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变频器工作原理与结构图文详解—变频器的功能作用分析变频器变频器（Variable-frequency Drive，VFD）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来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
变频器基本组成变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。
整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。
高容量电容：存储转换后的电能。
逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。
控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。
变频器的结构与原理图解变频器的发展也同样要经历一个徐徐渐进的过程，最初的变频器并不是采用这种交直交：交流变直流而后再变交流这种拓扑，而是直接交交，无中间直流环节。
这种变频器叫交交变频器，目前这种变频器在超大功率、低速调速有应用。
其输出频率范围为：0-17（1/2－1/3 输入电压频率），所以不能满足许多应用的要求，而且当时没有IGBT，只有SCR，所以应用范围有限。
变频器其工作原理是将三相工频电源经过几组相控开关控制直接产生所需要变压变频电源，其优点是效率高，能量可以方便返回电网，其最大的缺点输出的最高频率必须小于输入电源频率1/3或1/2，否则输出波形太差，电机产生抖动，不能工作。
故交交变频器至今局限低转速调速场合，因而大大限制了它的使用范围。
变频器电路结构框架图矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由9个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。
变频器的基本结构和工作原理变频器是一种将电源频率变换为所需频率的电子设备。
它可将固定频率（如50Hz或60Hz）的交流电源转换为可调节频率的交流电源，以驱动各种不同频率的电动机。
变频器主要由整流器、滤波器、逆变器和控制电路组成。
1.整流器：变频器的整流器将输入的交流电源转换为直流电源。
它通常采用晶闸管整流电路或采用了桥式整流器电路。
整流器主要目的是将交流电源转换为直流电源，以便后续电路的工作。
2.滤波器：滤波器用于去除整流器输出的脉动直流电源中的高频噪音和杂散波，使其变得更加平稳。
常见的滤波器包括电感滤波器和电容滤波器，它们通常结合使用以达到更好的滤波效果。
3.逆变器：逆变器是变频器的核心部分，它将直流电源转换为可调节频率的交流电源。
逆变器通常包括大量的功率开关管（如IGBT或MOSFET）和驱动电路。
通过对功率开关管的控制，逆变器能够精确地控制输出电压和频率。
4.控制电路：控制电路是变频器的智能部分，它负责监测输入的信号和驱动逆变器的工作。
控制电路通常由微处理器和其他数字和模拟电路组成。
它可以根据用户设定的参数和反馈信号，调整逆变器的输出频率和电压，以实现对电动机的精确控制。
变频器的工作原理如下：1.输入电源经过整流器转换为直流电源。
2.直流电源通过滤波器去除脉动和杂散波。
3.控制电路接收用户设定的参数和反馈信号，计算出逆变器的控制信号。
4.逆变器根据控制信号控制功率开关管的通断，将直流电源转换为可调节频率的交流电源。
5.输出的交流电源经过滤波器去除脉动和杂散波，供电给电动机驱动。
变频器可以实现对电动机的速度和转矩进行精确调节，从而使得电动机在不同的负载和工况下工作更加高效和稳定。
它在工业自动化中广泛应用于各种设备和系统，如风机、水泵、压缩机等。
变频器的应用能够降低能源消耗，提高生产效率，并减少电动机的磨损和噪音。
【天拓刘师傅话维修】西门子V20变频器的内部结构天拓四方刘师傅话维修已经发过九篇维修知识了，很感激大家长期以来对天拓四方维修的支持，刘师傅将坚持为大家分享精彩的西门子维修案例及维修小窍门，希望对大家有所帮助。
前几期我们讲了S7-200、MM4系列变频器、还有一些西门子电源等等，今天我们就来讲讲西门子的一款明星产品：西门子V20变频器。
Sinamics V20是西门子将全球科技系统应用到本地产品设计中的最佳典范，适用于基本应用的通用变频器，安装过程快速简单，易操作，调试快速，是一款经济，可靠，易用的通用变频器。
Sinamics V20变频器具有两种供电方式，共四种外形尺寸，功率范围覆盖0.12kW至15kW，适用于拖动泵、风机、压缩机或输送机系统，以及加工与输送领域内的简单任务。
这种紧凑型变频器可并排安装以节省安装空间。
除了采用常规柜壁式安装外，还可进行穿墙式安装。
由于无需其它模块或附加选件即可运行，大大缩短了安装时间。
通过集成式操作员面板（BOP），可顺利地进行现场调试和操作。
除了具有便于连接控制器的通用串行接口外，该终端还具有一个应用于电子控制器上的通用语言Modbus接口，可用于与第三方控制器进行通信。
预制的接口和应用宏(即把一组命令组织在一起完成一个特定的任务)，便于进行面向应用的设置。
对于额定功率高于7.5kW的变频器，该款变频器可将制动电阻器与集成的制动斩波器直接连接。
大家见惯了Sinamics V20变频器的外部结构，下面我们就拆开看看它的“内心”！先看看它的外观图为：西门子V20变频器外部结构它的内部构成是这样的，共有三块电路板，1进线板，在进线板上有DC/DC变换器，2控制板和I/O板是一体的，3触发板，板上有一块微处理器和主板之间串行通信，使线路更为简洁，见下图图为：左侧是进线板，右侧是控制I/O一体板图为：进线板下面的触发版图为：触发板的正面图为：散热器和机壳好啦，以上就是我们本期为大家介绍的西门子V20变频的内部结构和简单介绍，今天我们就聊到这里，我们下期继续。
西门子变频器讲解1．西门子变频器的结构及各部分的功能;整流部分：主要是把三相交流电整成直流；直流回路部分：对整流部分出来的直流电压进行稳压和滤波逆变部分：将直流回路的电压逆变成可调频的三相交流电2．在变频器内部有的电路板,分别起的作用CUVC控制板：控制功能及参数设定电源板：24V控制电源的提供,直流母线的采集IVI背板：电流互感器,变频器测温线,与触发板进行通讯整流单元触发板：触发晶闸管,将三相交流电整流成直流IGBT触发板：触发IGBT,将直流电转换为交流电3．西门子变频器CUVC控制板上的端子功能4个可以作为输入或输出的IO端子3.4.5.6,3个只能作为输入的IO端子7.8.9;两个模拟输入口和,两个模拟输出口和4. 西门子变频器中如何使其运行在40HZA．由面板直接给定40HZB．由参数给固定频率,比如将P443=45,将P405=40HZC．由模拟信号给定,比如为模拟通道1给定,设置=44—20MA,在模拟通道中输入的电流值;5.在西门子变频器参数中,控制字和状态字的意思,并介绍以下参数的意思：P330、P443、P590、P571和P572、P578和P579; 控制字为变频器的输入型号,用来控制变频器的启动,停止,快停,方向,变频器内部的参数等,状态字为变频器的输出信号,用来显示变频器的运行状态,如准备信号,运行反馈信号,故障反馈等P330：负载类型0为线性恒转矩负载,1为抛物线特性,如风机等P443：为变频器的速度给定源P590：用来选择开关量连接器的BICO参数P571和P572：用来选择变频器的旋转磁场方向;P578和P579：用来选择变频器内部的电机数据组常见问题：1．西门子变频器出现F037故障模拟信号有出错,检查模拟输入的电缆是否有断路,模拟信号线是否接反;2．西门子变频器出现F011故障F011为变频器过流报警,需检查以下机个方面1.检查负载情况,机械是否被卡死2.拆开电机电缆,用摇表检查电机和电缆是否存在短路和对地情况3.用万用表检查功率单元是否完好4.用万用表检查电流互感器时候玩完好5.更换IVI背板,测试6.更换CUVC控制板,测试3．西门子变频器出现F015故障,如何进行检查F015为变频器堵转报警,应检查以下几个方面：1.检查负载情况,机械是否被卡死2.如有编码器,应检查编码器的接线,或直接更换新的编码器；检查编码器的电缆和屏蔽电缆是否良好3.更换CUVC控制板,测试。
浅析交-直-交电压型变频器的内部结构摘要：本文主要介绍了交-直-交电压型变频器的整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元的主要形式，以及主要的几种控制方法及PWM技术在变频器中的应用。
关键词：交-直-交电压型变频器 IGBT 栅极驱动电流检测霍尔传感器矢量控制 PMW0、引言交流变频调速技术发展至今已有几十年的历史。
低压变频器构成的交流调速系统，因其技术上的不断创新，使系统在性能上不断地完善，并在电气传动领域挑战直流调速系统，已得到了广泛的应用。
交-直-交电压型变频器是目前市场上低压变频器的主要形式，本文简要对该变频器内部结构进行剖析。
1、电路结构框图交直交电压型变频器主要由整流单元（交流变直流）、滤波单元、逆变单元（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元等部分组成的。
图1 变频器电路结构框图3、各单元电路及原理3.1 整流单元整流单元用于电网的三相交流电变成直流。
可分为可控整流和不可控整流两大类。
可控整流由于存在输出电压含有较多的谐波、输入功率因数低、控制部分复杂、中间直流大电容造成的调压惯性大相应缓慢等缺点，随着PMW技术的出现可控整流在交直交变频器中已经被淘汰。
不可控整流是目前交直交变频器的主流形式，它有2种构成形式，6支整流二极管或6支晶闸管组成三相整流桥。
图2 6支二极管构成的三相桥式整流电路由6支二极管构成的三相桥式整流电路，交流侧有控制主回路通断的接触器。
图3 6支晶闸管构成的三相桥式整流电路由6支晶闸管构成的三相桥式整流电路，晶闸管只用于控制通断不控制直流电压的大小。
3.2 滤波单元滤波单元主要采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这是电压型变频器的一个主要特征。
3.3 逆变单元由IGBT模块构成图3 由IGBT模块构成的逆变单元及实物IGBT模块中内置反并联二极管，用于反馈电动机制动运行时产生的能量图4 IGBT模块中内置反并联二极管3.4 制动单元制动单元由IGBT和能耗电阻组成。
当电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入直流中间回路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。
为了限制泵升电压给直流侧电容并联一个由电力晶体管和能耗电阻组成的泵升电压限制电路。
当泵升电压超过一定数值时，使IGBT导通，把电动机反馈的能量消耗在电阻上。
3.5 驱动单元驱动单元根据控制单元的指令对IGBT进行驱动。
IGBT栅极驱动电路有多种形式。
按照驱动电路元件的组成可分为分立元件组成的驱动电路和集成化的驱动电路。
图5 IGBT驱动电路上图为用光耦合器、三极管等分立元器件构成的IGBT驱动电路。
当输入控制信号时，光耦VLC导通，晶体管V2截止，V3导通输出＋15V驱动电压。
当输入控制信号为零时，VLC 截止，V2、V4导通，输出－10V电压。
IGBT的集成栅极驱动器种类繁多,几乎各生产IGBT模块的公司都推出了自己的配套驱动器。
图6 集成电路TLP250构成的驱动器及TLP250的管脚图上图为由集成电路TLP250构成的驱动器及TLP250的管脚图。
TLP250内置光耦的隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0.5μs，输出电流达0.5A，可直接驱动50A/1200V 以内的IGBT。
外加推挽放大晶体管后，可驱动电流容量更大的IGBT。
TLP250构成的驱动器体积小，价格便宜，是不带过流保护的IGBT驱动器中较理想的选下图为由EXB8..Series集成芯片构成的驱动电路，EXB8..Series集成芯片是一种专用于IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。
广泛用于逆变器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS、感应加热和电焊设备等工业领域。
图7 EXB8..Series集成芯片构成的驱动电路3.6 检测单元控制系统反馈量检测的精确程度，从某种意义上说，很大程度上决定了控制系统所能达到的控制品质。
检测电路是变频调速系统的重要组成部分，它相当于系统的“眼睛和触觉”。
检测与保护电路设计的合理与否，直接关系到系统运行的可靠性和控制精度。
3.6.1 电流检测方法电流信号检测的结果可以用于变频器转矩和电流控制以及过流保护信号。
电流信号的检测主要有以下几种方法。
（1）直接串联取样电阻法这种方法简单、可靠、不失真、速度快，但是有损耗，不隔离，只适用于小电流并不需要隔离的情况，多用于只有几个kVA的小容量变频器中。
（2）电流互感器法这种方法损耗小，与主电路隔离，使用方便、灵活、便宜，但线性度较低，工作频带窄(主要用来测工频)，且有一定滞后，多用于高压大电流的场合。
2010年01月28日作者：杨喆田志明来源：《中国电源博览》第107期编辑：李远芳图8 电流互感器上图中，R为取样电阻，取样信号为:Us=I2R=I1R/M式中，M为互感器绕组匝数。
（3）霍尔传感器法它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。
其原理如下图所示。
图9 霍尔传感器原理图上图中，Ip为被测电流，这是一种磁场平衡测量方式，精度比较高，若LEM的变流比为1:M，则取得电压Us也符合式Us= IpR/M。
在通用变频器中霍尔传感器已成为电流检测的主力。
3.6.2 电压检测方法电压信号检测的结果可以用于变频器输出转矩和电压控制以及过压、欠压保护信号。
电压信号的检测可用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等方法。
（1）电阻分压法:用电阻网络将高压进行分压，得到按比例缩小的低电压。
该方法使用简单，但其精度受外界环境(主要是温度)影响较大，且不能实现隔离，如果作为模拟反馈量进行A/D转换，需要加入隔离放大器。
该方法适用于低压系统。
（2）电压互感器法:与电流互感器类似，只能用于检测交流电压，适用于高压系统中。
（3）霍尔电压传感器法:原理与霍尔电流传感器类似，如下图所示。
图10 霍尔电压传感器（4）线性光耦法: 霍尔电压传感器具有反应速度快和精度高的特点，但是在小功率的变频器中，采用霍尔传感器的成本昂贵，而采用高性能的光耦则可降低成本。
像HP公司生产的线性光耦HCNR200/201等具有很高的线性度和灵敏度，可精确地传送电压信号。
图11是一个用HCNR200/201测量电压的实际电路，光耦实际上起直流变压器的作用。
图11 用HCNR200/201测量电压的实际电路上图中，原边运放采用的是单电源供电的LM2904，副边运放采用精密运放OP07。
在测量直流高压时，应先采用电阻分压降压，以得到一个未经隔离的低压直流信号，然后经过线性光耦隔离将其变换成与之成正比的直流电压送入A/D转换测量。
另外，完全可以利用光耦的线性和隔离功能结合直接串联分流器测量电流。
线性光耦法是一种测量变频器交流输出电压的简单而有效的方法。
高速数字光耦6N136，6N137，HCPL3120，PC900V等具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL电平兼容等优点，在数据信号处理和信号传输中应用的十分广泛，可用来检测变频器交流输出电压。
下图所示为一种简单实用的用线性光耦实现的变频器输出电压检测的电路。
图12 利用光耦6N137和电阻降压电路采集逆变器利用光耦6N137和电阻降压电路采集逆变器U、V、W三相输出对直流环节负极N的电压信号，这样三相信号都变为单极性SPWM电压脉冲，便于与单向光耦匹配。
单极性SPWM脉冲电压经小电容滤波后便成为如下图所示的比较平滑的正弦半波信号。
图13 单极性SPWM脉冲电压经小电容滤波前后的电压它反映了逆变器交流电压(半波)的瞬时值，然后送相应的CPU或 ASIC处理，根据需要既可以得到电压的瞬时值，也可以计算出电压的有效值。
日本Sanken公司研究的电压矢量控制变频器就是利用这种电路完成对交流输出电压的测量，控制效果良好。
4、控制单元现代变频调速基本是用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。
4.1变频器中常用的控制方式在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
(1) V/f控制V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
图14 V/f控制变频器结构V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
(2) 转差频率控制转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。
这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
图15 转差频率控制(3) 矢量控制矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。
目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
图16 基于转差频率的矢量控制方式基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。
因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。
但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。
图17 无速度传感器矢量控制无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。
这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。
4.2 PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术。
通过控制逆变器中的IGBT导通或断开，使其输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法继称脉宽调制方法。
改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变单元输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在逆变单元上可以同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。
