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变频器原理与应用 《变频器原理与应用（第3版）》 变频器原理与应用 第一章 变频器的认识 变频器的概念 变频器是将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的装置。 1.1 变频器概述 1.1.1 变频器的发展 1.电力电子器件是变频器发展的基础 变频器问世于20世纪80年代，初期的变频器主电路由晶闸管等分立电子元件组成，可靠性差、频率低，而且输出的电压和电流的波形是方波。随着GTR和GTO的出现并成为逆变器的功率器件时，脉宽调制（PWM）技术也进入到应用阶段，这时的逆变电路能够得到相当接近正弦波的输出电压和电流，同时8位微处理器成为变频器的控制核心，按压频比（V/f）控制原理实现异步电动机的变频调速，在工作性能上有了很大提高。近年来人们陆续研制出绝缘栅双极晶体管IGBT和集成门极换流晶闸管IGCT，以及性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断扩大和提高。 2 变频器的发展得益于计算机技术和自动控制理论的支持 计算机制造技术突飞猛进地发展，使变频器的中央处理单元从采用8位微处理器迅速升级为16位乃至32位微处理器，有的还使用了DSP系统，使变频器的功能从单一的变频调速发展为包含算术、逻辑运算及智能控制的综合功能。 自动控制理论的发展使变频器在改善压频比控制性能的同时，推出了能实现矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等多种模式。现代的变频器已经内置有参数辨识系统、PID调节器、PLC控制器和通讯单元等，根据需要可实现拖动不同负载、宽调速和伺服控制等多种应用。 3 市场需求是变频器发展的动力 变频器的问世为交流电机的调速提供了契机，不仅要取代结构复杂、价格昂贵的直流电机调速，而且能节省大量的能源。 据调查统计，全国各类电动机耗电量约占全国发电量的70%。其中80%为异步电动机，大多数电动机长时间处于轻载运行状态，特别是风机、泵类负载的电动机。若在此类负载上使用变频调速装置，将可节电30%左右。 目前，变频器作为商品在国内的销售额呈逐年增加趋势，销售前景十分看好，据有关资料报道，在过去几年内中国变频器市场保持着12%～15%的增长率，这一速度远远超过了近几年GDP的增长速度，变频器全面推广应用的时代已经不远了。 4 变频器的发展趋势 今天，电力电子的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）进入到高电压大容量化、高频化、组件模块化、微小型化、智能化和低成本化，多种适宜变频调速的新型电机正在开发研制之中 ，IT技术的迅猛发展，以及控制理论的不断创新，这些与变频器相关的技术将影响其发展的趋势。 变频器技术的发展趋势是朝着网络智能化 、专门化 、一体化 、操作简便、功能健全、安全可靠、环保低噪、低成本和小型化的方向发展。 1.1.2 变频器的分类 1 按变频的原理分类 （1）交-交变频器 交-交变频器只有一个变换环节，即把恒压恒频（CVCF）的交流电源转换为变压变频（VVVF）电源，称为直接变频器，或称为交-交变频器。 （2）交-直-交变频器 交-直-交变频器又称为间接变频器，它是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经逆变器将直流电变成频率和电压可调的交流电。图1-1所示为交-直-交变频器的原理框图。 图1-1 交-直-交变频器的原理框图 1） 交-直-交变频器根据直流环节的储能方式，又分为电压型和电流型两种，如图1-2所示。 a) 电压型变频器 b) 电流型变频器 图1-2 电压型和电流型变频器的主电路结构 2）根据调压方式的不同，交-直-交变频器又分为脉幅调制和脉宽调制两种。 ①脉幅调制（PAM） 改变电压源的电压或电流源的电流的幅值进行输出控制的方式。 图1-3 PAM方式调压 ②脉宽调制（PWM）变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。目前使用最多的是占空比按正弦规律变化的正弦波脉宽调制，即SPWM方式。 a) 调制原理 b) 输出电压波形 图1-4 用PWM方式调压输出的波形 2 按控制方式分类 （1）V/f控制变频器 （2）转差频率控制变频器 （3）矢量控制变频器 （4）直接转矩控制 3 按用途分类 1） 通用变频器 简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而简化了一些系统功能的通用变频器。它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统调速性能要求不高的