变频器的原理及作用：变频器的基本用途及功能

变频器是将工频交流电源变换为频率和电压可调的交流电源，实现交流电动机调速的电气装置，已广泛应用于工农业生产的各个领域。因此，变频器的应用知识已是机电工程技术人员必备的技能之一。

变频器，采用高性能的U/f控制和矢量控制技术，提供低速高转矩输出，具有良好的动态特性、超强的过载能力，创新的内部互联功能更具有无可比拟的灵活性。变频器可工作于缺省的工厂设置状态下，是为数量众多的简单电动机变速驱动系统供电的理想变频驱动装置。用户可以根据需要设置相关参数，充分利用变频器所具有的全面、完善的控制功能，为需要多种功能的复杂电动机控制系统服务。

1.1 、变频器的概念

变频器是将工频交流电源变换为频率和电压可调的三相交流电源的电气装置，用以驱动交流异步电动机实现变频调速，如图1所示。

图1

根据交流异步电动机的转速表达式：

图2

1.2、电动机变频传动

（1）利用变频器可实现交流电动机调速。由于变频器可以看作一个频率可调的交流电源，对于现有恒速运转的电动机，只要在电源和电动机之间接入变频器和相应设备，就可对电动机实现调速控制，而无需对电动机和系统进行设备改造。

（2）具有较宽的调速范围和较高的调速精度。通用变频器的调速范围可以达到1：10以上，而高性能的矢量型变频器的调速范围可达1：1000。而且采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可控制电动机的输出转矩。

（3）可减小电动机的启动电流。电动机工频电源直接启动时，启动电流是额定电流的4到7倍，这个电流将大大增加电动机绕组的电应力并产生热量，从而降低电动机的使用寿命。而变频器调速时则可从零转速零电压启动，按斜坡函数的规律进行加速，从而限制了电动机的启动电流。

（4）可实现高转速、高电压、大电流控制。目前高频变频器的输出频率可以达到3000KHz，当利用这种高速变频器对2极异步电动机进行驱动时，可以得到180000转/分的高转速。随着变频技术的不断发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，高速驱动也是变频器调速控制的一个重要优势。

1.3、节能

风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可达到10%--30%，最高高达60%。这是因为风机、泵类负载的实际消耗功率近似与转速的3次方成比例。以节能为目的的变频器的应用，在最近几十年来发展非常迅速，据有关方面统计，我国已经进行变频改造的风机、泵类负裁的容量只占总容量的5%左右，还有很大的改造空间。由于风机、泵类负裁在采用变频调速后可以节省大量的电能，所需的投资在较短的时间内就可以收回，因此在这一领域的应用最广泛。目前，应用较成功的有恒压供水、各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。

1.4、精度控制

由于控制技术的发展，变频器除了具有基本的调速控制之外，更具有了多种算术运算和智能控制功能，输出精度高达0.1%-0.01%。变频器还设置有完善的检测、保护环节，因此在自动化系统中得到了广泛的应用，例如在印刷、电梯、纺织、机床、生产流水线等行业进行速度控制。

1.5、提高工艺水平和产品质量

变频器还广泛地应用于传送、起重、挤压和机床等各种机械设备的控制领域，可提高工艺水平和产品质量，减少设备冲击和噪声，延长设备使用寿命。这些机械采用变频控制后，可以使机械设备简化，操作和控制更具人性化，有的其至可以改变原有的工艺规范，从而提高整个设备的功能。

1.5、新能源发电

风力发电机组功率的不断增大，导致机组的叶片已经重达数吨或数十吨。操纵如此巨大的转动惯性体，且响应速度要求能跟上风速变化是相当困难的。近年来投运的变桨距风力发电机组，一方面对桨叶角度进行变桨距控制，另一方面通过变频器控制发电机转子电流来控制其转速。变桨距控制是一个比较缓慢的过程，它的动作时间以秒计算，对快速变化的风速功率输出效果并不理想，而变频器控制发电机转子电流频率的动作时间在毫秒级以下。因此在高频率的风速变化时，通过变频器瞬时改变发电机转子电流频率可以保证发电机组能跟上风速的频繁变化，使机组功率稳定输出，降低对电网冲击的不良影响，同时也可以降低变桨距机构的动作频率，延长变桨距机构的使用寿命。

应用效果

2、变频器的基本功能

变频器除实现电动机变频调速的基本功能外，还具有频率控制、自动加减速、多段速度运行、多种停车方式、多种控制方式、制动、保护和通讯等功能。

2.1、频率控制功能

变频器的运行频率可通过操作面板上的功能键，或功能参数码预置，或外部模拟量端子控制，或由上位机通过通讯数据控制。

2.2、自动加减速功能

变频器可实现最优加减速控制，根据电动机的负载状态自动设定加减速的最短时间，或者在设定的最短加减速时间内，将加减速电流控制在充许值之内。

变频器的加减速有三种方式，线性方式、S形方式和半S形方式，如下图所示。

线性方式：在加速过程中，变频器输出频率在加速时间内输出频率按时间线性增加。如图2中（a）所示。

S形方式：在开始和结束阶段加速协程较缓慢，在中间阶段按线性方式加速，加速过程呈S形，如如图2中（b）所示。

半S形方式：在开始阶段加速协程较缓慢，中间阶段按线性方式加速，加速过程呈半S形，如图2（c）所示。

图4

2.3、多段速度运行

变频器可根据预设的速度值和运行时间执行多段速度运行，将一个完整的工作过程分为若干个程序步，各程序步的旋转方向、运行速度、工作时间或距离等都可预置，各程序步之间的切换可以自动进行。

2.4、多种停车方式

变频器的停车方式可以选择减速停车、自由停车、减速停车 直流制动，减少对机械部件和电动机的冲击，从而使调速系统更加可靠。

2.5、控制功能

变频器具有转矩提升、转差补偿、转矩限定、捕捉再启动功能，还具有矢量控制、PID控制等功能。

2.6、制动功能

变频器具有能耗制动和直流制动两种方式。能耗制动是一种磁通制动方式，电动机的减速及停车通过降低变频器的输出频率来实现，当变频器降低频率的瞬间，电动机的同步转速随之下降，然而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速并不能马上下降。当同步转速n0小于电动机的转子速度时，电动机电流的相位改变180度，电动机轴上的转矩变为制动转矩，从而实现制动，电动机上的能量通过制动电阻消耗掉。

直流制动是当电动机的转速降低到预设的制动速度时，变频器给电动机注入直流电压，使电动机停止运转，并在零速时锁定转子。

2.7、保护功能

变频器具有对变频器自身的故障保护和电动机的故障保护。对变频器自身的故障保护功能有过载保护、过电流保护、再生过电压保护、冷却风机异常等。对电动机的故障保护功能有接地保护、过载保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护、缺相保护、超频保护、失速保护等。

2.8、通讯功能

变频器带有RS232/485通讯接口，可实现上位工控机对变频器的通讯功能，接受上位机的运行指令或将变频器的运行状态上传。完善的软件功能和规范的通讯协议，可实现灵活的系统组态，组成现场总线系统。