变频器是交流电气传动系统的一种装置，是将恒压恒频（constant voltage constant frequency，CVCF）的交流工频电源转换成变压变频（variable voltage variable frequency，VVVF），即电压、频率都连续可调的适合交流电动机调速的三相交流电源的电力电子变换装置。

随着交流电动机控制理论、电力电子技术、大规模集成电路和微型计算机技术的迅速发展，交流电动机变频调速技术已日趋完善。

变频器可以作为自动控制系统中的执行单元，也可以作为控制单元（自身带有PID控制器等），作为执行单元时，变频器接收来自控制器的控制信号，根据控制信号改变输出电源的频率；作为控制单元时，变频器本身兼有控制器的功能，可单独完成控制调节作用，即通过改变电动机电源的频率来调整电动机转速，进而达到改变能量或流量的目的。

1.变频器的基本工作原理

以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统称为交流（直流）电气传动系统，其典型构成如图3-14所示。直流电气传动系统的特点是：系统内的控制对象为直流电动机，控制原理简单，调速方式单一；性能优良，对硬件要求不高；电动机有换向电刷（换向火花）；电动机功率设计受限；电动机易损坏，不适应恶劣现场；需定期维护。交流电气传动系统特点是：控制对象为交流电动机，控制原理复杂，有多种调速方式；电动机无电刷，无换向火花问题；电动机功率设计不受限；电动机不易损坏，适应恶劣现场；基本免维护。

图3-14　交流（直流）电气传动系统构成

近年来，随着新型电力电子器件、高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，电气传动系统朝着驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化的方向发展。目前，普遍采用变频器作为交流调速装置，其控制对象为三相交流异步电动机和三相交流同步电动机。

变频调速与其他交流电动机调速方式相比，其优势主要体现在：（1）可平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电动机安全；（2）在机械允许的情况下，可通过提高变频器的输出频率提高工作速度；（3）无级调速，调速精度大大提高；（4）电动机正反向无须通过接触器切换；（5）方便接入通信网络，实现生产过程的网络化控制。

变频器作为系统的重要功率变换部件，因可提供可控的高性能变压变频的交流电源/稳压器而得到迅猛发展。变频器的性能价格比也越来越高，体积越来越小，并进一步朝着小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化的方向发展。

典型的交-直-交通用变频器的原理如图3-15所示。图中，整流部分是将交流电变换成直流电的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流为非正弦波，带有丰富的谐波。储能环节可采用电解电容（电压型）或电抗器（电流型）。逆变部分是根据控制单元发来的指令将直流电调制成某种频率的交流电输出给电动机的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦。逆变回路的输出频率一般可在0～50 Hz之间连续变化，输出电源频率越低，电源电压也越低，使得电动机的瞬时功率下降，以保证磁通不变。控制单元以CPU为核心，对有关运行数据进行检测与比较，完成控制运算（V/F控制加转矩提升），并发出具体指令，控制电源输出回路，调整电源输出频率。

图3-15　交-直-交通用变频器的原理

交流调速的控制核心是，只有保持电动机磁通恒定才能保证电动机出力，才能获得理想的调速效果，目前变频控制方法主要有：基本V/F控制、矢量控制和直接转矩控制。

1）基本V/F控制

基本V/F控制但性能一般，简单实用，且使用最为广泛（通用型变频器普遍采用），支持同时驱动不同类型、不同功率的电动机。其控制算法的基本思想是，只要保证输出电压与输出频率之比V/F恒定，就能近似保持磁通恒定。例如，对于380 V/50 Hz电机，当运行频率为40 Hz时，电动机的供电电压为380×（40/50）＝304 V。低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高。

2）矢量控制

矢量控制性能优良，可以与直流调速媲美，但技术成熟较晚，考虑到电动机参数对控制性能的影响较大，一般只能驱动1台电动机。矢量控制的基本原理是模仿直流电动机的控制方法，通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，并根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制（即实现解耦），并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。矢量控制算法性能优良，控制相对复杂，直到20世纪90年代计算机技术迅速发展才真正大范围使用。

3）直接转矩控制(www.daowen.com)

直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速技术，具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。其算法的基本思想是，把电动机和逆变器看成一整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无须对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。直接转矩控制的主要缺点是在低速时转矩脉动较大。

一般来说，矢量、直接转矩控制方式主要用在高动态、高精度响应方面，如卷曲、张力、同步、定位等。

变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电动机的影响，二要看对电网的谐波污染和输入功率因数，三要看本身的能量损耗（即效率）如何。

变频器的选择，必须要把握以下几个原则。

（1）充分了解控制对象性能要求。一般来讲，对于启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合，需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可。

（2）了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是C型（通用型）还是P型（风机、水泵专用型）。

（3）了解所用电动机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。

（4）确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。

（5）以下情况要考虑容量放大一档，如长期高温大负荷，异常或故障停机会出现灾难性后果，目标负载波动大、现场电网长期偏低而负载接近额定，绕线电动机、同步电动机或多极电动机（6极以上）等。

现在很多变频器设有总线接口，如Profibus、CAN总线等，自身作为网络的一节点，与其他设备通信联网，可能使系统总体费用更经济，控制精度更高，更智能化。这是因为现场总线技术是集计算机控制技术、通信技术、自动控制技术于一体的新技术，采用数字信号替代模拟信号，采用串行通信，可实现一对电线上传输多个信号参量（包括多个运行参数值、多个设备状态故障信息等），同时又可为多个设备提供电源，为简化系统结构，节约硬件设备、连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。

2.变频器在过程控制中的应用

随着微电子技术和电力电子技术的飞速发展，变频器的可靠性不断提高，价格又趋于低廉，许多泵类负载越来越多地由传统的固定转速拖动改为变频调速拖动。变频器能根据负载的变化使电动机实现自动、平滑地增速或减速，且效率高、调速范围宽、精度也高，是异步电动机最理想的调速方法，尤其适用于水泵和风机。与传统的阀门、挡板调节相比，采用变频器的节电效率高达40%以上，并且这些领域对变频器的性能要求不高。

在工业生产的液体流量控制系统中，传统的水泵流量都是靠安装在泵出口管路上的阀门开度大小来调节的。以图3-16所示的一套液位控制系统为例，要保持受控水槽的液位恒定，就得靠阀门的开度来调节水泵送出的流量。具体控制过程是：液位变送器把检测到的液位信号变换成为标准的4～20 mA信号，送给控制器；控制器根据给定液位与实际液位信号进行比较完成控制运算，并控制调节阀的开度，使液位始终保持在给定的液位高度。这种控制方式能量损失比较大。现改为由变频器调节电动机转速来控制泵的流量，以实现液位的自动控制，如图3-17所示。调节器输出的4～20 mA信号作为变频器的频率给定，通过变频器对电动机实现无级调速，由泵的转速变化来实现流量控制，从而达到液位的控制要求。对比两种控制方式可以看出，当稳态条件下进水流量比较低时，采用变频控制降低转速运行比阀门控制具有明显的节能效果。

图3-16　由阀门开度调节流量

图3-17　由变频器调节流量

与传统的使用调节阀的控制系统相比，变频器控制系统使用变频器取代了控制执行单元，其在自动化领域的应用前景十分广阔。可以说，在泵类及风机负载中，变频控制取代阀门控制已成为必然，因为变转矩负荷风机、泵类节能效果普遍来说要比恒定转矩负载明显。

需要注意的是，在使用变频器时，应注意变频器产生的高次谐波和噪声，必要时应采用屏蔽、接地和滤波等措施来抑制噪声。不过，一般变频器都通过合理的软硬件设计，有效地防止和滤去了绝大部分高次谐波，符合电磁兼容性。