通用变频器原理
什么是变频器？
简单的说，变频器就是利用电力半导体的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频调速也就是通过改变电动机的供电频率来进行调速的一种方式。 一、概述
经过30年的发展，目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。在电气调速传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到猛烈的冲击。可以相信，在不久的将来交流调速电气传动将完全取代直流调速电气传动。
传动已经从最初的只能用于风机、泵类的调速过度针对高精度、快响应的高性能指标的调速控制。从性能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置。
目前人们所说的交流调速传动，只要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。 二、变频调速概况
众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机器式换向带来的弊端。其缺点是：①维修工作量大，事故率高；②容量、电压、电流和转速的上限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；③使用环境受限，特别是在易燃易爆场合难于应用。而交流电动机有一些固有的优点：①容量、电压、电流合转速的上限，不像直流电动机那样受限制；②结构简单、造价低；③坚固耐用，事故率低，容易维护。他的最大缺点是调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速响应差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系
统相匹敌，甚至可以超过直流系统。
早期的变频调速系统，基本上式采用U/F控制方式，无法得到快速转矩响应，低速特性也不好。1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。改掉过去传统方式中仅对交流电量的量值（电压、电流、频率的量值）进行控制的方法，实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标变换的办法，实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制，可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。其性能指标已经完全可以做到与直流调速系统一样，甚至有所超过，完全可以取代直流调速系统。
90年代初采用了交---交变频矢量控制系统，到目前开始采用交---直---交电压型变频器的矢量控制系统。实践证明，它完全可以满足生产工艺的要求，达到了已往直流调速系统的性能指标。 三、全数字控制技术的应用
各类电气传动装置的控制器由模拟控制转向全数字控制，已经成为事实。交流调速传动也不例外，采用全数字控制方式的各类交流调速传动控制系统不断涌现，其性能也得到了很大的改善。
由变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时要求的采样频率较高，通常高于1KHz，常需要完成复杂的操作控制、数字运算和逻辑判断，所以要求单片机具有较大的存储容量和较强的实时处理能力。前段时间内，较为流行的方案是采用数片单片机来构成一个功能较强的全数字控制器。实用中单片机的数量根据具体任务适当选配。
全数字控制方式，使信息处理能力大幅度地增强。采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已成为现实，使可靠性、可操作性、可维修性的功能得以充实。微处理机和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起到了决定性的作用。
全数字控制具有如下特点：
1. 精度高 数字计算机的精度与字长有关，变频器中使用16位乃至32位微型机作为控制机，精度在不断提高。
2. 稳定性好 由于控制信息为数字量，不会随时间发生漂移。与模拟控制不同，它一般不会随温度和环境条件发生变化。
3. 可靠性高 微型计算机采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数
量大为减少，相应的故障率大大降低。
4. 灵活性好 系统中硬件向标准化、集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当地修改软件，就可以改变系统的功能或提高其性能。
5. 存储能力强 存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的。利用这一特点可在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度。
6. 逻辑运算能力强 容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可使用性、可维修性大大提高。 四、变频器基本构成：
变频器的基本构成：由主电路（整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，分述如下：
1、
整流器 电网侧的变流器I是整流器，它的作用是把三相交流电整
流成直流电。
2、
逆变器 负载侧的变流器II为逆变器。它主要是控制主开关器件的
通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。
3、 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。
4、 控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法采用模拟控制和数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能感简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。 五、变频器的分类
1、按直流电源的性质分类： 1）电流型变频器
中间直流环节的储能元件采用大电感来缓冲，由于电感的作用，直流电流趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯波。直流电源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或电流型变频器。这种电流型变频器，其逆变器中晶闸管。每周期内工作120 ，属于120导电型。
2）电压型变频器
中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲。主电路直流电压ED比较平稳，电动机端的电压为方波或阶梯波。直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压源变频器或电压型变频器。
2、按输出电压调节方式分类 1）
PAM 脉冲幅值调节方式，
是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。 2）
PWM方式
脉冲宽度调制方式变频器中的整流器采用不可控的二极管整流电路。变频器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式来完成。
3）
高载波频率的PWM方式
这种方式与上面2条所描述PWM方式的区别仅在于调制频率有很大的提高。主开关的工作频率较高，普通的功率晶体管已经不能适应，常采用开关频率较高的IGBT。因为开关频率达到10-20KHZ，可以使电动机的噪声大幅度降低（达到了人耳难以感知的频段）。
3、按控制方式分类 1） U/f控制
按照频率、电压的关系对变频器的频率、电压进行控制。
2）
转差频率控制
在没有任何措施的情况下，U/f控制方式下年，如果负载发生变化，转速也会随之变化，转速的变化量与转差率成正比。
3）
矢量控制
根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定
子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制。采用矢量控制的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。
4、按主开关器件分类 IGBT、GTO、BJT IGBT变频器的特点： 1）
可以制成所谓静音式变频器，使负载电动机的噪声降到工频电网供
电时的水平。
2）
电流波形更加正弦化，有利于减轻电动机转矩的脉动，并增加低速
时的转矩。
3） 4）
用于矢量控制时，动态响应特性更快。
与BJT变频器相比较，更容易制成上限频率较高的变频器。PWM控制
方式更简单，可以省去“分段同步调制”的麻烦。
5）
与BJT变频器相比较，驱动电路简单，整机体积小，重量轻。
六、变频器传动中的制动状态 1、动力制动
利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动。
2、回馈制动
将电动机再生制动时回馈到直流侧的有功能量回馈到交流电网。 3、直流制动
通用变频器向电动机的定子通直流电，异步电动机便处于能耗制动状态。 七、高性能通用变频器显著特点
1、宽的调速范围：1：100以上 2、良好的低频启动特性。
3、额定电压下的全范围恒转矩输出。
4、变频器系统具有良好的静态特性和动态特性。 5、完整和快速的故障诊断、保护和报警功能。 6、具有网络通讯功能。
7、变频器和其驱动的电动机噪声低。