变频器的基本知识

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项目十一 变频器的检查与保养

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基本概念： 1. VVVF 改变电压、改变频率(Variable Voltage and Variable Frequency)的缩写。 2. CVCF 恒电压、恒频率(Constant Voltage and Constant Frequency)的缩写。 3.各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭 还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz (50Hz)或100V/60Hz(50Hz)。

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为了产生可变的电压和频率，该设备首 先要把三相或单相交流电变换为直流电 (DC)。然后再把直流电(DC)变换为三 相或单相交流电(AC),我们把实现这种 转换的装置称为“变频器”(inverter)。

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变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电 产品中不仅有电机(例如空调等),还有荧光灯等 产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压， 又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于 调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池(直流 电)产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行 出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。 例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用 于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

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变频器的作用是通过改变电源的频率来改变 电机的转速，也就是通常所说的变频调速。 变频器由顺变器、中间滤波环节、逆变器三 部分组成。顺变器的作用是将定压定频的交流电 变换为可调直流电，通过电压型或电流型滤波器 为逆变器提供直流电源。逆变器将直流电源变为 可调频率的交流电。顺变器和逆变器都是晶闸管 三相桥式电路。滤波器由电容或电抗器组成，为 逆变器提供稳定的电压源或电流源。

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变频器主要由整流(交流变直流)、滤 波、再次整流(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的。

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1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ 【 r/min】电机旋转速度单位：每分钟旋转 次数，也可表示为rpm. 例如：2极电机 50Hz 3000 [r/min] 4极电机 50Hz 1500 [r/min]

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在工业中所使用的大部分电机均为感应式交 流电机。感应式交流电机(以后简称为电机)的 旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。 由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变 的。由于该极数值不是一个连续的数值(为2的倍 数，例如极数为2,4,6),所以一般不适和通过 改变该值来调整电机的速度。

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变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变

换成各种频 率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备， 其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将 交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路 的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成 交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运 算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算 的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改 变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

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变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞 生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了 SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双 极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应 管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸 管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶 闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐 高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更 新促进了电力电子变换技术的不断发展。

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20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频 (PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度 重视。20世纪80年代，作为变频技术核心 的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴 趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期 开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF 变频器已投入市场并获得了广泛应用。

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脉宽调制的基本原理 脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字 输出来对模拟电路进行控制的一种非常有 效的技术，广泛应用在从测量、通信到功 率控制与变换的许多领域中。

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模拟电路模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨 率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输 出电压并不精确地等于9V,而是随时间发生变化，并可 取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定 在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区 别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集 合之内，例如在{0V, 5V}这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音 机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮 被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变

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项目十一 变频器的检查与保养 小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了 驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机 一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是 非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间 漂移，因而难以

调节。能够解决这个问题的精密模拟电路 可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。 模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端 电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感， 任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

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数字控制通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成 本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了 PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。 简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方 法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对 一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的， 因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON), 要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的 重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电 被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要 带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

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图显示了三种不同的PWM信号。图a是一个占空 比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10%的 时间通，其余90%的时间断。图b和图c显示的分 别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种 PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、 50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设 供电电源为9V,占空比为10%,则对应的是一个 幅度为0.9V的模拟信号。

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图中使用9V电池来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和 灯泡的开关闭合50ms,灯泡在这段时间中将得到9V供电。 如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。 如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接 到了一个4.5V电池(9V的50%)上一样。这种情况下，占空比 为50%,调制频率为10Hz。

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大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负 载)需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯 泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断 开……。占空比仍然是50%,但灯泡在头5秒钟内 将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得 4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开 关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取 得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频 率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常 调制频率为1kHz到200kHz之间。

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变频器的一般分类 变频器的一般分类 1、按变换的环节分类： 、按变换的环节分

类： 可分为交-交变频器，即将工频交流直 接变换成频率电压可调的交流，又称直接 式变频器；交-直-交变频器，则是先把工频 交流通过整流器变成直流，然后再把直流 变换成频率电压可调的交流，又称间接式 变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。

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2、按直流电源性质分类： 、按直流电源性质分类： (1)电流型变频器 ) 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感 作为储能环节，缓冲无功功率，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，故称电 流源型变频器(电流型)。电流型变频器的特点 (优点)是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常 选用于负载电流变化较大的场合。

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