第1章 变频器的种类和功能特点

1.1变频器的结构与分类

变频器的英文名称VFD或VVVF，它是一种利用逆变电路的方式将工频电源（恒频恒压电源）变成频率和电压可变的变频电源，进而对电动机进行调速控制的电气装置。

1.1.1变频器的结构特点

目前，市场上流行的变频器种类繁多，不同品牌的变频器的外形各异，甚至即使同一品牌不同型号的变频器外形也根据其驱动对象的功率或应用场合的不同，而存在差异，图1-1所示为不同品牌、不同型号变频器的实物外形。

1.变频器的外部结构

变频器外形虽有不同，但其外部的结构组成基本相同，图1-2所示为典型变频器的外部结构。

直接观察外观，可以看到变频器的操作显示面板、容量铭牌标识、额定参数铭牌标识及各种盖板等部分。

（1）操作显示面板

操作显示面板是变频器与外界实现交互的关键部分，目前多数变频器都是通过操作显示面板上的显示屏、操作按键、指示灯等进行相关参数的设置及运行状态的监视，图1-3所示为典型变频器的操作显示面板。

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不同类型的变频器，操作面板的具体结构也有所不同，图1-4所示为另一种常见变频器操作面板的结构图，从图可以看出其与上图所包含按键功能及形式有所区别，但基本的功能按键十分相似。

（2）容量铭牌标识

变频器的容量铭牌标识一般直接印在变频器的前盖板上，与变频器的型号组合在一起，如图1-5所示。通过该标识可以区分同型号不同系列（参数不同）变频器的规格参数。

【要点说明】

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不同厂家生产的变频器标识含义也有所区别，图1-6～图1-9所示为几种不同厂家生产的变频器的铭牌标识含义。

（3）额定参数铭牌标识

变频器的额定参数铭牌标识一般粘贴在变频器侧面外壳上，标识出了变频器额定输入相关参数（如额定电流、额定电压、额定频率等）和额定输出相关参数（如额定电流、额定电压、输出频率范围等），如图1-10所示。

变频器铭牌标识没有统一的标准，不同厂商各自对产品命名，因此想要读懂某一品牌变频器的铭牌标识，需要先对该厂商的命名规格有一定的了解。

2.变频器的内部结构

将变频器外部的各挡板取下后即可看到变频器的内部结构，如图1-11所示。

从图1-11所示中可看出，变频器的内部主要是由冷却风扇、主电路接线端子、控制电路接线端子、其他功能接口或开关（如控制逻辑切换跨接器、PU接口、电流/电压输入切换开关等）等构成的。

（1）冷却风扇

变频器内部的冷却风扇用于在变频器工作时，对内部电路中的发热器件进行冷却，以确保变频器工作的稳定性和可靠性，图1-12所示为典型变频器的冷却风扇部分。

（2）主电路接线端子

打开变频器的前面板和配线盖板后，即可看到变频器的各种接线端子，并可在该状态下进行接线操作。

其中，电源侧的主电路接线端子主要用于连接三相供电电源，而负载侧的主电路接线端子主要用于连接电动机，图1-13所示为典型变频器的主电路接线端子部分及其接线方式。

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不同类型的变频器，具体接线端子的排列和位置有所不同，但其主电路接线端子均用L1、L2、L3和U、V、W字母进行标识，可根据该标识进行识别和区分，图1-14所示为另外一个品牌的变频器的主电路接线端子的位置及相关标识。

（2）控制电路接线端子

控制电路接线端子一般包括输入信号、输出信号及生产厂家设定用端子部分，用于连接变频器控制信号的输入、输出、通信等部件。其中，输入信号接线端子一般用于为变频器输入外部的控制信号，如正反转启动方式、频率设定值、PTC热敏电阻输入等；输出信号端子则用于输出对外部装置的控制信号，如继电器控制信号等；生产厂家设定用端子一般不可连接任何设备，否则可能导致变频器故障。

图1-15所示为典型变频器的控制电路接线端子部分。

（3）其他功能接口或功能开关

变频器除上述主电路接线端子和控制电路接线端子外，在其端子部分一般还包含一些其他功能接口或功能开关，如控制逻辑切换跨接器、PU接口、电流/电压输入切换开关等，如图1-16所示。

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●控制逻辑切换跨接器是指用于切换变频器控制逻辑方式的器件。变频器的控制逻辑方式一般分为漏型逻辑和源型逻辑（指控制场效应晶体管的漏极和源极），类似计算机主板上的跳线及跳线帽的关系。漏型逻辑指信号输入端子有电流流出时信号为ON的逻辑；源型逻辑指信号输入端子中有电流流入时信号为ON的逻辑。

● PU接口指变频器的通信接口。通过该接口及相应的连接电缆可实现变频器与操作面板、计算机等进行连接。变频器通过PU接口连接计算机时，用户可以通过客户端程序对变频器进行操作、监视或读写参数。

●电流/电压输入切换开关用于切换输入模拟信号的类型，所设定类型需要与输入模拟信号类型相符，否则可能损坏变频器。

3.变频器的电路结构

变频器的电路部分是由构成各种功能电路的电子、电力器件构成的。一般需要拆开变频器外壳才可看到其电路部分的具体构成，如图1-17所示。

图1-18所示为典型变频器的内部结构，可以看到其内部一般包含有两只高容量电容器、整流单元、挡板下的控制单元以及其他单元（通信电路板、接线端子排）等。

继续拆卸内部的散热片和挡板后可看到其内部具体的单元模块，如图1-19所示。可以看到变频器内部主要是由整流单元、控制单元（控制电路板）、（整流电路）、逆变单元（智能功率模块）、水泥电阻器、高容量电容器、电流互感器等部分构成的。

1.1.2变频器的分类

变频器种类很多，其分类方式也是多种多样，可根据需求，按其用途、变换方式、电源性质、变频控制等多种方式进行分类。

1. 按用途分类

变频器按用途可分为通用变频器和专用变频器两大类。

（1）通用变频器

通用变频器是指在很多方面具有很强通用性的变频器，该类变频器简化了一些系统功能，并以节能为主要目的，多为中小容量变频器，一般应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统调速性能要求不高的场合，图1-20所示为几种常见通用变频器的实物外形。

【要点说明】

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通用变频器的特点：

● 使用范围广，通用性强。

● 低频转矩输出180%，低频运行特性良好。

●输出频率最大600Hz，可控制高速电动机。

● 具有加速、减速、动转中失速防止等保护功能。

● 精确度偏低，使用对调速性能要求不高的各种场合。

● 体积小、价格低。

随着通用变频器的发展，目前市场上还出现了许多采用转矩矢量控制方式的高性能多功能变频器，其在软件和硬件方面的改进，除具有普通通用变频器的特点外，还具有较高的转矩控制性能，可使用于传动带、升降装置以及机床、电动车辆等对调速系统性能和功能要求较高的许多场合。

（2）专用变频器

专用变频器是指专门针对某一方面或某一领域而设计研发的变频器，该类变频器针对性较强，具有适用于其所针对领域独有的功能和优势，从而能够更好地发挥变频调速的作用。图1-21所示为几种常见专用变频器的实物外形。

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目前，较常见的专用变频器主要有风机类专用变频器、恒压供水（水泵）专用变频器、机床类专用变频器、重载专用变频器、注塑机专用变频器、纺织类专用变频器、电梯类专用变频器等，各种类型的专用变频器特点如下：

● 风机类专用变频器

风机类专用变频器是专门针对风机节能控制而设计的一类变频器，一般内置PID，可通过各种传感器轻松实现闭环控制，具有高效节能、简便管理、安全保护、延长风机设备寿命、保护电网稳定、故障率低等特点。

● 恒压供水专用变频器

变频恒压供水专用变频器是专门针对变频恒压供水系统设计的，具有恒压节能控制功能，内置PID和先进的节能软件，使用该类变频器设计变频恒压供水系统时，无需另配PLC或PID，大大降低了设计该类系统的难度。另外，将该类变频器用于恒压供水系统时，不仅可实现软启动、制动等基本功能，还具有高效节能（节电效果可达20%～60%）、可延长设备寿命、保护电网稳定、减少磨损、降低故障率等特点，使系统自动化控制特点突出，管理更加简便。

●电梯类专用变频器

电梯类专用变频器是一种根据电梯使用特点而设计的一类变频器，在普通变频器传统速度控制上，增加了灵活的S曲线设计，可有效防止电梯的启停冲击，增加电梯舒适感；另外该类变频器一般具有精确的距离控制模式，可有效实现直接停靠、高效、平稳、安全等特点。

除上述常见的几种专用变频器外，还有一些应用于特殊领域的专业变频器，如高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等，这些变频器都属于专业型变频器，针对性较强，有特殊要求的场所，可以实现较高的控制要求，但其价格较高。

● 高性能专用变频器

高性能专用变频器是一种采用矢量控制的变频器，其控制对象都是变频器厂家指定的专用电动机，可应用于对电动机的控制性能要求较高的系统，目前正在逐步替代直流伺服系统而。

● 高频变频器

高频变频器是指输出频率可达3kHz的高频率输出变频器，该类变频器一般采用PAM控制方式，适用于超精加工领域的高速电动机控制系统中，一般驱动两极交流异步电动机的最高速度可达18 000r/min。

● 单相变频器和三相变频器

单相变频器和三相变频器分别对应于单相电动机和三相电动机，两种变频器的电路结构不同，但工作原理基本相同。

2. 按照变换方式分类

变频器按照其工作时频率变换的方式主要分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。

（1）交-直-交变频器

交-直-交变频器又称间接式变频器，是指变频器工作时，首先将工频交流电通过整流单元转换成脉动的直流电，再经过中间电路中的电容器平滑滤波，为逆变电路供电；在控制系统的控制下，逆变电路再将直流电源转换成频率和电压可调的交流电，然后提供给负载（电动机）进行变速控制。

图1-22所示为交-直-交变频器结构。

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恒频恒压的交流电，即工频电源，是指工业上用的交流电源，单位为赫兹（Hz）。不同国家、地区的电力工业标准频率各不相同，中国电力工业的标准频率定为50Hz，有些国家或地区（如美国等）则定为60Hz。表1-1所列为亚洲、欧洲、美洲各地的工频。

（2）交-交变频器

交-交变频器又称直接式变频器，是指变频器工作时，将工频交流电直接转换成频率和电压可调的交流电，提供给负载（电动机）进行变速控制，图1-23所示为交-交变频器结构。

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采用交-交变换方式的变频器只能将输入的交流电频率调低输出，而工频交流电的频率本身就很低，因此交-交变频器的调速范围很窄，其应用也不广泛。

3. 按照电源性质分类

在上述交-直-交变频器中，根据其中间电路部分电源性质的不同，又可将变频器分为两大类：电压型变频器和电流型变频器。

（1）电压型变频器

电压型变频器的特点是中间电路采用电容器作为直流储能元件，缓冲负载的无功功率。直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故电压型变频器常选用于负载电压变化较大的场合，图1-24所示为电压型变频器结构。

（2）电流型变频器

电流型变频器的特点是中间电路采用电感器作为直流储能元件，用以缓冲负载的无功功率，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，可扼制负载电流频繁而急剧的变化，故电流型变频器常选用于负载电流变化较大的场合，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械，图1-25所示为电流型变频器结构。

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电压型变频器与电流型变频器不仅在电路结构上有所不同，其性能及使用范围也有所差别，表1-2所列为两种类型变频器的比较。

4. 按照变频控制方式分类

由于电动机的运行特性，使其对交流电源的电压和频率有一定的要求，变频器作为控制电源，需满足对电动机特性的最优控制，从应用目的不同出发，采用多种变频控制方式，如：压/频（U/f）控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器、直接转矩控制变频器等。

（1）压/频（U/f）控制方式

压/频控制方式又称为U/f控制方式，即通过控制逆变电路输出电源频率变化的同时也调节输出电压的大小（即U增大则f增大，U减小则f减小），从而调节电动机的转速，图1-26所示为典型压/频控制电路方框图。

【要点说明】

（2）转差频率控制方式

转差频率控制方式又称为SF控制方式，该方式采用测速装置来检测电动机的旋转速度，然后与设定转速频率进行比较，根据转差频率去控制逆变电路，图1-27所示为转差频率控制方式工作原理示意图。

【要点说明】

（3）矢量控制方式

矢量控制方式是一种仿照直流电动机的控制特点，将异步电动机的定子电流在理论上分成两部分：产生磁场的电流分量（磁场电流）和与磁场相垂直，产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。

该类方式的变频器具有低频转矩大、响应快、机械特性好、控制精度高等特点。

（4）直接转矩控制方式

直接转矩控制方式又称为DTC控制，是目前最先进的交流异步电动机控制方式，该方式不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来进行变频控制。

目前，该类方式多用于一些大型的变频器设备中，如重载、起重、电力牵引、惯性较大的驱动系统以及电梯等设备中。

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除上述分类方式外，还可按调压方法不同分为PAM变频器和PWM变频器。

PAM是Pulse Amplitude Modulation（脉冲幅度调制）的缩写。PAM变频器是按照一定规律对脉冲列的脉冲幅度进行调制，控制其输出的量值和波形。实际上就是能量的大小用脉冲的幅度来表示，整流输出电路中增加开关管（门控管IGBT），通过对该IGBT的控制改变整流电路输出的直流电压幅度（140V～390V），这样变频电路输出的脉冲电压不但宽度可变，而且幅度也可变。

PWM是英文Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）缩写。PWM变频器同样是按照一定规律对脉冲列的脉冲宽度进行调制，控制其输出量和波形的。实际上就是能量的大小用脉冲的宽度来表示，整流电路输出的直流供电电压基本不变，变频器功率模块的输出电压幅度恒定，控制脉冲的宽度受微处理器控制。

另外，常用变频器按输入电流的相数还可分为：三进三出变频器和单进三出变频器。

其中，三进三出是指变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电，大多数变频器属于该类。单进三出是指变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，一般家用电器设备中的变频器为该类方式。