高效的交-直-交变频器使用技巧

交-直-交变频器（Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF 电源）是由AC/DC、DC/AC两类基本的变流电路组合形成，又称为间接交流-交流电路，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。

（1）电压型交-直-交变频器

根据应用场合及负载的要求，变频器有时需要具有处理再生反馈电力的能力。当负载电动机需要频繁、快速制动时，通常要求具有再生反馈电能的能力。图6.10 所示的电压型交直交变频电路不能再生反馈电能。其整流部分采用的是不可控整流，它和电容器之间的直流电压和直流电流极性不变，只能由电源向直流电路输送功率，而不能由直流电路向电源反馈电能。图中电路的能量是可以双向流动的，若负载能量反馈到中间直流电路，而又不能反馈回交流电源，这将导致电容电压升高，称为泵升电压。泵升电压过高会危及整个电路的安全。

为使上述电路具备再生反馈电能的能力，可采用下列几种方法：

①图6.11 电路是在图6.10 电路的基础上，在中间直流电容两端并联一个由电力晶体管V0 和能耗电阻R0 组成的泵升电压限制电路。当泵升电压超过一定数值时，使V0 导通，把从负载反馈的能量消耗在R0 上。这种电路可应用于对电动机制动时间有一定要求的调速系统中。

图6.10　不能再生反馈的电压型间接交流变流电路

图6.11　带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路

②当交流电动机负载频繁快速加减速时，上述泵升电压抑制电路中消耗能量较多。这种情况下，希望在制动时把电动机的动能反馈回电网，而不是消耗在电阻上，故需要增加一套变流电路，使其工作于有源逆变状态，实现电动机的再生制动，如图6.12 所示的电路。当负载回馈能量时，中间直流电压上升，使不可控整流电路停止工作，中间直流电压极性不变而电流反向，通过控制有源逆变器将电能反馈回电网。

图6.12　利用可控变流器实现再生　反馈的电压型间接交流变流电路

图6.13　整流和逆变均为PWM 控制的电压型间接交流变流电路

③图6.13 是整流电路和逆变电路都采用PWM 控制的间接交流变流电路，可简称双PWM 电路。整流电路和逆变电路的构成完全相同，交流电源通过交流电抗器和整流电路联接。通过对整流电路进行PWM 控制，该电路输入输出电流均为正弦波且与电源电压同相位，输入功率因数为1，并且中间直流电路的电压可以调节。电动机可实现四象限运行，是一种较理想的变频电路。但由于整流、逆变部分均为PWM 控制且需要采用全控型器件，控制较复杂，成本也较高。

（2）电流型交-直-交变频器

①图6.14 给出了可以再生反馈电能的电流型间接交流变流电路，图中实线表示的是电源向负载输送功率时中间直流电压极性、电流方向、负载电压极性及功率流向等。当电动机制动时，中间直流电路的电流极性不能改变。要实现再生制动，只需调节可控整流电路的触发角，使中间直流电压反极性即可，如图6.14 中虚线所示。与电压型相比，整流部分只用一套可控变流电路，系统的整体结构相对简单。

图6.14　采用可控整流的电流型间接交流变流电路

②图6.15 给出了实现基于上述原理的电路图。为适用于较大容量的场合，将主电路中的器件换为GTO。逆变电路输出端的电容C 是为吸收GTO 关断时产生的过电压而设置的，它也可以对输出的PWM 电流波形起滤波作用。

图6.15　电流型交-直-交PWM 变频电路

③电流型间接交流-交流电路也可采用双PWM 电路，如图6.16 所示。为了吸收换流时的过电压，在交流电源侧和交流负载侧都设置了电容器。电动机既可工作在电动状态，又可工作在再生制动状态，且可正反转，即可四象限运行，同时通过对整流电路的PWM 控制可使输入电流为正弦波，并使输入功率因数为1。

图6.16　整流和逆变均为PWM 控制的电流型间接交流-交流电路

（3）通用变频器

随着微机技术、电力电子技术和调速控制理论的不断发展，变频器作为一种智能调速“电源”也在不断地更新。从变频器问世以来，通用变频器主要经历以下几个发展阶段：20 世纪80 年代初期的模拟式、80 年代中期的数字式、90 年代初期的智能式、90 年代中期的多功能型及现在的集中型通用变频器。通用变频器发展主要有以下特点：

1）功率器件不断更新换代

从半控型器件逐渐发展为全控型器件，如双极晶体管BJT、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、大型晶体管GTO 等。

2）应用范围不断扩大

在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造纸、食品、装卸搬运等行业都有着广泛应用。

3）控制理论不断成熟

新型通用变频器的发展趋势有：

①低电磁噪音、静音化。新型通用变频器采用高频载波方式的正弦波SPWM 调制实现静音化。

②专用化。新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型，如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。

③系统化。通用变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。

④网络化。新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485 接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP、Interbus-S 、Device Net 、Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK 等通信。

⑤操作傻瓜化。新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导用户一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。

⑥内置式应用软件。新型通用变频器可以内置多种应用软件，有的品牌可提供多达130余种的应用软件，以满足现场过程控制的需要，如PID 控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通信软件等。

⑦参数自调整。用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置。通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态（矢量型变频器可对电机参数进行自整定）。

⑧容量不断扩大。20 世纪80 年代初采用GTR 的PWM 变频器实现了通用化。到了90年代初，GTR 通用变频器的容量达到600 kV·A，400 kV·A 以下的已经系列化。90 年代末，主开关器件开始采用IGBT，仅四五年的时间，IGBT 变频器的单机容量已达1 800 kV·A（适配1 500 kW电动机）。随着IGBT 容量的扩大，通用变频器的容量将随之进一步扩大。

⑨结构小型化。变频器中的功率电路模块化、控制电路集成化和数字化、结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频装置的小型化。另外，最新开发的一种混合式功率集成器件，把整流桥、逆变桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能功率模块”（Intelligent Power Module，IPM），目前主要用在几千瓦以下的小功率范围。由于它潜在的优点，这种器件很可能进入中功率以下的变频装置，并将进一步使变频器小型化和智能化。

现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT 或功率模块IPM组成的PWM 逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5～500 kV·A中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。

所谓“通用”，包含着两方面的含义：

①可以和通用的笼型异步电机配套使用，而不一定使用专门的变频电机；

②具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。

图6.17 给出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件结构原理图。它包括主电路、微机数字控制电路和控制软件。

图6.17　异步电动机变频调速系统硬件结构原理图

1）主电路

主电路采用大电容滤波。滤波电容除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用，消除干扰，给电机感性负载提供必要的无功功率。由于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。

为了避免大电容在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻R0（或电抗），通上电源时，由R0 限制充电电流，再用延时开关K2 将R0 短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。

VTb 和Rb 是泵升电压限制电路。电机处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压不断上升（即泵升电压），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经Rb 的放电电流。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。

2）微机数字控制电路

现代PWM 变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接收各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM 信号。微机芯片主要采用8 位或16 位的单片机，或用32 位的DSP，现在已有应用RISC 的产品出现。

①微处理器监控部分：设定、实现与控制规律运算部分。设定U/f 曲线，选定控制规律，设定运转频率、最低输出频率、转速上升时间以及转速下降时间等。现代通用变频器一般都是用轻触数字面板来设定各种功能和参数。

②PWM 信号生成部分：主要由专用大规模集成电路ASIC 完成。ASIC 根据微处理器的指令值和一些必要的信号实时输出按一定规律变化的PWM 信号。

③信号处理与故障保护：对整个变频器系统的输入电压、输入电流，中间直流电压、直流电流，逆变器输出电压、输出电流，温升以及电动机转速等进行信号采集。经采样电路取得的电压、电流、温度、转速等信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等适当处理进入A/D 转换器，作为反馈信号输入CPU 作为控制算法的依据和供显示，或者作为一个开关量或电平信号输入值故障保护电路。故障保护有：欠压、缺相、过压、过流、过载、短路以及温度过高等保护。

3）控制软件

控制软件是系统的核心，除了PWM 生成、给定积分和压频控制等主要功能软件外，还包括信号采集、故障综合及分析、键盘及给定电位器输入、显示和通信等辅助功能软件。

现代通用变频器功能强大，可设定或修改的参数达数百个，有多种压频比曲线可供选择。除了常用的带低频补偿的恒压频比控制外，还有带S 型或二次型曲线的，或具有多段加、减速功能，每段的上升或下降斜率均可分别设定，还具有频率跟踪及逻辑控制和PID 控制等功能，以满足用户的不同需求。

（4）交流电动机变频调速的控制方式

对于鼠笼型异步电动机的定子频率控制方式，有恒压频比控制、转差功率控制、矢量控制和直接转矩控制等。这些方式可以获得各具特长的控制性能。下面分别简要介绍这几种方式。

1）恒压频比控制

异步电动机的转速主要由电源频率和极对数决定，改变电源（定子）频率可对电动机进行调速，即使进行宽范围的调速运行，也能获得足够的转矩。同时为了不使电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比进行控制，使其保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。

恒压频比控制被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合，例如利用通用变频器对风机、泵类负载进行调速以达到节能的目的，近年来也被大量用于空调等家用电器产品。

图6.18 给出了使用PWM 控制交-直-交变频器恒压频比控制方式的原理图。转速给定既作为调节加减速度的频率f 指令值，同时经过适当分压，也被作为定子电压U1 的指令值，该f指令值和U1 指令值之比就决定了U/f 比值。由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比恒定。

图6.18　采用恒压频比控制的变频调速系统框图

为了防止电动机启动电流过大，在给定信号之后加给定积分器，可将阶跃给定信号转换为按设定斜率逐渐变化的斜坡信号ugt，从而使电动机的电压和转速都平缓地升高或降低。此外，为使电动机实现正反转，给定信号可正可负，但电动机的转向由变频器输出电压的相序决定，不需要由频率和电压给定信号反映极性，因此用绝对值变换器将ugt 变换为绝对值变换uabs。uabs经电压频率控制环节处理之后，得出电压及频率的指令信号，经PWM 生成环节形成控制逆变器的PWM 信号，再经驱动电路控制变频器中IGBT 的通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电动机的转速和转向。

2）转差频率控制

转差频率控制为转速闭环的控制方式，可提高调速系统的动态性能。

异步电机稳态模型可以证明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与转差角频率ωs 成正比。如果能保持稳态转子全磁通恒定，则转矩准确地与ωs 成正比。因此，控制ωs 就相当于控制转矩，采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率ω1=ωr+ωs，则ω1 随实际转速ωr 增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围和动态性能。

但是，这种方法是基于电机稳态模型的，仍然不能得到理想的动态性能。

3）矢量控制

异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态数学模型，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。

该方式需要实现转速和磁链的解耦，控制系统较为复杂。但与被认为是控制性能最好的直流电动机电枢电流控制方式相比，矢量控制方式的控制性能具有同等的水平。随着该方式的实用化，异步电动机变频调速系统的应用范围迅速扩大。

4）直接转矩控制

直接转矩控制方法同样是基于电机的动态模型，其控制闭环中的内环直接采用了转矩反馈，并采用砰-砰控制，可以得到转矩的快速动态响应，并且相对矢量控制要简单许多。