变频调速器的工作原理

变频器调速方式的快速转换

涂道发

大型生产装置的自动化水平较高，在正常情况下其电机的起动、停止和调速均由

DCS系统控制，而在生产装置发生事故，尤其是DCS系统发生事故时往往又需要手动操作，这就要求变频调速控制系统能迅速在手动和自动状态下切换。附图是以富士FBEP41C5000G9S系列变频器为例设计的控制系统。

手动操作系统和 DCS操作系统的切换由转换开关 SA实现，该转换开关安装在现场操作柱上，共有自动、手动、停止二档。当开关放在手动位置时，按下按钮SST，接触器K合上，变频器U送电，此时U应设置在面板键操作状态，由RUN、STOP键起动和停止U，由 V、八健实现调速；当转换开关SA放在停止位置时，K失电，U处于停电状态；SA放在自动位置时，中间继电器 KM带电，KM的辅助触点接通U的X4—CM端子和FWD—CM端子，前者将U强制在电流输入信号有效的端子操作状态，后者起动U正转，此时U接收DCS系统发出的4—20mA调速信号进行调速运行，面板操作无效。至此，U的控制状态转换完成。

《电世界》2001年第一期

变频器的工作原理与控制方式

变频器（Variable Frequency Drive，缩写为VFD），又称为交流调速器（AC Drive），是一种用于调节交流电机转速的电子装置。它通过改变输入电压的频率和幅值来控制电机的转速。变频器工作原理主要涉及开关技术、PWM调制技术、电机驱动理论等方面内容，下面将详细介绍。

一、变频器的工作原理

1.开关技术

变频器利用开关电子器件（如晶体管、IGBT等）来实现对输入电源的开关控制。通过不断开关电路，形成等效于几十千赫兹至几千千赫兹的高频方波，从而形成理想的正弦波输出。

2.PWM调制技术

PWM（Pulse Width Modulation）调制技术是指通过改变开关装置的导通时间和关断时间，以一定占空比形式控制开关管工作的方式。在变频器中，PWM技术可以实现加减压、变频和控制电机的转速。

3.电机驱动理论

变频器通过改变输入电压的频率和幅值来调节电机的转速。在工作过程中，通过改变开关器件导通时间和关断时间，将输入电压的频率调节到所需的频率范围，实现对电机转速的精准控制。

二、变频器的控制方式

1.V/f控制方式 V/f控制方式（Voltage/frequency ratio control）是一种常用的变频器控制方式。它通过传感器检测电机当前的转速，并根据转速信号和预设的转速曲线进行比较，计算所需输出频率，并根据预设的V/f比值进行控制，实现对电机速度的调节。

2.向量控制方式

向量控制方式（Vector Control）又称矢量控制方式，是一种高性能的变频器控制方式。它通过传感器检测电机当前的转速、转矩和位置等信息，并根据这些信息进行精确计算和控制，实现对电机速度、转矩和位置等的准确控制。

3.矢量控制方式

矢量控制方式（Direct Torque Control，缩写为DTC）是一种高性能的变频器控制方式。它通过传感器检测电机当前的转速、转矩等信息，并根据转速、转矩的变化率进行预测和计算，在每个采样周期内调节电机的转速和转矩，实现对电机的精确控制。

一、 变频器的基本原理。变频器结构主要是由四部分组成，第一部分是进线整流单元，整流单元有二极管整流和晶闸管整流。第二部分是中间储能回路，为了获得比较平稳的中间直流电压设有平波电感和中间充电电容。为了保护中间电容的中间电容通常在中间回路上串接限流电阻，当充电电压升至电容的额定电压后将限流电阻短接掉。因此说电容的寿命是电容的充放电次数而不是使用时间的长短，因此对于变频器的工作不建议对变频器频繁的断电。第三部分是逆变回路，逆变回路的主要元器件是IGBT, 通过对IGBT导通角的控制实现其开关特性的快速关断和打开，使输出侧输出有规律的方波。第四部分是控制部分，是变频器的控制中心，实现对变频器的各种数据的监视、提取和通讯。

二、 变频器的选型。使用变频器后有以下优点：能减少生产设备的损耗和延长使用寿命从而使维修费用降低、通过提高工艺控制得到更好的质量、变速控制可以使产品产量上升、软起软停等在提高生产效率的同时节能降耗，所以变频器被大量的推广使用。根据变频器的安装方式有壁挂式和落地式两种，所以选择变频器须遵循以下的几个方面：

1. 选定使用的电压等级。根据需要选择380vac或是690vac。

2. 了解生产工艺的过程要求，通过工艺了解是否快速的启动转矩，对运行速度范围为多少，了解电机的负载是什么等等。

3. 根据技术要求选择电机。在满足工艺的要求下选择低速电机是合算的。 4. 综合上面的要点，根据变频器选型选择变频器。

由于电机输入电流与电机的转矩是线性关系的特点，选择变频器最主要的是根据Icontmax的值进行选择，Icontmax是表示40摄氏度下连续不过载的额定电流。Icontmax必须大于电机正常连续运行的值。

三、 变频器的保养与维护。变频器正确的保养和维护方式能够使变频器发挥最大使用效益，根据变频器的结构和要求的环境，我个人总结主要是以下几方面：

1. 保证变频器留有足够的空间供空气冷却，如果是多台变频器上下安装必须安装隔风板。

异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

1 变频调速原理

n＝60 f(1－s)/p (1)

式中 n———异步电动机的转速；

f———异步电动机的频率；

s———电动机转差率；

p———电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

2 谐波抑制

变频器使用的突出问题就是谐波干扰，当变频器工作时，输出电流的谐波电流会对电源造成干扰。虽然各变频器厂家对变频器谐波的治理均采取了措施且基本达到国家标准要求，但谐波仍然是变频器选型和使用中最需要关注的问题。

变频器的输出电压中含有除基波以外的其他谐波。较低次谐波通常对电机负载影响较大，引起转矩脉动，而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加，使电机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制。

由于变频器的整流部分采用二极管不可控桥式整流电路，中间滤波部分采用大电容作为滤波器，所以整流器的输入电流实际上是电容器的充电电流，呈较陡的脉冲波，其谐波分量较大。为了消除谐波，主要采用以下对策：