3.6 变频器的功能与应用

3.6.1 变频器的种类及特点

变频器的英文简称为VFD或VVVF，是一种新型的智能型驱动和控制器件。它是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率和幅度的方式来控制电动机的转速的器件。能实现对交流异步电动机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。图3-94所示为变频器的外形。

变频器种类很多，其分类方式也是多种多样，可根据需求，按变换方式、电源性质、变频控制、调压方式、用途等多种方式进行分类。

1. 按变换方式分类

变频器按照变换方式主要分为两类：交—直—交变频器和交—交变频器。

（1） 交—直—交变频器

交—直—交变频器先将工频交流电通过整流单元转换成脉动的直流电，再经过中间电路中的电容器平滑滤波，为逆变电路供电，在控制系统的控制下，逆变电路将直流电源转换成频率和电压可调的交流电，然后提供给负载（电动机）进行变速控制。

交—直—交变频器又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。图3-95所示为交—直—交变频器的结构。

（2） 交—交变频器

交—交变频器是将工频交流电直接转换成频率和电压可调的交流电，提供给负载（电动机）进行变速控制。

交—交变频器又称直接式变频器，由于该变频器只能将输入交流电频率调低输出，而工频交流电的频率本身就很低，因此交—交变频器的调速范围很窄，其应用也不广泛。图3-96所示为交—交变频器的结构。

2. 按电源性质分类

根据交—直—交变频器中间电路的电源性质的不同，可将变频器分为两大类：电压型变频器和电流型变频器。

（1） 电压型变频器

电压型变频器的特点是中间电路采用电容器作为直流储能元件，用以缓冲负载的无功功率。直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故电压型变频器常选用于负载电压变化较大的场合。图3-97所示为电压型变频器的结构。

（2） 电流型变频器

电流型变频器的特点是中间电路采用电感器作为直流储能元件，用以缓冲负载的无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，可扼制负载电流频繁而急剧变化，故电流型变频器常用于负载电流变化较大的场合。图3-98所示为电流型变频器的结构。

【重点提示】

表3-19所列为电压型变频器与电流型变频器的对比。

3. 按变频控制分类

由于电动机的运行特性，使其对交流电源的电压和频率有一定的要求，变频器作为控制电源，需满足对电动机特性的最优控制，从应用目的不同出发，采用多种变频控制方式。

（1） 压/频控制变频器

压/频控制变频器又称U/f控制变频器，是通过改变电压实现变频的方式。在控制主体电流输出电源频率变化的同时也可调节输出电源的电压大小。也就是以电动机的最大转矩与电压、频率的关系为基础，调整变频器电压和输出频率，使电动机在运行过程中发挥最大的效率而且保证其磁路不饱和。

U/f控制变频器有两种实现控制的方式：整流变压、逆变变频方式和逆变变压变频方式，由于U/f控制变频器的控制方法简单、成本较低，是一种通用型变频器，但又由于精确度较低的特性，使其应用领域有一定的局限性。图3-99所示为整流变压、逆变变频方式；图3-100所示为逆变变压变频方式。

（2） 转差频率控制变频器

转差频率控制变频器又称SF控制变频器，是采用控制电动机旋转磁场频率与转子转速率之差来控制转矩的方式。

SF控制变频器实际上是一种闭环式控制方式，是U/f控制变频器的改进版，提高了精确度。但由于在工作过程中需要实时检测电动机的转速，使得整个系统的结构较为复杂，导致其通用性较差。图3-101所示为SF控制变频器的控制方式。

（3） 矢量控制变频器

矢量控制变频器又称VC控制变频器，是通过控制变频器输出电流的大小、频率和相位来控制电动机的转矩，从而控制电动机的转速。

VC变频器有两种实现控制的方式：无速度传感器的矢量控制和有速度传感器的矢量控制。所谓无速度传感器是指无独立的速度传感器，但仍有速度传感电路，这里检测速度的方式有些采用电流检测方式，有些采用电压检测方式，这两种方式都是在电动机转动时检测电动机绕组的电流或电压，通过计算电路，算出电动机的转速，控制逆变电路；而有速度传感器的矢量控制的变频器采用独立的速度传感器直接检测电动机的转速。图3-102所示为无速度传感器的VC控制变频器的控制方式；图3-103所示为有速度传感器的VC控制变频器的控制方式。

（4） 直接转矩控制变频器

直接转矩控制变频器又称DTC控制变频器，是目前最先进的交流异步电动机控制方式，非常适合重载、起重、电力牵引、大惯性电力拖动、电梯等设备的拖动。图3-104所示，为DTC控制变频器控制方式。

【重点提示】

不同控制方式变频器的对比，见表2-20所列。

4. 按调压方法分类

变频器按照调压方法主要分为两类：PAM变频器和PWM变频器。

（1） PAM变频器

PAM是Pulse Amplitude Modulation（脉冲幅度调制）的缩写。PAM变频器是按照一定规律对脉冲列的脉冲幅度进行调制，控制其输出的量值和波形。实际上就是能量的大小用脉冲的幅度来表示，整流输出电路中增加开关管（门控管IGBT），通过对该IGBT管的控制，改变整流电路输出的直流电压幅度（140～390V），这样变频电路输出的脉冲电压不但宽度可变，而且幅度也可变。图3-105所示，为PAM变频器的结构。

（2） PWM变频器

PWM是英文Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）缩写。PWM变频器同样是按照一定规律对脉冲列的脉冲宽度进行调制，控制其输出量和波形的。实际上就是能量的大小用脉冲的宽度来表示，此种驱动方式的整流电路输出的直流供电电压基本不变，变频器功率模块的输出电压幅度恒定，控制脉冲的宽度受微处理器控制。图3-106所示为PWM变频器的结构。

3.6.2 变频器的实际应用

变频器已经广泛用于交流电动机的启停、速度等控制电路中，并且具有高效率的驱动性能以及良好的控制特性，用在电动机、水泵、压缩机等电气设备上，可以大大节约能源。在工厂自动化设备上使用变频器，可以有效地提高工程质量和经济效益，而且也越来越广泛地应用于日常的生活中，如空调器、电冰箱、洗衣机等家电产品。下面就以几种典型的电气控制电路为例，来介绍变频器在实际电路中的应用。

1. 变频器在分级控制电动机电路中的应用

变频器分级控制电动机的特点是利用变频器中继电器输出接点控制多个辅助传动装置，实现多个电动机同时或分别启动。图3-107所示为变频器分级控制电动机的实际应用。

2. 变频器在旁路控制电动机电路中的应用

变频器旁路控制电动机实际上是由变频器的继电器输出接点控制两个机械上互相锁定的接触器。变频器以数字输入信号和其频率的变化使接触器进行切换。图3-108所示为变频器旁路控制电动机的实际应用。

3. 变频器在供水电路中的应用

图3-109所示为用变频器控制的供水电路。它是使用变频器控制三台交流电动机的变频器控制电路，每一个电动机控制一台水泵的转动，采用1控多的方案，大多数的供水系统中均采用该方案。该电路主要是由变频器、三个三相交流电动机、接触器1KM、2KM、3KM，过热保护继电器1KR、2KR、3KR以及频率调整电位器RP、正转开关KA等部分组成的。

图中接触器1KM3、2KM3、3KM3分别用于将各台电动机直接接至三相供电电源侧， 1KM2、2KM2、3KM2主要用来将各台电动机与变频器进行连接。用户用水量的多少是经常变动的，因此会产生供水压力不平衡的现象，变频供水系统是一种先进合理的供水方式，它可以根据其用水量的多少再自动调节系统运行的参数。在水量发生变化时，自动调节系统的运行参数，保持水压恒定，以满足不同用户用水的要求，也节约了能源。

【学习总结】

通过对本章的学习，读者应能够掌握电工材料、常用电子元器件、常用电工低压电器、变压器、电动机和变频器的功能特点及应用，了解不同的电气器件在不同电路或设备中的功能。