變頻器是怎樣變頻的？

●這裡首先普及一下變頻器基本知識。

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換成另頻率電源的電能控制裝置。通俗地說,它是一種能改變施加於交流電動機的電源頻率值和電壓值的調速裝置。

交流變頻調速理論誕生於20世紀20年代, 60年代後,隨著新型大功率電力電子器件的開發和先進的微處理器的出現,變頻調速技術得到迅速的發展,並最終廣泛應用到實際生產中去。

交流變頻調速傳動克服了直流電動機的缺點(電機結構複雜、維護保養工作量大等),發揮了交流電動機本身固有的優點(結構簡單、經久耐用、動態響應好、價廉等),並很好地解決了交流電動機調速效能先天不足的問題。可以說,變頻器是當今最先進、最有前途的一種交流電動機調速裝置。

變頻調速裝置能實現軟啟動、軟停車、無級調速以及特殊要求的增、減速特性等,具有顯著的節電效果。它具有過載、過壓、欠壓、短路、接地等保護功能,具有各種預警、預報資訊和狀態資訊及診斷功能,便於除錯和監控,可用於恆轉矩、平方轉矩和恆功率等各種負載。

變頻器由電力電子半導體器件(如整流模組、GTO門1極可關斷閘流體、GTR電力電晶體、IGBT絕緣柵雙極型電晶體、IPM智慧功率模組等)、電子器件(積體電路、開關電源、電阻、電容等)和微處理器(CPU)等組成。其基本構成如下圖所示。●變頻器由主電路、控制電路、操作顯示電路和保護電路四部分組成。

①整流器 →它由全波整流橋組成,其作用是把工顏電源變換成直流電源,變績器多采用二極體整流器,也採用電晶體整流器。整流器的輸入端接有壓敏電阻網路,保護變頻器免受浪湧過電壓及大氣過電壓衝擊而損壞。

②直流中間電路→ 由於逆變器的負載為非同步電動機,屬於感性負載,因此在直流中間電路和電動機之間總會有無功功率交換,這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件電容器或電感器來緩衝。另外,直流中間電路對整流器的輸出進行濾波,以藏小直流電壓或電流的波動。濾波電路又稱平波電路,一般通用變頻器採用電容濾波（平波）電路。

在直流電路里設有限流電路(由圖上中的限流電阻R及開關K構成),以保護整流橋免受衝擊電流作用而損壞。

★設定制動迴路的目的是,當非同步電動機負載在再生制動區域使用時(轉差率為負),再生能量將儲存在濾波電容器中,從而使直流環節電壓升離,為抑制電壓升島,利用制動同路中的制動電阻消耗掉直流電路中的再生能量,制動迴路還可以採用可逆整流器把再生能量反饋給電網。

●控制電路(主控制電路CPU)→控制電路由運算放太電路,檢測電路,控制訊號的輸人、輸出電路,驅動電路等構成,一般採用微機進行全數字控制,主要靠軟體完成各種功能。

●操作顯示電路→這部分電路用於執行操作、引數設定、執行狀態顯示和故障顯示。

●保護電路→這部分電路用於變頻器本身保護及電動機保護等。

♥變頻器的內部結構及外部接線變頻器的內部結構及外部接線如圖下所示。(1)主控制電路(CPU)

①接收各種訊號

a.在功能預置階段,接收各功能的預置訊號。

b,接收從鍵盤或外接輸入端子輸入的給定訊號。

c.接收從外接輸人端子或通訊介面輸入的控制訊號。

d.接收從檢測電路輸入的檢測訊號。

e,接收從保護電路輸入的保護執行訊號等。

②進行基本運算最主要的運算包括:

a.進行向量控制運算或其他必要的運算;

b.實時地計算出SPWM波形各切換點的時刻。

a.輸出至逆變管模組的驅動電路,使逆變管按給定信及預置要求輸入SPWM。

b.輸出給顯示器，顯示當前的各種狀態。

c.輸出給外接輸出控制端子。

d.向保護電路發出保護指令，以進行保護。

●檢測電路→接收電壓、電流以及模組溫度、電動機速度等取樣訊號,並將其轉換成主控制電路所能接收的訊號。

●保護電路→接收主控制電路輸入的保護指令,並實施保護。同時也直接從檢測電路輸入檢測訊號,以便對某些緊急情況實施保護。保護電路可分為變頻器本身保護和非同步電動機保護兩種。

知足常樂於湖北省鍾祥市2020.1.21日

變頻器在現代工控領域中是非常重要的一種裝置，它可以單獨控制三相非同步電機、也可以配合可程式設計控制器（PLC）、觸控式螢幕（HMI）等裝置配合使用然後透過整合控制方式來完成三相電機的精確控制。因此變頻器作為三相非同步電機的驅動裝置它的主要作用是將頻率固定的交流電源（中國工頻為50HZ）改變成頻率連續可調（0-400HZ）的交流電並通入到三相電機中，使三相電機的速度可進行任意的調節。由此可見變頻器就是一種電源頻率變換器，下面我將簡要說說這種變換器是如何實現頻率變換的。

變頻器實施變頻的過程雖然複雜但是變頻器的工作原理相對簡單，它就是根據朋友們熟知的一個表示式子n0=60f/p 。從這個簡單的表示式我們可以知道只要電源的頻率連續可調節，那麼三相非同步電機的同步轉速n0也就可以連續可調節了。我們又知道在三相非同步電動機中的轉子的轉速n總是略低於電機的同步轉速的，這樣以來三相非同步電機的轉子轉速就可以連續可調節了。這個原理在三相非同步電機誕生之時就人們就知道了，距今現在有一百多年的時間了，由於當時技術的侷限性無法制造出變換電源頻率的變換器，直到20世紀七八十年代隨著大功率電晶體（特別是IGBT絕緣柵晶體逆變管）和超大規模微處理器（MCU）的出現這種變頻器才誕生並逐漸成熟起來。

由於變頻器的頻率變換過程比較複雜，在這裡我只是簡單的和朋友們說說這方面的問題，給朋友們一個大致的瞭解，如果朋友們感興趣的話可以找專業書進行詳細研究。

變頻器整個電路分為主電路和控制電路兩部分，為了使回答言簡意賅更能說明如何實現變頻的，我在這裡主要說說主電路部分是如何實現的。在主電路中一般是由三部分構成的其分別為：交直電路部分，包括整流電路、濾波電路等；能耗電路部分（主要在制動狀態下使用）；直交逆變部分，’如下圖所示的那樣。

在主電路中我們只要明白六個絕緣柵功率管（IGBT）的工作過程，就能搞懂變頻器是如何變頻的了，為了簡要問題，我們以單向逆變橋工作過程為例子來說明。當在整個週期為T的前半週期時，控制電路透過驅動電路給絕緣柵功率管的柵極給控制訊號時V1、V4會導通，V2、V3會截止，那麼輸出的電壓Uab為正的；當在整個週期為T的後半週期時，V2、V3會導通，V1、V4會截止，那麼輸出的電壓Uab為負的。就這樣在微處理器（MCU）的精確控制下在負載Rab端就會週而復始地交替下去，由於這個週期是由控制器來設定的，脈衝的寬度也是由控制器設定的，因此它的輸出頻率就會得到改變，從而對三相非同步電機達到了調速的目的。這時四個逆變管子，如果是六個其原理是一樣的，在這裡我就不多說了。

變頻器定義

變頻器是透過改變電機的電源與頻率方式來實現控制裝置。是變頻技術與微電子技術的結合。

由整流，濾波，逆變，驅動以及微處理單元構成。一般透過驅動IGBT的開斷實現對輸出電壓與頻率的調整。實現調速與節能的功能。

過壓，過流，過載保護、調速、節能

電壓型變頻器：將電壓源的直流變頻轉為交流的變頻器

電流型變頻器：將電流源的直流轉為交流的變頻器

整流：將工頻電或交流電變為直流。

濾波電路：整流後的電路由於有不穩定的脈動電壓。一般採用電感與電容組成吸收電路保持電壓的穩定性。

逆變：將整流後的直流電變換為所需要的交流電。

控制電路：主要負責監督外圍的轉速，電壓，電流等訊號，進行訊號的反饋比較，從而控制逆變的輸出與頻率及實現裝置的保護作用。

一般用於交流伺服驅動系統、電機環保節能、電動汽車電機驅動等節能自動化裝置中

電力、石油、化工、建材、交通、造紙、紡織、礦山等工業與科技領域。

據我所知在自動感應電動機出現以來，交流發電機的形式已經存在變頻操作。更改發電機的轉速，並更改其輸出頻率。在高速電晶體出現之前，這是改變電機轉速的主要途徑之一，但由於發電機轉速降低了輸出頻率而不是電壓，頻率變化受到限制。

　　因此，我們來看一下變頻器的元件，看看它們是如何實際一起工作的，以改變頻率和電機轉速。

　　變頻器元件

　　整流器

　　由於在交流模式下很難改變交流正弦波的頻率，變頻器的第一項工作就是將波形轉換為直流。為了使它看起來像AC，操作DC相對容易。所有變頻器的第一個組成部分是一個被稱為整流器或轉換器的裝置，如下圖所示.

　　變頻整流器

　　整流器電路將交流電轉換成直流電，其工作方式與電池充電器或電弧焊機的方式大致相同。它使用一個二極體電橋來限制交流正弦波只向一個方向移動。其結果是完全整流的交流波形被直流電路解釋為本地直流波形。三相變頻器接受三個獨立的交流輸入相併將其轉換為單個直流輸出。

大多數三相變頻器也可以接受單相（230V或460V）電源，但由於只有兩個輸入支路，所以變頻器輸出（HP）必須降額，因為所產生的直流電流成比例地降低。另一方面，真正的單相變頻器（控制單相電機的單相變頻器）利用單相輸入，併產生與輸入成比例的直流輸出。

　　當涉及到變速執行時，三相電機比單相計數器部件更普遍的應用有兩個原因。首先它們擁有更廣泛的功率範圍。另一方面，單相電動機通常需要一些外部干預來開始旋轉。

　　直流母線

　　直流母線（圖中所示）的第二個組成部分，在所有變頻器中都看不到，因為它不直接影響變頻執行。但是，它始終存在於高質量的通用變頻器中。直流匯流排使用電容器和電感來濾除轉換後的直流電中的交流“紋波”電壓，然後進入逆變器部分。它還包括阻止諧波失真的濾波器，可以反饋給變頻器電源。較老的變頻器和需要單獨的線路濾波器來完成這項流程。

　　逆變器

　　插圖右側是變頻器的“內臟”。逆變器使用三組高速開關電晶體來建立模擬交流正弦波的所有三相的DC“脈衝”。這些脈衝不僅決定了波的電壓，還決定了它的頻率。逆變器或逆變器這個術語的意思是“反轉”，簡單地說就是所產生波形的上下運動。現代變頻器逆變器使用稱為“脈寬調製”（PWM）的技術來調節電壓和頻率。

　　然後我們說一下IGBT，IGBT指的是“絕緣柵雙極型電晶體”，它是逆變器的開關（或脈衝）元件。電晶體（取代真空管）在我們的電子世界中起到兩種作用。它可以像放大器那樣充當放大器並增加訊號，或者可以充當開關，只需開啟和關閉訊號。IGBT是一種現代版本，可以提供更高的開關速度（3000 - 16000 Hz）並減少熱量產生。較高的開關速度可以提高交流電波模擬的精確度，降低電機噪音。產生的熱量減少意味著散熱片更小，因此變頻器佔地面積更小。

　　變頻器PWM波形

下圖顯示了PWM變頻器的逆變器與真正的AC正弦波相比產生的波形。逆變器輸出由一系列具有固定高度和可調寬度的矩形脈衝組成。在這個特殊的情況下，有三組脈衝 - 中間是一個寬的集合，在AC週期的正負兩部分的開始和結束處有一個窄的集合。脈衝的面積之和等於真正的AC波的有效電壓。如果要切掉真正交流波形上方（或下方）的脈衝部分，並用它們填充曲線下方的空白區域，就會發現它們幾乎完美匹配。正是這樣，變頻器才能控制電機的電壓。

　　脈衝寬度和它們之間的空白寬度的總和決定了電機看到的波形的頻率（因此是PWM或脈寬調製）。如果脈衝是連續的（即沒有空白），頻率仍然是正確的，但是電壓將比真正的AC正弦波大得多。根據所需的電壓和頻率，變頻器將改變脈衝的高度和寬度以及兩者之間的空白寬度。

　　有些人可能想知道這個“假”AC（實際上是DC）是如何執行交流感應電機的。畢竟，是不是需要一個交流電來“感應”電機轉子中的電流及其相應的磁場呢？那麼，AC會自然而然地導致感應，因為它是不斷變化的方向 另一方面，DC不會因為一旦電路被啟用而正常動作。

但是，如果DC開啟和關閉，DC可以感應出電流。對於那些年紀已久的人來說，汽車點火系統（在固態點火之前）曾經在分配器中有一組點。這些要點的目的是從電池“脈衝”到線圈（變壓器）。這線上圈中感應出一個電荷，然後將電壓升高到允許火花塞點火的水平。上圖中看到的寬直流脈衝實際上是由數百個單獨的脈衝組成的，逆變器輸出的這種開啟和關閉運動允許透過直流感應發生。

　　有效電壓

　　使交流電覆雜的一個因素是它不斷地改變電壓，從零到某個最大的正電壓，然後回到零，然後到一些最大的負電壓，然後再回到零。如何確定施加到電路的實際電壓？左邊的插圖是60Hz，120V的正弦波。但是要注意，它的峰值電壓是170V。如果它的實際電壓是170V，我們怎麼可能稱之為120V波呢？

在一個週期中，它從0V開始，上升到170V，然後再次下降到0.它繼續下降到-170，然後再次上升到0.原來上邊界在120V的綠色矩形的面積是相等的到曲線正負部分的面積總和。那120V就是平均水平？

好，如果要平均整個週期中每個點的所有電壓值，結果將是大約108V，所以不能是答案。那麼為什麼這個值是由VOM測量的120V呢？它與我們所說的“有效電壓”有關。

　如果您要測量流過電阻的直流電流產生的熱量，則會發現它大於等效交流電流產生的熱量。這是由於AC在整個週期中不保持恆定的值。如果在實驗室中，在受控的條件下進行，發現特定的直流電流產生了100度的熱量升高，其交流電當量將產生70.7度的上升或者70.7％的直流值。所以AC的有效值是DC的70.7％。還可以看出，交流電壓的有效值等於曲線前半部分的電壓平方之和的平方根。

如果峰值電壓為1，並且要測量從0度到180度的各個電壓，則有效電壓將為0-707的峰值電壓。圖中170的峰值電壓的0.707倍等於120V。這個有效電壓也被稱為均方根或RMS電壓。因此，峰值電壓總是有效電壓的1.414。230V交流電流具有325V的峰值電壓，而460具有650V的峰值電壓。

　　除了頻率變化之外，即使電壓與交流電機的執行速度無關，變頻器也必須改變電壓。

　　有效電壓

　　該圖顯示了兩個460V交流正弦波。紅色是60hz曲線，藍色是50hz。兩者都有一個650V的峰值電壓，但是，50hz要寬得多。您可以很容易地看到50Hz曲線的前半部分（0 - 10ms）內的區域大於60hz曲線的前半部分（0 - 8.3ms）。而且，由於曲線下面積與有效電壓成正比，所以其有效電壓更高。隨著頻率的降低，有效電壓的增加變得更加劇烈。

如果允許460V電動機在這些較高的電壓下工作，則其壽命可以大大減少。因此，變頻器必須不斷改變相對於頻率的“峰值”電壓，以保持恆定的有效電壓。操作頻率越低，峰值電壓越低，反之亦然。

　　您現在應該對變頻器的工作原理以及如何控制電機速度有一個很好的瞭解。大多數變頻器可以讓使用者透過多位置開關或鍵盤手動設定電機轉速，或使用感測器（壓力，流量，溫度，液位等）使過程自動化。

變頻就是改變供電頻率，從而調節負載，起到降低功耗，減小損耗，延長裝置使用壽命等作用。透過變頻器實現變頻。

　　1、變頻器是將恆壓恆頻的交流電轉變成變壓變頻的交流電的裝置，以滿足交流電動機變頻調速的需要。變頻器按結構分：交-直-交和交-交變頻器，即間接變頻變頻器和直接變壓變頻器。

　　2、交-交變頻器輸入功率因數低，諧波含量大，頻譜複雜，最高輸出頻率不超過電網頻率的一半。交-直-交變頻器先將工頻交流電整流變換成直流電，透過逆變器將直流電變換成可控的頻率和交流電壓，由於有中間直流環節，所以又稱間接變壓變頻器。