变频器基础：变频器工作原理与常用功能

参考文献
[1] 向晓汉, 宋昕. 变频器与步进/伺服驱动技术完全精通教程[M]. 第1版. 北京:化学工业出版社, 2015.
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[3] 王兆安, 刘进军. 电力电子技术[M]. 第5版. 北京:机械工业出版社, 2019 :216-218.
[4] 陈国强, Putra A S. 工业自动化中的驱动与控制[M]. 第1版. 北京:机械工业出版社, 2016 :86-105.

0理论基础

三相笼型异步电动机的转速公式为：

n=60f/p（1-s）

p为极对数，s为转差率，f为供电电源频率。
由此可看出三相笼型异步电动机调速方法有三种：改变极对数p的变极调速、改变转差率s的降压调速和改变电动机供电电源频率f的变频调速。

1变频器简述

变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求，其主要只能为调速与变频。

变频器（Inverter，原意为逆变器）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式（变频）来控制交流电动机的电力控制设备。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源；对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器则称为变频器。除了调速以外，变频器还有节能的特点，主要表现在风机、水泵的应用上。

单相电机不适合以变频器进行变速运行，以电容器起动方式时，电容器中将产生高次谐波电流，损坏电容器。对于分相起动方式和反弹起动方式的单相电机，由于其内部的离心力开关不动作，会有烧坏起动线圈的危险。

变频器常与PLC搭配使用。

在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%。

变频器的分类见下。

1. 按变换的环节分类
   ●交-交型变频器：工频交流直接变换成频率电压可调
   ●交-直-交型变频器：工频交流变成直流再逆变成频率电压可调的交流，是目前广泛应用的通用型变频器。采用交-直-交变化的原因是交流电网电压和频率固定，需要借由直流电逆变来得到电压和频率都能调节的电源，与交-交变频器相比，输出频率不受输入电源频率的制约。
2. 按直流电源性质分类：电压型变频器和电流型变频器
3. 按调压方法分类：PAM变频器（较少使用）和PWM变频器
4. 按控制方式分类
   ●U/f控制变频器f（VVVF控制）：U/f控制就是保证输出电压和频率成正比的控制，常用于低端变频器
   ●SF控制变频器
   ●矢量控制变频器：基本原理为通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。用于高精度要求场合。
   ●直接转矩控制

2变频器的变频原理

2.1交-直-交变换

分为交-直变换工程和直-交变换过程两个基本过程。

1. 交-直变换过程：将不可调的电网的三相/单相交流电经整流桥整流成直流电
2. 直-交变换过程：把直流电逆变成电压和频率都任意可调的三相交流电

2.2变频变压的原理

电动机变频变压调速不仅需要改变电动机的频率f，同时也需要改变电动机电压。 这是因为降低电动机频率时，如果电压不降低，则电动机的每级气隙的磁通量势必会增加，因为在设计时电动机的磁通量已接近饱和，一旦增加将导致绕组线圈的电流急剧上升，从而造成电动机绕组烧毁。
因此电动机变频变压调速不仅需要改变电动机的频率f，同时也需要改变电动机电压，通常把磁通作为一个恒定数值，此时电压和频率比值为固定比例。
即 U/f=常数

实现方法

变频变压的实现方法有脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PWM）和正弦脉宽调制（SPWM）。
其中正弦脉宽调制波的实现方法有单极性正弦脉宽调制和双极性脉宽调制。

SPWM就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

3变频器的控制方式

变频器调速系统的控制方式有两种，一是U/f控制，是基本方式；二是矢量控制，是高级方式。

3.1 U/f控制

1. u/f控制方式
   即U/f=常数，具体请参考上文变频变压的原理。
   理想u/f控制曲线如下：
   

2. 转矩补偿功能
   转矩补偿，或称转矩提升，指在u/f控制方式下，利用增加输出电压来提高电动机转矩的方法。
   在基频以下调速时，u/f控制方式下磁通量恒定。f较高时，保持u/f恒定，即可近似地保持主磁通恒定；f较低时磁通量会下降，导致输出转矩下降，提升变频器的输出电压即可补偿转矩不足，使磁通量保持恒定。
   常用的补偿方法有线性补偿、分段补偿和平方律补偿等。

U/f控制方式是比较简单的控制方式，属于开环控制，它并没有实现转速环的构建，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。

3. 节能运行功能
   节能运行控制功能是指变频器将检测到的电动机运行状态与变频器中储存的标准电动机的参数进行比较从而自动给出最佳工作电压的过程，即节能运行。
   节能运行只能用于u/f控制方式下。

3.2矢量控制

具有该功能的变频器称作矢量型变频器。

矢量控制原理

矢量控制方式的基本思想是仿照直流电动机，使主磁通保持不变，从而得到很好的机械特性。

矢量控制方式属于高性能控制方式，基于异步电动机的按转子磁链定向的动态数学模型，其控制原理类似直流电动机。将测得的变频器实际输出电流按空间矢量的方式进行分解，形成转矩电流分量与励磁电流分量两个电流闭环，同时又可借助编码器或内置观测器模型来构成速度闭环，这种双闭环控制方式（类似直流调速系统中的双闭环控制）可以改善变频器的动态响应能力，减小滑差，保证系统速度稳定，确保低频时的转矩输出。

要实施矢量控制，需要获取电动机的电磁参数，包括电动机的铭牌数据和定、转子绕组的参数；由于后者参数值的获取较为困难，因此变频器搭载了自调谐功能，通过一定算法来获取参数。也正是因为如此，对于矢量控制模式下的变频器，仅可连接一台电机。

使用矢量控制时，将构成速度闭环。
使用编码器来构成速度闭环时，称为速度传感器矢量控制（VC）/闭环矢量控制。
使用内置观测器模型来构成速度闭环时，称为无速度传感器矢量控制 （SVC）/无感矢量控制/开环矢量控制。

1. 闭环矢量控制
   部分变频电机配有编码器供变频器组建闭环。
   
   
2. 开环矢量控制
   当系统难以安装传感器，或没有合适的传感器，导致某些状态变量不能测量时，状态观测器可以基于系统模型设计成虚拟传感器，从而实现一个完整的状态反馈控制。最常用的观测器设计方法基于卡尔曼滤波器，因其可以定期清除由于测量噪声造成的累积预测误差。

闭环矢量控制的优点是可以大幅提高速度控制的精度。测速元件通常采用光电编码器。
开环矢量控制性能劣于闭环矢量控制，但不需要附加器件。

闭环矢量控制 VS 开环矢量控制？
控制系统中的观测器

变频器同样支持位置闭环控制，有下述3种方案。

1. 位置控制和转速控制使用电机轴上的同一个编码器（半闭环）
2. 位置控制使用负载侧的编码器，转速控制不使用编码器（单环）
3. 位置控制使用负载侧的编码器，转速控制使用电机轴上的编码器（全闭环）

变频器位置闭环控制精度差于伺服位置闭环控制，但支持驱动更大的负载。

矢量控制实现过程

首先检测并计算三相输出电压和电流矢量；然后将定子电流人为地分解为两个相互垂直的矢量，并解释为励磁电流和转子电流；然后用直流调速系统（他励直流电动机）的控制方式去控制交流异步电动机，通过运算调节器对两个信号分别控制，从而控制逆变电路的输出。
矢量控制方式需要实现转速和磁链的解耦，故控制系统比较复杂，但其具有同直流电动机电枢电流控制方式同等水平的控制性能。

3.3控制方式选择

通常在需要高精度、快速响应、宽调速范围的应用场景中建议使用矢量控制；而在一些简单应用场景中，如普通水泵、风机等负载变化不大的情况下，可以使用U/f控制。

4变频器的常用功能

4.1过载保护功能

变频器的过载保护功能的保护对象为电动机和变频器本身。

1. 对电动机的过热保护功能
   变频器内置的电子热继电器可监视变频器的输出电流。注意，只能对一台电动机进行电子热保护，拖动多台电动机时，需要在每台电动机上接热继电器。
2. 对变频器自身的保护功能
   变频器对过流、过压、过功率、断电、其他故障等均可进行自动保护，并发出报警信号，甚至跳闸断电。

4.2节能功能

变频调速的节能体现在变频节能、功率因数补偿节能与软启动节能3个主要方面。

变频节能
根据流体力学可知，风机水泵的轴功率与转速的三次方成正比。这表明当设备效率一定时，流量变小会引起设备的转速成比例的降低，这将使轴功率以立方关系大幅降低。而风机水泵的传统调速方式是通过调节出入口挡板、阀门开度来调节流量，这一过程将耗费大量的能源。应用变频器的变频功能，根据当前要求的流量，动态调节变频器输出频率，进而改变风机水泵的转速，可以使其在低速小流量的状态下仍可保持高效率运行，并降低设备的功耗。

功率因数补偿节能
功率因数（Power Factor）在数值上是指交流电路有功功率（P）对视在功率（S）的比值，与电路的负荷性质有关，用cosΦ表示 。功率因数与电器设备的效率成正比，与无功功率成反比，因此通过功率因数补偿可以在提高设备利用率的同时降低无功功率造成的线路电压损失和电能损耗。变频器内部的滤波电容可以提高功率因数，减少无功功率的损耗，并增加电网的有功功率，从而削减用户的用电成本。

软启动节能
软启动（Soft Start）指电机启动时，晶闸管的输出电压由0缓慢提升，此时电动机将逐渐加速；当晶闸管全部导通时，输出电压为额定电压，电动机达到额定转速，启动过程结束。通过软启动使得设备的启动电流可控，实现平滑启动，避免启动过流跳闸，并延长设备使用寿命。变频器具有软启动功能，其节能性体现在电机的启动过程中，通过软启动来启动电机，可以降低启动能耗，达到节能的目的。

4.3变频器的其它功能

1. 软启软停
   ● 软启动指电压由零慢慢提升到额定电压，这样电机在启动过程中的启动电流，就由过去过载冲击电流不可控制变成为可控制。
   ●软停止指电压由额定电压慢慢降至零，使转速缓慢降低，从而减少动力冲击。
2. 无极调速 可以直接通过面板旋钮（电位器）直接对电动机速度进行控制
3. 保护功能 过载保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护…

失速指电动机运行的速度和频率不对应，通常与负载大小有关。

更新记录
2023-10-26 文章架构调整及内容补充