变频技术详解
文 | 传感器技术（WW_CGQJS）
交流变频调速是近几十年来发展起来的新技术，以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认是一种最有前途的调速方式。
变频技术
变频技术是一门能够将电信号的频率,按照具体电路的要求，而进行变换的应用型技术。
其主要类型有以下几种：
交—直变频技术（即整流技术）
直—直变频技术（即斩波技术）
直—交变频技术 （电子振荡，电力逆变）
交—交变频技术（即移相技术）
变频器
变频器是将固定频率的交流电变换成连续可调的交流电的装置。英文简称VVVF ( Variable Voltage VariableFrequency），可以是交-直-交，也可以是交-交变频技术。变频器的控制对象是三相交流异步电机和三相交流同步电机。无论哪种形式都是电能不变化为其他形式的能量，而只是频率的变化。
变频器的问世，使电气传动发生了一场技术革命，使交流调速取代了直流调速。
变频器工作原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。
交流低压交直交通用变频器系统框图
变频器的结构主要有：
主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。
整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波。
中间直流环节：中间直流储能环节，在它和电动机之间进行无功功率的交换。逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦。
控制电路：常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路组成。主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等，其控制方法可以采用模拟控制或数字控制。目前许多变频器已经采用微机来进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，靠软件来完成各种功能。
通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，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。
变频器的分类
1、按调制方式分
(1)PAM(脉幅调制)： 在整流电路部分对输出电压幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。
(2)PWM(脉宽调制) ：保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度，来达到改变等效输出电压的一种方式。
2、按工作原理分
（1）V/F控制： 对变频器的频率和电压同时进行调节
（2）转差频率控制： 为V/F控制的改进方式
（3）矢量控制： 将交流电机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以控制的方式
（4）直接转矩控制： 把转矩作为控制量，直接控制转矩，是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。
3、按用途分
（1）通用变频器： 能与普通的笼式电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供选择功能
（2）高性能专用变频器： 对控制要求较高的系统(电梯、风机水泵等)，大多采用矢量控制方式
（3）高频变频器： 高速电动机配套使用
4、按变换环节分
（1）交-交变频器： 把频率固定的交流电直接变换成频率和电压连续可调的交流电。无中间环节，效率高，但连续可调的频率范围窄。
（2）交-直-交变频器： 先把交流电变成直流电，再把交流电通过电力电子器件逆变成直流电。优势明显，目前广泛采用的方式。
5、按直流环节的储能方式分
（1）电流型： 中间环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。再生电能直接回馈到电网。
（2）电压型： 中间环节采用大电容作为储能环节，负载的无功功率将由它来缓冲。无功能量很难回馈到交流电网。
变频器的选型原则
考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。要准确选型，必须要把握以下几个原则：
1、充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可。
2、了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型。
3、了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。
4、确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素。以下情况要考虑容量放大一档：
长期高温大负荷
异常或故障停机会出现灾难性后果的现场
目标负载波动大
现场电网长期偏低而负载接近额定
绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）
5、充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则：
（1）以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器：民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上；电网品质恶劣或容量偏小的场合；如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机
（2）以下情况要选用交流输出电抗器：变频器到电机线路超过100米（一般原则）
（3）以下情况一般要选用制动单元和制动电阻：提升负载；频繁快速加减速；大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）
变频技术的节能作用
1、 变频节能：
为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。
当电机转速从 N1 变到 N2时，其电机轴功率 （P）的变化关系如下： P2／P1 = （N2/N1）3 ，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。
2、 动态调整节能：
迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。
3、 通过变频自身的V/F功能节电：
在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。
4、 变频自带软启动节能：
在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从0 -- 电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
5、 提高功率因数节能：
电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。
采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：
AC－－ DC －－AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗
根据负载转速的变化要求，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的，以获得合理的电机运行工况。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率，不仅降低了电能消耗，同时能改善启动性能，保护电机及负载设备免受瞬时启动的冲击，延长其工作寿命，还提高电动机和负载设备的工作精确度，实践证明，变频技术用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，普遍节电达到30-50%。
变频技术发展现状
目前最新前沿变频技术，分别涉及低电磁噪音、静音化、专用化、系统化、网络化、“易于使用”的模式、参数趋势图形、内置式应用软件、分布式应用、参数自调整、功能设置软件化等技术。
1、低电磁噪音、静音化
新型通用变频器除了采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化外，还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC，而在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。
2、专用化
为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型。如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、数控机床专用型、纺织机械专用型、同步传送机专用型、挖沙船专用型、拉丝机专用型和空压机专用型等专业应用领域的专用机型。
3、系统化
除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。这些技术的完成可以使变频器、伺服装置、控制器及通讯装置等集成配置，甚至自动化和驱动系统、通讯和数据管理系统都可以像驱动装置通常嵌入“全集成自动化”系统那样进行，目的是为用户提供最佳的系统功能。
4、网络化
可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等。
5、“易于使用”的模式
机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。
6、参数趋势图形
参数趋势图可适时地显示各信号的现时运行状态，用户在调试过程中，可随时监控和记录运行参数。
7、内置式应用软件
可以内置多种应用软件，有的品牌可提供多达130余种的应用软件，以满足现场过程控制的需要，如PID控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通讯软件等。
8、分布式应用
现代自动化工程趋于分布式方案，这就要求智能化设备必须是模块化、分布化，并且能与现代机器设备集成。这样不仅会在生产、机器设备调试和维护方面带来成本优势，而且为设备扩展带来高灵活性。
9、参数自调整
用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置，通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态。
10、功能设置软件化
功能可以在WINDOWS环境下设置并下装，并可以进行数据通讯。
变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益。
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