变频器的种类和应用

变频器（VFD或VVVF）是一种利用逆变电路将工频电源变为频率和电压可变的变频电源，进而对电动机进行调速的电气装置。

一、变频器的种类特点

    变频器的种类很多，分类方式多种多样，可根据需求按用途、变换方式、电源性质、调压方法、变频控制等多种方式分类。

1.按用途分类

    变频器按用途可分为通用变频器和专用变频器两大类，如图1所示。

             图1 变频器按用途分类

     通用变频器是在很多方面具有很强通用性的变频器。该类变频器简化了系统功能，主要以节能为主要目的，多为中小容量的变频器，一般应用在水泵、风扇、鼓风机等对系统调速性能要求不高的场合。

     专用变频器是专门针对某一方面或某一领域而设计研发的变频器，针对性较强，具有独有的功能和优势，能够更好地发挥变频调速作用，通用性较差。

    目前，较常见的专用变频器主要有风机类专用变频器、恒压供水（水泵）专用变频器、机床专用变频器、重载专用变频器、注塑机专用变频器、纺织专用变频器、电梯专用变频器等。

2.按变换方式分类

     变频器按变换方式主要分为交-直-交变频器和交-交变频器，如图2所示。

           图2 变频器按变换方式分类

3.根据电源性质分类

变频器按电源性质可分为电压型变频器和电流型变频器，如图3所示。

            图3 变频器按电源性质分类

    电压型变频器的特点是中间电路采用电容器作为储能元件缓冲负载的无功功率，直流电压比较平稳，常用于负载变化较大的场合。

    电流型变频器的特点是中间电路采用电感器作为储能元件缓冲负载的无功功率，即扼制电流的变化，常用于负载电流变化较大的场合，适用于需要回馈制动和经常正/反转的生产机械。

电压型变频器与电流型变频器不仅在电路结构上不同，性能及使用范围也有所差别。图4为两种类型变频器的比较。

    图4 电压型变频器与电流型变频器的比较

    除上述几种分类方式外，变频器按变频控制可分为压/频（U/f）控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器、直接转矩控制变频器等。

    变频器按调压方法可分为PAM变频器和PWM变频器。PAM（Pulse Amplitude Modulation，脉冲幅度调制）变频器可按照一定的规律对脉冲列的脉冲幅度进行调制。脉冲幅度受微处理器的控制。PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）变频器可按照一定的规律对脉冲列的脉冲宽度进行调制。脉冲宽度受微处理器的控制。

    变频器按输入电流的相数分为三进三出、单进三出变频器。三进三出变频器的输入侧和输出侧都由三相交流电供电。单进三出变频器的输入侧由单相交流电供电，输出侧由三相交流电供电。

二、变频器的功能应用

     图5为变频器的功能原理。由图可知，变频器可将频率恒定的交流电源转换为频率可变的交流电源，实现对电动机转速的控制。

              图5 变频器的功能原理

1.变频器的功能

     变频器是一种集启/停控制、变频调速、显示及按键设置功能、保护功能于一体的控制装置，主要用在需要调整转速的设备中。

（1）变频器具有启/停控制功能

    变频器接收到启动和停止指令后，可根据预先设定的启动和停止方式控制电动机的启动和停止，主要的控制功能包含软启动控制、加/减速控制、停机控制及制动控制等。

①变频器具有软启动功能，可实现被控制电动机的启动电流从零开始，最大值不超过额定电流的150%，减轻对电网的冲击和对供电容量的要求，如图6所示。

②在使用变频器控制电动机时，变频器输出的频率和电压可从低频低压加速至额定频率和额定电压，或从额定频率和额定电压减速至低频低压，如图7所示。

③变频器经常使用的制动方式有两种，即直流制动及外接制动电阻和制动单元，用来满足不同用户的需要。

a.直流制动。

变频器的直流制动是当电动机的工作频率下降到一定数值时，变频器向电动机的绕组送入直流电压，使电动机迅速停止转动。在直流制动中，用户需对变频器的直流制动电压、直流制动时间及直流制动起始频率等参数进行设置。

b.外接制动电阻和制动单元。

当变频器输出频率下降过快时，电动机将产生回馈制动电流，使直流电压上升，损坏变频器，此时在回馈电路中加入制动电阻和制动单元，可将回馈制动电流消耗掉，从而保护变频器并实现制动。

             图6 变频器的软启动功能

        图7 变频器的加/减速控制功能

（2）变频器具有调速控制功能

在变频器控制线路中，变频器可将工频电源通过一系列的转换变为频率可变的供电电压，对电动机进行调速。目前，变频器的调速控制主要有压/频（U/f）控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式，如图8所示。

            图8 变频器的调速控制功能

（3）变频器具有显示及按键设置功能

     用户可通过变频器前面板上的显示屏及操作按键设定各项参数，并通过显示屏观看设定值、运行状态等信息。

（4）变频器具有安全保护功能

    变频器内部设有保护电路，可实现对自身及电动机的各种异常保护功能，包括过载保护和防失速保护，如图9所示。

            图9 变频器的安全保护功能

     为了便于通信及人机交互，变频器上通常还设有不同的通信接口，可用来与PLC和远程操作盘、通信模块、计算机等进行通信。

变频器作为一种新型的电动机控制装置，除上述功能特点外，还具有运转精度高、功率因数可控等特点。

2.变频器的应用

    变频器是一种依托变频技术而开发的新型智能型驱动和控制装置，广泛应用在各种领域，简单来说，只要使用交流电动机，就要应用变频器。

   图10 变频器在提高产品质量或生产效率方面的应用

         图11 变频器在节能方面的应用

     图12 变频器在民用改善环境中的应用