1.4　变频器的分类方法和应用领域

1.4.1　变频器的基本结构

变频器的种类很多，其内部结构也各有不同，但它们的基本结构都是相似的，它们的主要区别只是主回路工作方式不同、控制电路和检测电路等具体线路不同。对于矢量控制方式的变频器来说，它需要进行大量的运算，其运算电路有时还有一个以数字信号处理器（DSP）为主的转矩运算用CPU和相应的磁通检测及调节电路。

图1-51是大多数变频器都具有的硬件结构。变频器主要由整流电路、直流中间电路、逆变电路和控制电路组成。

整流电路是由全波整流桥组成的，用于对三相或单相的工频电源进行全波整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。

直流中间电路用于对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电路能获得质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时，直流中间电路的主要元件是大容量的电解电容器；而整流电路是电流源时，直流中间电路的主要元件是大容量的电感器。由于电动机制动的需要，在直流中间电路中，有时还包括制动电阻器及其控制电路。

逆变电路是变频器的主要组成部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源，转换成频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出，就是变频器的输出，用它实现对电动机的调速控制。

变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，这是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送到运算电路，根据运算结果为变频器逆变电路提供驱动信号，并对变频器以及电动机提供必要的保护措施。控制电路还通过A/D和D/A转换电路等，对外部接口接收/发送多种形式的信号和给出系统内部的工作状态，以便使变频器能够与外部设备配合，以进行各种高性能的控制。

1.4.2　变频器的分类方法

变频器的种类很多，分类方法有如下几种。

（1）按频率变换模式分

①交-交变频器　交-交变频器又称直接变频装置，将频率固定和电压固定的交流电源变换成频率和电压连续可调的交流电源。这种交-交变频器省去了中间直流环节，变频效果较高。但所用器件数量颇多，总投资较大。它连续可调的输出频率范围较窄，一般为工频的50％以下，主要用于容量较大的低速拖动系统中。

②交-直-交变频器　这种变频器先把工频交流电整流成直流电，再把直流电逆变成连续可调的交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，频率调节范围较宽，具有明显的优势，是目前普及应用最广泛的一种变频器。

（2）按主回路储能方式分

①电流型变频器　电流型变频器的直流中间电路，所采用的储能元件是大容量电感器。由于采用电感器进行滤波，输出直流电流波形比较平直。电源内阻抗很大，对负载来说基本上是个电流源，所以称为电流型变频器。如图1-52（a）所示的电流型变频器中，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来实现的。电流型变频器的一大优势是可以进行四象限运行，将能量回馈给电网。特别是对负载电流较大时仍能适应，这种方式适用于频繁可逆运转的变频器。

②电压型变频器　在电压型变频器中，其直流中间电路所采用的储能元件，是大电解电容。由于采用电解电容进行滤波，输出直流电压波形比较平坦。在理想情况下，可以看成是一个内阻为零的电压源，如图1-52（b）所示。

（3）按电压的调制方法分

①PAM变频器　PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小是通过改变电压的幅值来进行调制的。小容量变频器基本上不用这种方法。

②PWM（脉宽调制）　这种调制方法的变频器，其输出电压的大小，通过改变输出脉冲的占空比进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦波规律变化的正弦波脉宽调制方式。图1-53所示为PWM调压原理。在图1-53（a）中，把三角波与正弦波合成，通过逻辑控制就可以得到相应于信号波幅值的脉宽调制输出波形，它与正弦波等效，如图1-53（b）和图1-53（c）所示。

（4）按控制方式分

①U/f控制变频器　U/f控制变频器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按一定比例同时控制，得到所需要的转矩。采用U/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高的场合。

②转差频率控制变频器　转差频率控制方式是对U/f控制方式的改进。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上的转速传感器和变频器设定频率得到。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。通常，这种变频器只有采用厂商指定的变频器专用电动机，才能达到预期的调节性能。

③矢量控制变频器　矢量控制实现的基本原理，是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。具体是将电动机定子电流矢量，分解成产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量，分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称为矢量控制方式、矢量控制方式又可分为转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器矢量控制方式。

采用矢量控制方式的通用变频器，不仅可在调速范围上与直流电动机相媲美，而且在控制异步电动机产生转矩方面，达到了直流电动机控制转矩的水平。目前，新型矢量控制通用变频器中，已经具备异步电动机参数自我检测、自我识别、自适应功能。带有这种功能的通用变频器，在驱动异步电动机进行正常运行之前，可以自动地对异步电动机的参数进行辨识。并根据辨识结果，调整控制运算中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

（5）按变频器的用途分

①通用变频器　目前，在工业中使用的变频器可以分为通用变频器和专用变频器两大类，衡量通用变频器性能的主要指标有控制方式、启动转矩、转矩控制精度、速度控制精度、控制信号种类、速度控制方式、多段速度设定、载波频率、频率跳跃功能、通信接口等。新型的通用变领器基本都具备这些功能，其功能、操作、维护及应用方面均基本相似。

通用变频器又可以分为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，是以节能为目的的变频器，主要应用于风机、水泵、鼓风机等负载。这种变频器在转矩控制性能方面是按降转矩负载特性设计的。零速时的启动转矩比其他类型的变频器要小一些，具有较高的节能性能。它同时具有体积小、价格低的优点。

高性能多功能通用变频器，采用矢量控制方式或直接转矩控制方式，并充分考虑了通用变频器应用过程中，可能出现的各种需要。特殊功能还可以选件的形式供选择。为满足应用需要，在系统的软件和硬件方面都做了相应的功能设置。高性能通用变频器广泛地应用于调速性能要求较高的各个领域之中。

通用变频器在我国经过十几年的发展，在产品种类、性能和应用范围等方面都有了很大提高。目前，国内市场上流行的通用变频器品牌多达几十种，如欧美国家的品牌有西门子、ABB、Vacon（瓦控）、DANFOSS（丹佛斯）、Lenze（伦茨）、KEB（科比）、C.T.（统一）、欧陆、Moeller（金钟-默勒）、Schneider（施耐德）、SIEI（西威）等，日本产的品牌有富士、三菱、安川、三垦、日立、松下、东芝、明电、春日、东洋等；韩国产的品牌LG、三星、现代；港澳台地区的品牌有普传、台安、台达、东元、正频、宁茂、九德松益、爱德利等；国产的品牌有康沃、安邦信、惠丰、森兰、阿尔法、时代、格立特、海利、佳灵、富凌、英威腾等。欧美国家的产品以性能先进、适应环境性强而著称；日本产的产品以外形小巧、功能多而闻名；港澳台地区的产品以符合国情、功能简单实用而流行；而国产的产品则以大众化、功能简单、功能专用、价格低的优势广泛应用。

②专用变频器

a.高性能专用变频器：专用变频器是为了满足某些特定应用场合的需要而设计生产的，主要应用于对异步电动机控制性能要求较高的专用机械系统。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得到了发展，专用变频器基本上都采用了矢量控制方式。矢量控制变频器及其专用电动机构成的交流伺服系统已经达到并超过了直流伺服系统。此外，由于异步电动机具有环境适应性强、维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的优点，在要求高速、高精度的控制中，这种高性能交流伺服变频器正在逐步代替直流伺服系统。

b.高频变频器：在超精密机械加工中常要用高速电动机。一般通用变频器最高输出频率为400Hz，超过此值就称为高频变频器。为了满足驱动高速电动机的需要，出现了采用PAM控制的高频变频器，其输出频率可达3kHz，在驱动两极异步电动机时，电动机的最高转速为18000r/min。

c.高压变频器：高压变频器是用来对高压电动机进行调速控制的。这种变频器通常采用耐高压的GTO作为逆变电路的开关器。输出频率可达120Hz，主要应用于矿山机械、电力设备等领域中。高压变频器一般是大容量的变频器，最高功率可做到5000kW，电压等级为3kV、6kV、10kV。

d.单相变频器：单相变频器主要用于输入单相交流电源，对三相交流电动机进行调速控制的场合。

常见变频器的类别与应用如表1-2所示。

1.4.3　变频器的应用领域

变频器的应用目前已遍及国民经济各部门的传动领域，主要如下。

（1）在节能方面的应用

变频调速已被认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一。风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可以达到20％～60％，这是因为风机、泵类负载的耗电功率基本与转速的三次方成正比。当用户需要的平均流量较小时，风机、泵类采用变频调速后其转速降低，节能效果非常可观。而传统的风机、水泵、压缩机在采用变频调速后，可以节省大量电能，所需的投资在较短的时间内就可以收回。因此，在该领域中变频调速应用得最多。目前应用较成功的有恒压供水、各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。

（2）在自动化控制系统方面的应用

由于变频器内置有32位或16位的微处理器，具有多种算术逻辑运算和智能控制功能，输出频率精度高达0.01％～0.1％，还设置有完善的检测、保护环节，因此，变频器在自动化控制系统中获得了广泛的应用。例如：化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制等。

（3）在产品工艺和质量方面的应用

变频器还可以广泛应用于传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域，它可以提高工艺水平和产品质量，减少设备的冲击和噪声，延长设备的使用寿命。变频调速控制可使机械系统简化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高整个设备的功能。常见几类设备的负载特性和转矩特性如表1-3所示。