1.3　变频器的基本组成和控制原理

1.3.1　变频器的基本组成

由公式n=60f₁（1-S）/p可知，改变定子频率f₁可进行调速。如将三相50Hz交流电经过一定电子设备变换，得到不同频率的三相交流电，则可使普通交流电动机获得不同的转速。这种设备我们称之为变频器。变频器可分为交-交和交-直-交两种方式。

交-交变频器主要用于特大功率、较低频率的运行，应用面较窄，没形成通用的大量使用的产品。而交-直-交变频器目前已形成通用产品，大量使用，这里主要介绍这种形式的变频器。

变频器的基本组成如图1-38所示，它由整流器、中间直流环节、逆变器、控制电路组成。整流器的作用是将三相（或单相）交流电整流成直流。中间直流环节负责将整流器输出的交流成分滤除掉获得纯直流电提供给逆变器。逆变器将直流电重新逆变为新的频率的三相交流电，驱动负载电动机转动。

控制电路由检测电路、信号输入、信号输出、功率管驱动、各种控制信号的计算等部分组成，目前这一环节主要由高性能的微机与外围设备组成的微机控制系统完成。它具有控制功能强、硬件简单的特点，目前的变频器实际是一个高性能的计算机系统，但对用户来讲，完全不必了解计算机系统的内部组成如何，只把它看成一个黑箱，了解它怎样使用即可。

交-直-交变频器可分为电流型和电压型两类。

电流型变频器的中间直流环节采用电感元件作滤波元件。这种变频器的突出优点是当电动机处于再生发电状态时，可方便地把电能回馈到交流电网。它的缺点是电感元件对整流器输出电压的交流成分的滤除受负载的影响较大。这种变频器主要用于频繁加减速的大容量传动中，目前应用面不如电压型广。

电压型变频器的中间直流环节采用电容元件作滤波元件，这种结构可获得平稳的直流电压，提供给逆变器。这种结构受负载的影响较小，在空载至满载范围内均可获得良好的性能。它的缺点是当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的电能难于回馈到交流电网，必须采用相应的电路加以解决。

1.3.2　PAM（Pulse Amplitude Modulation）方式

电压型交-直-交变频器又可分为脉冲幅值调制（PAM）方式和脉冲宽度调制（PWM）方式两种。图1-39为PAM变频器的主回路原理图。晶闸管V₁～V₆组成全控桥式整流电路，得到直流电U_d，电容C起滤波作用。控制V₁～V₆的导通角可获得不同幅值的U_d。可关断晶闸管（GTO）VT₁～VT₆与二极管VD₁～VD₆组成逆变器，VD₁～VD₆又称续流二极管，它主要起电路过渡过程中的续流电路通路作用。R₁、R₂是等值的，目的是取得U_d的中间电位点。PAM工作方式分120°导通和180°导通两种方式。这里以120°为例，每个GTO的导通时间为120°。对VT₁和VT₄组成的U桥臂来讲，首先VT₁导通120°，隔60°后，VT₁导通120°，再隔60°后，VT₁导通120°，以此方式周而复始地工作。此时用示波器观察U、O两点间的电压波形，如图1-40（a）所示。另两个桥臂的工作方式也是相同的，只是导通时间各相差120°。V、O两点间的电压波形如图1-40（b）所示。W、O两点波形如图1-39（c）所示。此时用示波器观察U、V两点，V、W两点，W、U两点间的波形，分别如图1-40（d）、（e）、（f）所示。这种波形的电压加入到交流电动机后，由于电动机电感的作用及二极管VD₁～VD₄的续流作用，可获得变化的电流而形成旋转磁场，使电动机转动。

通过控制电路控制GTO导通的频率即可获得不同同步转速的旋转磁场，达到变频调速的目的。控制整流器晶闸管的导通角，可获得不同整流电压U_d，进而控制输出三相交流电压的幅值。因此，这种控制方式又称为脉冲幅度调制方式（PAM）。

这种调制方式的逆变器功率器件还可用普通晶闸管（SCR）、功率晶体管（CTR）等组成。但要配以相应的辅助电路方可。

PAM在大容量变频器中有着广泛的应用。这类电路的优点是每周期内开关次数少、电路相对简单、对功率器件的要求不高、容易实现大功率变频器。缺点是：输出电压的谐波成分较高，在低频时，由于电流的断续，不能形成平滑的旋转磁场，造成电动机的蠕动步进现象。

1.3.3　PWM（Pulse Width Modulation）方式

交-直-交变频器要求具有两个基本特点，即输出电压的频率可变和输出电压的幅度可变，所以一般称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）方式。前面介绍的PAM方式中逆变器起VF作用，整流器起VV作用。加在变频器环节中，将每个半周的矩形分成许多小脉冲，通过调整脉冲宽度的大小，即可起到VV的作用。这就是所谓的PWM方式。PWM方式又可分为：等脉宽PWM法、正弦波PWM（SPWM）法、磁链追踪型PWM法、电流跟踪型PWM法、谐波消去PWM法、优化PWM法、等脉宽消谐波法、最佳PWM法等多种方式。目前常用的是SPWM法。这种方法输出的电压经滤波后，可获得纯粹的正弦波形电压，达到真正的三相正弦交流电压输出的目的。

SPWM变频器的电路原理如图1-41所示。整流器由不可控器件（二极管）组成。它输出的电压经电容C滤波后，提供恒定直流电压给逆变器，逆变器由6个可控功率器件GTR及反并联的续流二极管组成。图1-41（b）是控制回路，参考信号振荡器产生三相对称的三个正弦参考电压，其频率决定逆变输出电压的频率，其幅值满足逆变器输出电压幅度的要求，即这个振荡器可发出VVVF信号。三角波振荡器能发出频率比正弦波高出许多的三角波信号。这两种信号经电路的作用后，产生PWM功率输出电压。在通信技术中，这里的正弦波称之为调制波（Modutating Wave），三角波称为载波（Carrier Wave），输出为PWM（Pulse Width Modulation）信号。SPWM调制方式可分为：单极性式和双极性式。单极性式的同一相两个功率管在半个周期内只有一个工作，另一个始终在截止状态。例如，U相正半周时，当u_C<u_RU时，VT₁导通；u_C>u_RU时，VT₁截止，形成正半周的SPWM波形，如图1-42所示。经电动机电感滤波后获得的等效正弦波如图中虚线所示。在负半周时，VT₄工作，VT₁截止，获得负半周的SPWM波形。

所谓双极性工作方式是输出的半个周期内每个桥臂的两个功率管轮流工作。当VT₁导通时，VT₄截止；当VT₁截止时，VT₄导通。这种工作方式要求三角载波信号也为双极性，其输出波形如图1-43所示。采用双极性调制输出的相电压及UV之间的线电压输出波形如图1-44所示。

1.3.4　调制比（载波比）

载波频率f_c与调制频率f_r之比称为调制比N，即N=f_c/f_r，在调制过程中可采用不同的调制比。它可分为：同步调制、异步调制和分段同步调制三种。

同步调制中，N为常数，一般取N为3的整数倍的奇数。这种方式可保持输出波形的三相之间对称，这种调制方式最高频率与最低频率的输出脉冲数是相同的。低频时会显得N值过小，导致谐波含量变大，转矩波动加大。

异步调制中，改变正弦波信号f_r的同时，三角波信号f_c的值不变。这种方式在低频时，N值会加大，克服了同步调制中的频率不良现象。这种调制方式由于N是变化的，会造成输出三相波形不对称，使谐波分量加大。但随功率元件性能的不断提高，如能采用较高的频率工作，以上缺点就不突出了。

分段同步调制是将调制过程分成几个同步段调制，这样既克服了同步调制中的低频N值太低的缺点，又具有同步调制的三相平衡的优点。这种方式有在N值的切换点处出现电压突变或振荡的缺点，可在临界点采用滞后区的方法克服。

1.3.5　U/f控制的原理

在电动机学中知道，如在异步电动机中，外加电压为U₁，在定子中产生的反电势则为：

E₁=4.44f₁N₁k₀Φ_M　　（1-20）

式中，f₁为加于定子的电源频率；N₁为每相绕组的匝数；k₀为比例系数；Φ_M为气隙磁通。

由异步电动机的等值电路（见图1-45）可知：

　　 （1-21） 　　

式中，r₁为定子绕组内阻；X₁为定子漏抗。

上式中的为：

　　 （1-22） 　　

式中，L_m为产生气隙主磁通的等效电感；r_m为励磁电阻（很小）；为励磁电流。

当忽略r_m时，主要取决于电源频率f₁，第二项，此项称为定子阻抗压降，当频率很高时，的值主要取决于第二项，即而L₁?L_m，因此，高频时。对电动机来讲，气隙磁通Φ_M的大小会影响到电动机的工作效率。如Φ_M太小，电动机效率太低，不能充分发挥电动机的作用，造成输出功率不足。当Φ_M太大时，电动机磁路处于过饱和状态，电动机发热厉害，损耗太大，造成电动机烧毁。因此，电动机的最佳工作状态应是磁通Φ_M处于额定值。因此，一般来讲式（1-20）中的Φ_M为常值时，必须保持E₁与f₁成比例的变化。即E₁/f₁=4.44N₁k₀Φ_M=常数。

由以上分析可知，在较高频率时，有：U₁≈E₁，因此一般可控制U₁/f₁=常数，这样就可得到恒定磁通的工作状态。这就是所谓的U/f控制方式变频器的工作原理。

上述结论在较高频率时是成立的，而随着频率f₁的降低，减小，造成不断减小，减小造成减小，而此时一项则逐渐占有比较大的分量，不能再被忽略，在等式中，则不能再被忽略，此时若增加一定的输入电压，补偿掉定子阻抗的压降，则可保持U₁/f₁为常数的关系。这一定子阻抗压降的补偿即所谓的“转矩提升”。

由等值电路可知：，是转子折合到定子侧的电流，它的大小与负载有关。

负载增大时，也增大，一般为较小的定值，因此的值取决于的大小，即的大小与负载有关。即中的大小与负载有关，当负载增大时，增大，增大造成增大，负载较轻时减小。因此，在U/f控制中，所谓的转矩提升是受负载与定子阻抗的影响的。只有根据现场实测出负载的大小及定子阻抗才能做到精确补偿。

转子形成的反电势公式为：

E₂=4.44f₁N₂k₀₂Φ_M　　（1-23）

机械功率：

　　 （1-24） 　　

电抗同步频率为：，转子转速为：

　　 （1-25） 　　

其中，

　　 （1-26） 　　

由式（1-25）可见，当转差率S较小时，cosφ₂≈1，转矩M_CP与转子电流成正比（为转子折合到定子侧的电流），而与转差率S成正比。仿照直流电动机调速系统，一般将这种具有恒磁通的调速方式称恒转矩调速。

1.3.6　恒功率变频调速方式

当变频器的频率f₁达到电动机的额定电源频率（例如50Hz）时，如再增加f₁则不能保持U₁/f₁=常数的关系，而提高了U₁。因为再提高U₁已超过额定电压，这是不允许的，此时只能保持U₁为额定值。于是，U₁/f₁的比值随f1的增高而减小，造成主磁通Φ_M的不断减小，导致电动机转矩减小，机械特性如图1-46所示。这种特性类似于直流电动机的弱磁调速方式，一般称为恒功率调速。

因此在变频调速过程中，如保持U₁/f₁（E₁/f₁）为常数，可近似认为是恒转矩调速方式。如保持U₁不变，而只改变f₁可近似认为是恒功率调速方式。

1.3.7　U/f变频器的U/f曲线的使用

目前变频器都具有U/f曲线设置功能，如图1-47所示。图中U_e称最大电压（或额定电压），f_e为基本频率，f_max为最大频率，U_e、f_e、f_max均可通过软件功能来设置。曲线与纵轴的交点称转矩提升值。

曲线2对应空载情况，曲线3对应较轻负载情况，曲线1对应较重负载情况，曲线4、5对应风机和泵类负载情况。

f_max为电动机允许的最高工作频率，对于f_e～f_max的这一段曲线，输出电压为额定工作电压U_e，此段工作属恒功率调速。

由于定子阻抗压降受负载变化的影响，当负载较重时，可能补偿不足，负载较轻时，可能产生过补偿，造成磁路过饱和，因此做到准确的补偿是很困难的。这是U/f变频器的一个缺点，它的另一个缺点是U/f控制只能控制定子电压，对转子转速来讲，属开环控制，因此，很难对转速进行准确的控制。它的第三个缺点是，转速极低时，从机械特性曲线可以看出，由于曲线的弯曲，将会造成转矩不足。

1.3.8　高功能型的U/f变频器

针对普通变频器的缺点，经过不断研究改进，提出了所谓的高功能性U/f变频器，富士公司的FRENIC500G 7/G9、三恳公司的SAMCO-L均属这类产品。由于各公司的产品的处理方法不尽相同，对各种机理进行深入分析已超出本书范围，这里仅对这类变频器作简要介绍。这种变频器采用了磁通补偿器、转差补偿器和电流限制器。

（1）磁通补偿器

在变频器中利用定子电压和电流的检测值，通过一定的运算，计算出励磁电流I₀和转子电流在低频运行时，利用这两个量，计算出负载变化引起的转子磁通Φ₂的变化量，并控制使其维持基本不变，克服了低转速转矩不足的缺点。

（2）转差补偿器

电动机负载增大后，会使转差率S增大，引起增大，使转速下降。这是由于这种U/f变频器是开环控制。如将电动机加上一个测速机构，并反馈到系统中来构成速度闭环，即可获得较硬的特性曲线。但增加测速机构形成转速闭环，会增加系统的复杂性。通过测出的变化量也可对转差率进行补偿，如补偿得当，不构成速度闭环也可实现精确的速度控制。

（3）电流限制器

转子电流的大小会反映出负载转矩的大小。因此，如负载M超过最大值后，保持在最大允许值不变，可使电动机维持在最大转矩T_max上，实现挖土机特性。在这种特性下，如负载达到了T_max后继续增加，会造成电动机转速迅速下降，以致停止转动，但转子电流却维持在最大允许值不变，不会引起变频器过载跳闸事故。这种功能又称“转矩限定功能”。

具有以上功能的实验结果如图1-48所示（图中带百分号的参数表示相对于额定值的百分数，T—转矩，M—负载，T_nom—额定转矩，M_nom—额定负载）。

图1-48（a）中具有电流限制器的机械特性曲线中，当负载超过100％以后，特性曲线迅速变软，防止了跳闸。另一条无电流限制器的曲线中，负载增大引起电流增大，造成跳闸。

图1-48（b）表示低速（f₁=1Hz，n=30r/min）时的转矩特性，转矩由0％增至150％转速基本不变。

图1-48（c）表示具有转差补偿的机械特性，负载由0～100％变化时，转速仅降低0.7％，获得较硬的特性曲线。

1.3.9　矢量控制变频器

由于直流电动机的构造特点，它的定子磁场Φ与转子电流I_a是分别控制的，控制定子励磁电流I_f即可控制磁通Φ，由于转矩T=C_TΦI_a，因此控制I_a的大小即可获得不同的电磁转矩。由于I_a与Φ控制是解耦的，因此只要控制I_a即可控制T，不影响Φ的改变。所以直流电动机的调速系统控制灵活，容易构成具有较高的动、静态性能的调速系统。

而普通的异步交流电动机只能靠控制定子电压、频率或转差率来控制电动机的转速。当输入量改变时，会使磁通Φ和转子电流I₂同时改变，很难对Φ和I₂进行独立控制，即它的控制量是耦合在一起的，它构成的调速系统动静态性能较差。

如仿照直流电动机的控制，通过一定的运算，将异步电动机的磁场分量和转矩分量分离开，分别控制，而不互相影响的话，也可用交流电动机类似于直流机一样构成高性能的调速系统，这即是异步电动机矢量控制的思路。

在普通物理中曾经介绍过，将一个U形磁铁放在支架上，使其旋转后即可构成旋转，在U形磁铁中放一个可转动的“一”字形磁铁，即可带动其旋转起来，这就是同步电动机的转动原理。如将转动部分改为“口”形软铁，也可带动其旋转起来，这就是异步电动机的转动原理。

这一旋转磁场可用旋转磁势F表示（见图1-49）。它可用以同步速度转动的、外部绕有线圈的铁芯通上直流电I_f产生。暂称这种假想电动机为F电动机。如采用相互垂直的两个电磁铁M、T，分别通以I_M和-I_T电流，使其合成磁势力为F的话，那么，这两种电磁铁同时以同步速度转动起来以后，也可以产生旋转磁势F，这里暂称这种假想电动机为MT电动机。

如采用互相垂直的两个电磁铁Q、D，但它们是固定不旋转的，而在其中通以不同相位的正弦交流电i_Q、i_D的话，它也可以产生相同的旋转磁势F，这里暂称这种电动机为QD电动机。

这即是两相异步交流电动机的原理。

如果采用互成120°角的三个电磁铁U、V、W，也是固定不动的，使U轴与D轴重合，在其中通以三相交流电的话，它也可产生相同的旋转磁势F，这就是三相交流异步电动机的基本原理，这里暂称这种电动机为UVW电动机。

由以上叙述可知，对于旋转磁势为F的异步电动机来讲，MT电动机、QD电动机、UVW电动机是等价的，只是所需通入的电流不同而已。对于这几种电动机的等价关系，其实质是坐标变换关系。这里分别称为：两相旋转坐标系M、T，两相静止坐标系Q、D和三相静止坐标系U、V、W。它们之间的转换关系如下。

I_QD=RI_ABC　　（1-27）

I_QD=SI_MT　　（1-28）

由上式有　　I_UVW=R+I_QD　　（1-29）

I_MT=S^-1I_QD　　（1-30）

其中

I_QD=［i_Di_Q］^T　　（1-31）

I_UVW=［i_Ai_Bi_c］^T　　（1-32）

I_MT=［I_M　-I_T］^T　　（1-33）

　　 （1-34） 　　

　　 （1-35） 　　

　　 （1-36） 　　

式中，β为负载角，；θ_S=ω_St，ω_S为旋转角频率。

由上式可知，S=S^-1，R⁺表示R的广义逆。

各电动机间的电压之间也有上述关系式。

如MT电动机中，选择-I_T对应异步电动机的转子电流分量，I_M对应励磁电流分量，那么，对I_M和-I_T的控制与直流电动机中控制磁场电流及转子电流的方法是相同的，也是解耦的。现可将矢量变换控制的基本原理进一步介绍如下。

由所要求的每相气隙磁通链ψM确定电流I_M，由气隙磁通链ψ_M和所要求的转矩T确定转子电流I_T。由I_M和-I_T经变换阵S确定电流i_D、i_Q，再经变换矩阵R^-得三相电流的瞬时值i_U、i_V、i_W，控制异步电动机的定子线圈。于是单独调节I_M和-I_T即可控制定子三相绕组的电流。

矢量控制时的转矩表达式可以写成：

T_em=pψ_MI_T　　（1-37）

式中，p为电动机极对数；ψ_M为气隙磁通链；I_T为电流的转矩分量。

调节I_M相当于调节气隙磁通链ψ_M，调节I_T相当于调节转子电流，这种控制相当于直流电动机的控制。配上适当的结构组成，可获得良好的动静态性能。

如u_D、u_Q为定子电压，相当于在DQ机中的分量。那么，它可由变换阵R求出。如ψ_D、ψ_Q为定子磁通链在D、Q的两个分量，它可由下式求出：

　　 （1-38） 　　

　　 （1-39） 　　

式中，为定子每相电阻。

　　 （1-40，1-41，1-42） 　　

根据上式可构成图1-50所示的单独控制气隙磁通链ψ_M及转矩T的矢量控制系统框图。

由检测出的电动机定子电压u_U、u_V、u_W和电流i_U、i_V、i_W经运算器求出ψ_D、ψ_Q、cos（θ_S-β）、sin（θ_S-β）、I_M和-I_T的实际值。给定与实际ψ_M相比较，误差Δψ_M经励磁电流调节器计算出励磁电流给定值，与实际I_M相比较后，误差ΔI_M送至调节量运算器。

由公式

　　 （1-43） 　　

求出-，与实际值-I_T相比较，得出误差-ΔI_T送到调节量运算器。ΔI_M、-ΔI_T经调节量计算器，得出矢量I_MI，用公式I_QD=SI_MI计算出，。再利用ψ_D、ψ_Q，由公式：

　　 （1-44） 　　

　　 （1-45） 　　

式中，为定子每相电阻。

求出再经变换矩阵R^-求出这三个控制电压，经PWM逆变器求出电压控制电动机。此系统具有ψ_M、I_M、I_T闭环，是具有分别控制ψ_M和T的闭环矢量控制系统，称之为转矩矢量控制系统。如电动机加上测速机C_F，测出实际转速n与给定速度相比较后，误差Δn经速度调节器计算后，输出量作为转矩T*的输入，则构成速度闭环系统，这种系统称之为速度矢量控制系统。这种系统与典型的电流速度双闭环直流电动机系统是类似的，具有良好的动静态性能。