变频器的基本结构与选择

变频器的分类 通用变频器按其主电路结构形式可分为交-交变 频器和交-直-交变频器，如果主电路中没有直流中 间环节的称为交-交变频器，有直流中间环节的称 为交-直-交变频器。按其工作方式有电压型变频器 和电流型变频器；按其逆变器开关方式有PAM （Pulse Amplitude Modulation，脉冲振幅调制） 控制方式、PWM（Pulse Width Modulation，脉宽 调制）控制方式和高频载波SPWM（Sinusoidal PWM，正弦脉宽调制）控制方式三种；按其逆变 器控制方式有U/f控制方式、转差频率控制方式、 矢量控制方式、矢量转矩控制方式和直接转矩控制 等。
图（a）所示是两点安装型，预拧紧顺序为①→②， 最终拧紧顺序为②→①；图（b）所示是四点安装型， 预拧紧顺序为①→②→③→④，最终拧紧顺序为④ →③→②→①。
2）逆变器。负载侧的变流器为逆变器。与 整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变
换为所需求频率的交流功率。逆变器最常见
的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成
7.5
11，15
15
25
110，132
160
200
230
18.5
35
• 2．输入、输出参数
• 额定输入参数包括电源输入相数、电压、频率、允许电压 频率波动范围、瞬时低电压允许值（相当于标准适配电动机 85%负载下的试验值）、额定输入电流和需要的电源容量。 • 额定输出参数包括通用变频器的额定输出电压（不能输出
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，驱动电路和制动电路 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。 通用变频器中的制动电路是为了满足异步 电动机制动的需要而设置的 ，对于大、中容 量的通用变频器来说，为了节约能源，一般采 用电源再生单元将上述能量回馈给供电电源。 而对于小容量通用变频器来说，则通常采用制 动电路，将异步电动机反馈回来的能量在制动 电路上消耗掉。
• 1）它是根据下式估算的结果
PN＝S NM cos M
• 2）说明书中的配用电动机容量仅对长期连续负载才 是适合的，对于各种变动负载则不适用。 • （5）过载能力。变频器的过载能力是指允许其输出 电流超过额定电流的能力，大多数变频器都规定为
150% IN、1min。
变频器的性能指标
变频器的性能就是通常所说的功能，这类指 标是可以通过各种测量仪器工具在较短时间 内测量出来的，这类指标是IEC标准和国标所 规定的出厂所需检验的质量指标。用户选择 几项关键指标就可知道变频器的质量高低， 而不是单纯看是进口还是国产，是昂贵还是 便宜。以下是变频器的几项关键性能指标。
• 频率范围以变频器输出的最高频率fmax和最低频率fmin 标示，各种变频器的频率范围不尽相同。通常，最低工 作频率约为0.1～1Hz，最高工作频率约为200～500Hz。
• 频率稳定精度也称频率精度，是指在频率给定值不变 的情况下，当温度、负载变化，电压波动或长时间工作 后，变频器的实际输出频率与给定频率之间的最大误差 与最高工作频率之比（用百分数表示）。
• 例如，用户给定的最高工作频率fmax＝120Hz， 频率精度为0.01%，则最大误差为：
• Δfmax＝0.0001×120Hz＝0.012Hz
• 通常，由数字量给定时的频率精度约比模拟量给 定时的频率精度高一个数量级，前者通常能达到 ±0.01%（-10～＋50℃），后者通常能达到 ±0.5%［（25±10）℃］。
380V、160W以下单台电动机与变频器间容量的 匹配关系参考表 变频器输出容 变频器输出容 被控交流电动 被控交流电动 量 量 机容量（kW 机容量（kW） （kVA） （kVA） ） 0.4，0.75 1.5，2.2 3.7 5.5 2 4 6 10 22，30 37 45，55 75，90 50 60 100 150
日本的各变频器生产厂家在1993年达成了一 个行业协议：变频器的型号规格中均标以所适 用的电动机最大功率数（kW）。例如，富士公 司的FRN30G11S-4表示产品型号为 FRENIC5000，标准适配电动机容量为30kW， 系列名称为G11S，电源电压为400V。
变频器所适用的电机功率（kW）是以标准 的2或4极电机为对象，在变频器的输出额定电 流以内可以传动的电机功率。
（1）在0.5Hz时能输出多大的起动转矩
• 比较优良的变频器在0.5Hz时能输出200%
高起动转矩（在22kW以下30kW以上，能
输出180%的起动转矩）。具有这一性能的
变频器，可根据负载要求实现短时间平稳 加减速，快速响应急变负载，及时检测出 再生功率。
• （2）频率指标。
• 变频器的频率指标包括频率范围、频率稳定精度和频 率分辨率。
变频器的额定值和技术指标
1．输入侧的额定值
中、小容量通用变频器输入侧的额定值主要指
电压和相数。在我国，输入电压的额定值（指
线电压）有3相380V、3相220V（主要是进口
变频器）和单相220V（主要用于家用电容小
容量变频器）三种。此外，输入侧电源电压的
频率一般规定为工频50Hz或60Hz。
•2．输出侧的额定值
通信接口链接设定（如最高频率的1/20000，小于
60Hz时为0.003Hz，120Hz时为0.006Hz等）。
• 1．容量 • 通用变频器的容量用所适用的电动机功率 （kW）、输出容量（kVA）、额定输出电流（A） 表示。其中最重要的是额定电流，它是指变频器 连续运行时输出的最大交流电流的有效值。输出 容量决定于额定输出电流与额定输出电压下的三 相视在输出功率。日本产的通用变频器的额定输 入电压往往是200V与220V、400V与440V共用不 细分，变频器的输入电源电压常允许在一定范围 内波动，因此，输出容量一般用作衡量变频器容 量的一种辅助手段。但德国西门子公司的变频器 对电源电压则规定得很严格。
比电源电压高的电压）、额定输出电流（在驱动阻抗的高频
电动机等场合，允许输出电流可能比额定值小）、额定过载电 流倍数、额定输出频率等。变频器的最高输出频率因型号的不
同而差别很大，通常有50Hz/60Hz、120Hz、240Hz、400Hz
或更高，通用变频器中大容量的大都属于50/60Hz这一类，而 最高输出频率超过工频的变频器多为小容量。
变频器外观结构图
ABB公司ACS600变频器结构图
通用变频器由主电路和控制电路组成，
其基本构成如下图所示。其中，给异步电
动机提供调压调频电源的电力变换部分称
为主电路，主电路包括整流器、中间直流 环节（又称平波回路）和逆变器等。
通用变频器的基本构成
1）整流器。电网侧的变流器为整流器，它的作用 是把工频电源变换成直流电源。三相交流电源一般 需经过压敏电阻网络引入到整流桥的输入端。压敏 电阻网络的作用是吸收交流电网浪涌过电压，从而 避免浪涌侵入，导致过电压而损坏变频器。整流电 路按其控制方式可以是直流电压源，也可以是直流 电流源。电压型变频器的整流电路属于不可控整流 桥直流电压源，当电源线电压为380V时，整流器件 的最大反向电压一般为1000V，最大整流电流为通 用变频器额定电流的2倍。
• 4．速度调节范围控制精度和转矩控制精度 • 现有变频器速度控制精度能达到±0.005%，转矩控制精度能达 ±3%。 • 5．低转速时的脉动情况 • 低转速时的脉动情况是检验变频器好坏的一个重要标准。有的 高质量变频器在1Hz时转速脉动只有1.5r/min。下图给出了在1Hz 时几种转速脉冲情况的波形（最上面两种为3.7kW时的特性）。 • 此外，变频器的噪声及谐波干扰、发热量等都是重要的性能指 标，这些指标与变频器所选用的开关器件及调制频率和控制方式 有关。用IGBT和IPM制成的变频器，由于调制频率高，其噪声很 小，一般情况下连人的耳朵都听不见，但其高次谐波始终存在。 如果采用的控制方式较好，也可减少一些谐波量。
关于输出频率的调节范围同样因通用变频器型号 的不同而不同，较常见的有0.5～400Hz。400Hz以 上属中频。 输出频率的精度通常给出两种指标：模拟设定
（如最高频率的＋0.2%）和数字设定（如最高频
率的＋0.01%）。输出频率的设定分辨率通常给出 三种指标：模拟设定（如最高频率的1/3000，例如 60Hz时为0.02Hz等）、数字设定（如小于99.99Hz 时为0.01Hz，大于100.0Hz时为0.1Hz等）和串行
•（1）输出电压UN。由于变频器在变频 的同时也要变压，所以输出电压的额定 值是指输出电压中的最大值。
•（2）输出电流IN。指允许长时间输出的 最大电流，是用户在选择变频器时的主 要依据。 （3）输出容量
SN＝ 3U N I N
• （4）配用电动机容量PN。对于变频器说明书 中规定的配用电动机，其容量说明如下：
智能功率模块的安装与应用
• 当将IPM模块安装到散热器上时，操作时应避免安装受 力不均匀。推荐使用平面度在150m或更小的散热器，并 避免单边应力过紧，要严格遵照如图2-62所示的推荐的螺 钉安装拧转顺序操作，如果模块受力不均，会导致模块陶 瓷绝缘破裂，致使模块损坏或留下潜在的故障隐患。不要 将端子和螺钉拧得过紧，在模块产品数据手册中一般会提 供最大转矩值，在安装过程中为了符合指定力矩值，必须 使用力矩扳手。力最大限度地使基板与散热器接触以利于 传热，散热器表面必须具有句皿或更小的表面光洁度，并 应在传热界面使用导热硅胶。选择使用的硅胶应能在工作 温度内性能稳定，并且保证在装置寿命期内性能不发生变 化。
变频器的技术规范
在选用变频器时，用户通常都要查看该型号变 频器的产品资料，每一个品牌的变频器都有多种 规格型号供选择，一般通用变频器的技术数据分 为型号及定货号、额定输入/输出参数、控制方式 等，其中包括一些控制精度、控制参数、显示模 式参数、保护特性参数及环境参数等五大类。这 里介绍一下在实际工程应用中会涉及到的有关参 数的一些知识，供选型时参考。