后，節電率可以達到20％～60％，這是因為風機、泵類負載的耗電功率基本與轉速的三次方成正比。當用戶需要的平均流量較小時，風機、泵類采用變頻調速后其轉速降低，節能效果非常可觀。而傳統的風機、水泵、壓縮機在采用變頻調速后，可以節省大量電能，所需的投資在較短的時間內就可以收回。因此，在該領域中變頻調速應用得最多。目前應用較成功的有恒壓供水、各類風機、中央空調和液壓泵的變頻調速。

（2）在自動化控制系統方面的應用

由于變頻器內置有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，輸出頻率精度高達0.01％～0.1％，還設置有完善的檢測、保護環節，因此，變頻器在自動化控制系統中獲得了廣泛的應用。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。

（3）在產品工藝和質量方面的應用

變頻器還可以廣泛應用于傳送、起重、擠壓和機床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，減少設備的沖擊和噪聲，延長設備的使用壽命。變頻調速控制可使機械系統簡化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變原有的工藝規范，從而提高整個設備的功能。常見幾類設備的負載特性和轉矩特性如表1-3所示。