變頻器是一種應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通信技術(shù)，將電動(dòng)機(jī)工作電源固定的頻率變換為連續(xù)可調(diào)的頻率，從而控制交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電力傳動(dòng)控制裝置。變頻器具有優(yōu)良、快速、連續(xù)地調(diào)速和啟制動(dòng)性能和節(jié)能效果顯著、應(yīng)用范圍廣泛及其它許多優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今節(jié)能減排、改善工藝流程、提高產(chǎn)品性能、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種重要手段，在冶金、市政、機(jī)械、礦山、紡織等等各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

了解變頻器的分類，是學(xué)會(huì)應(yīng)用變頻器的一個(gè)重要的基本過程。變頻器的種類很多，通常分成如下幾種形式進(jìn)行分類：

一、按照頻率變換方式分類

變頻器按照工作時(shí)頻率的變換方式主要分為兩類，即交一交變頻器和交一直一交變頻器。

1、交一交變頻器

交一-交變頻器又稱直接式變頻器，交一交變頻器將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率和電壓均可調(diào)的交流電，然后將其供給電動(dòng)機(jī)。由于沒有中間環(huán)節(jié)，交一-交變頻器的變換效率高、過載能力強(qiáng)。由于此種變頻器連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，其頻率一般在額定頻率的1/2以下，故它主要用于低速、大容量的拖動(dòng)系統(tǒng)中。

交一交變頻器的結(jié)構(gòu)

2、交一直一交變頻器

交一直一交變頻器又稱間接式變頻器，變頻器先通過整流電路將工頻交流電通過整流電路轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電，再通過逆變電路把直流電逆變成頻率任意、連續(xù)可調(diào)的三相交流電，然后將其供給電動(dòng)機(jī)。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)比較容易控制，因此交一直一交變頻器在頻率調(diào)節(jié)范圍較寬，在改善頻率后電動(dòng)機(jī)的特性等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前,此種變頻器的結(jié)構(gòu)是普及應(yīng)用最廣泛的一種變頻器，廣泛用于通用型變頻器中。

交一直一交變頻器的結(jié)構(gòu)

3、主要特點(diǎn)比較

交一交變頻器與交一直一交變頻器的特點(diǎn)比較，見下表：

二、按主回路直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能方式分類

在交一直一交變頻器中，根據(jù)主回路直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能方式的不同，可以將其分為兩大類，即電壓型變頻器和電流型變頻器。

1、電壓型變頻器

在電壓型變頻器中，其主回路直流環(huán)節(jié)所采用的儲(chǔ)能元件，是大電解電容器。由于采用電解電容進(jìn)行濾波，緩沖負(fù)載的無功功率，直流環(huán)節(jié)輸出直流電壓波形比較平坦、電源內(nèi)阻較小，在理想情況下，可以看成是一個(gè)內(nèi)阻為零的電壓源。電壓型變頻器輸出電壓波形為矩形波或階梯波，輸出電流波形近似正弦波。常用在負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合。

電壓型變頻器的結(jié)構(gòu)

2、電流型變頻器

在電流型變頻器中，其主回路直流環(huán)節(jié)所采用的儲(chǔ)能元件為串聯(lián)電感器。由于采用電感器進(jìn)行濾波，輸出直流電流波形比較平直。電源內(nèi)阻抗很大，可以緩沖負(fù)載的無功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，對(duì)負(fù)載來說基本上是個(gè)電流源，所以稱為電流型變頻器。電流型變頻器輸出電流波形為矩形波，輸出電壓波形近似正弦波。在電流型變頻器中，電動(dòng)機(jī)定子電壓的控制是通過檢測(cè)電壓后，對(duì)電流進(jìn)行控制的方式來實(shí)現(xiàn)的。電流型變頻器的一大優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行四象限運(yùn)行，將能量回饋給電網(wǎng)；可扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化,特別是對(duì)負(fù)載電流較大時(shí)仍能適應(yīng)。這種方式適用于負(fù)載電流變化較大的場(chǎng)合,并適用于需要回饋制動(dòng)和頻繁可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械中。

電流型變頻器的結(jié)構(gòu)

3、主要特點(diǎn)比較

電壓型變頻器與電流型變頻器的特點(diǎn)比較，見下表：

三、按照輸出電壓的調(diào)制方式分類

在交一直一交變頻器中，根據(jù)輸出電壓的調(diào)制方式的不同，可以將變頻器分為正弦波脈寬調(diào)制( PWM )變頻器和脈幅調(diào)制(PAM )變頻器。

1、正弦波脈寬調(diào)制(PWM )變頻器

正弦波脈寬調(diào)制( PWM )變頻器在逆變電路部分同時(shí)對(duì)輸出電壓的幅值和頻率進(jìn)行控制。在這種方式中, PWM變頻器以較高的頻率對(duì)逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)器件進(jìn)行開閉控制，并通過改變輸出脈沖的占空比來控制輸出電壓的大小。PWM變頻器的特點(diǎn):功率因數(shù)高，調(diào)節(jié)速度快輸出電壓和電流波形接近正弦波，改善了由矩形波弓|起的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩降低等電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能。變頻器目前普遍應(yīng)用的是占空比按正弦波規(guī)律變化的正弦波脈寬調(diào)制方式。正弦波脈寬調(diào)制( PWM )變頻器適用于單臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)性能要求高的調(diào)速系統(tǒng)。

2、脈幅調(diào)制( PAM )變頻器

脈幅調(diào)制( PAM)變頻器將"變壓”和“變頻”分開完成，即在整流電路部分對(duì)輸出電壓的幅值進(jìn)行控制，而在逆變電路部分對(duì)輸出頻率進(jìn)行控制。因?yàn)樵诿}幅調(diào)制( PAM)變頻器中逆變電路換流器件的開關(guān)頻率即為該變頻器的輸出頻率，所以這是一種同步調(diào)速方式。在這種方式下,當(dāng)系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí),諧波和噪聲都比較大。這兩種變頻器的區(qū)別在于；PAM變頻器調(diào)速要采用可控整流器，并要對(duì)可控整流器進(jìn)行導(dǎo)通角控制;而PWM變頻器調(diào)速則采用不可控整流器，工作時(shí)無須對(duì)整流器進(jìn)行控制。

四、按控制方式分類

1、U/f控制變頻器

U/f控制變頻器是一種比較簡(jiǎn)單的控制方式，它的基本特點(diǎn)是對(duì)變頻器輸出的電壓和頻率按一定比例同時(shí)控制，得到所需要的轉(zhuǎn)矩。采用U/f控制方式的變頻器，控制電路成本較低，多用于對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。

2、電壓空間矢量控制（磁通軌跡法）變頻器

電壓空間矢量控制（磁通軌跡法）又稱SVPWM控制方式。該控制方式一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制。由于引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；另外，將輸出電壓、電流閉環(huán)，能提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，因此系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。

3、矢量控制（磁場(chǎng)定向法）變頻器

矢量控制（磁場(chǎng)定向法）又稱VC控制方式。該控制方式實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。該控制方式的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍寬。但控制參數(shù)的選擇比較困難，需要在線調(diào)整。

4、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器

直接轉(zhuǎn)矩控制又稱DTC控制方式。該控制方式直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩，從而在很大程度上解決了矢量控制的不足。

5、主要特點(diǎn)比較

上述四種不同控制方式變頻器的特點(diǎn)比較，見下表：

五、按照用途分類

目前，在工業(yè)中使用的變頻器可以分為通用變頻器和專用變頻器兩大類。衡量通用變頻器性能的主要指標(biāo)有控制方式、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩控制精度、速度控制精度、控制信號(hào)種類、速度控制方式、多段速度設(shè)定、載波頻率、頻率跳躍功能、通信接口等。新型的通用變領(lǐng)器基本都具備這些功能，其功能、操作、維護(hù)及應(yīng)用方面均基本相似。

1、通用變頻器

通用變頻器又可以分為低成本的簡(jiǎn)易型通用變頻器和高性能多功能的通用變頻器。

a.簡(jiǎn)易型通用變頻器

簡(jiǎn)易型通用變頻器是以節(jié)能為目的的變頻器，主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)等負(fù)載。這種變頻器在轉(zhuǎn)矩控制性能方面是按降轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性設(shè)計(jì)的。零速時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比其他類型的變頻器要小一些，具有較高的節(jié)能性能。它同時(shí)具有體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。

b.高性能多功能通用變頻器

高性能多功能通用變頻器采用矢量控制方式或直接轉(zhuǎn)矩控制方式，并充分考慮了通用變頻器應(yīng)用過程中，可能出現(xiàn)的各種需要。特殊功能還可以選件的形式供選擇。為滿足應(yīng)用需要，在系統(tǒng)的軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的功能設(shè)置。高性能通用變頻器廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高的各個(gè)領(lǐng)域之中。

2、專用變頻器

專業(yè)變頻器是指專門針對(duì)某一面或某一領(lǐng)域而設(shè)計(jì)研發(fā)的變頻器。該類型變頻器針對(duì)性較強(qiáng)，具有適用于所針對(duì)領(lǐng)域獨(dú)有的功能和優(yōu)勢(shì)，從而能夠更好地發(fā)揮變頻調(diào)速的作用。

a.高性能專用變頻器

專用變頻器是為了滿足某些特定應(yīng)用場(chǎng)合的需要而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，主要應(yīng)用于對(duì)異步電動(dòng)機(jī)控制性能要求較高的專用機(jī)械系統(tǒng)。隨著控制理論、交流調(diào)速理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制得到了發(fā)展，專用變頻器基本上都采用了矢量控制方式。矢量控制變頻器及其專用電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到并超過了直流伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動(dòng)機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等許多直流伺服電動(dòng)機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，在要求高速、高精度的控制中，這種高性能交流伺服變頻器正在逐步代替直流伺服系統(tǒng)。

b.高頻變頻器

在超精密機(jī)械加工中常要用高速電動(dòng)機(jī)。一般通用變頻器最高輸出頻率為400Hz，超過此值就稱為高頻變頻器。為了滿足驅(qū)動(dòng)高速電動(dòng)機(jī)的需要，出現(xiàn)了采用PAM控制的高頻變頻器，其輸出頻率可達(dá)3kHz，在驅(qū)動(dòng)兩極異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為18000r/min。

c.高壓變頻器

高壓變頻器是用來對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的。這種變頻器通常采用耐高壓的GTO作為逆變電路的開關(guān)器。輸出頻率可達(dá)120Hz，主要應(yīng)用于礦山機(jī)械、電力設(shè)備等領(lǐng)域中。高壓變頻器電壓等級(jí)為3kV、6kV、10kV，有高壓中、小容量變頻器和高壓大容量變頻器。

d.單相變頻器

單相變頻器主要用于輸入單相交流電源，對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的場(chǎng)合。

六、分類總結(jié)

最后，以思維導(dǎo)圖，對(duì)變頻器的分類做個(gè)總結(jié)，便于記憶和掌握。

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審核編輯 黃宇