變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源換成另一頻率電源的電能控制裝置。通俗的說，他是一種能改變施加于交流電動機的電源頻率值和電壓值的調速裝置。

　　變頻器是現代最先進的一種異步電動機調速裝置，能實現軟起動、軟停車、無極調速以及特殊要求的增、減速特性等，具有顯著的節電效果。它具有過載、過壓、欠壓、短路、接地等保護功能，具有各種預警、預報信息和狀態信息及診斷功能，便于調試和監控，可用于恒轉矩、平方轉矩和恒力功率等各種負載。

　　變頻器的基本組成圖解

　　變頻器由電力電子半導體器件（如整流模塊、絕緣柵雙極晶體管IGBT）、電子器件（集成電路、開關電源、電阻、電容等）和微處理器（CPU）等組成。其基本結構如圖所示：

　　基本結構原理框圖如圖所示：

　　變頻器的組成：變頻器由主電路、控制電路、操作顯示電路和保護電路4部分組成。

　　1、主電路。給異步電動機提供調頻調壓電源電力變換部分稱為主電路。主電路包括整流器、直流中間電路和逆變器。

　　①、整流器。它有全波整流橋組成，其作用是把工頻電源變換成直流電源。整流器的輸入端接有壓敏電阻網絡，保護變頻器免受浪涌過電壓及大氣過電壓沖擊而損壞。

　　②、直流中間電路。由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載，因此在直流中間電路和電動機之間總會有無功功率交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件-電容器或電感器來緩沖。另外，直流中間電路對整流器的輸出進行濾波，以減小直流電壓或電流的波動。在直流電路里設有限流電路，以保護整流橋免受沖擊電流作用而損壞。制動電阻式為了滿足異步電動機制動需要而設置的。

　　③、逆變器，他與整流器的作用相反，是將直流電源變換成頻率和電壓都任意可調的三相交流電源。逆變器的常見結構由6個功率開關器件組成的三相橋式逆變電路。他們的工作狀態受控于控制電路。

　　2、控制電路（主控制電路CPU）。控制電路由運算放大電路，檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路，驅動電路等構成，一般采用微機進行全數字控制，主要靠軟件完成各種功能。

　　3、操作顯示電路。這部分電路用于運行操作、參數設置、運行狀態顯示和故障顯示。

　　4、保護電路。這部分電路用于變頻器本身保護及電動機保護等。

　　變頻器作用圖解

　　變頻器是把工頻電源（50Hz或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。

　　變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。

　　VVVF：改變電壓、改變頻率 CVCF：恒電壓、恒頻率。各國使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均為400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC）。

　　用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。

　　變頻器的工作原理

　　我們知道，交流電動機的同步轉速表達式位：

　　n＝60 f（1－s）/p （1）

　　式中

　　n———異步電動機的轉速；

　　f———異步電動機的頻率；

　　s———電動機轉差率；

　　p———電動機極對數。

　　由式（1）可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

　　變頻器接線圖：

　　變頻器控制方式

　　低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經歷了以下四代。

　　1U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）控制方式

　　其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

　　電壓空間矢量（SVPWM）控制方式

　　它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。

　　矢量控制（VC）方式

　　矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

　　直接轉矩控制（DTC）方式

　　1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

　　矩陣式交—交控制方式

　　VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是：

　　——控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式；

　　——自動識別（ID）依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別；

　　——算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制；

　　——實現Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態進行控制。

　　矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩響應（《2ms），很高的速度精度（±2％，無PG反饋），高轉矩精度（《＋3％）；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150％～200％轉矩。

　　變頻器工頻切換方式

　　變頻器工頻切換方式分為手動旁路和自動旁里兩種方式：《？XML:NAMESPACE PREFIX = O /》

　　1、手動切換方式

　　手動切換方式投資少，在檢修變頻器時有明顯的斷電時間，能夠保證人身安全，但存在操作復雜、切換時間長，需要鍋爐停爐、壓火后進行人工操作，不符合鍋爐要求連續運行的穩定性和經濟性要求。如下圖所示：

　　圖1 工頻手動旁路接線圖

　　上述手動切換方式由三個隔離開關QS1、QS2和QS3組成，其中QS2和QS3不能同時合上，在機械上互鎖。當變頻器運行時，QS1、QS2合上，QS3斷開；當變頻器故障時自動跳開上級開關QF；斷開QS1和QS2，合上QS3之后合上上級開關QF，電機進入工頻運行。

　　2、自動切換方式

　　自動切換旁路的優點是，能夠實現運行中變頻自動切工頻運行、工頻自動切變頻，這一過程是連續的，不會引起鍋爐停爐、壓火，從而保證了連續生產的需要，這是很重要的。（http://www.diangon.com版權所有）缺點是投資高，編程復雜，處理的不好容易造成擴大事故。如下圖所示：

　　圖2 工頻自動旁路接線圖

　　自動切換系統需要考慮以下幾個問題：

　　（1）變頻切工頻時需要判斷是變頻器故障還是電機本身故障，以免造成擴大事故；

　　（2）變頻切工頻時需要解決切到工頻運行時風門的自動動作問題，以維持鍋爐負壓和風量的恒定，保證鍋爐穩定運行，同時還要考慮到切換時間要躲過電機的暫態過程；

　　（3）工頻切變頻時，變頻器需要有飛車啟動功能，以便變頻器能跟蹤電機轉速，實現平穩切換，同時切換時間也需要綜合考慮電機的過渡過程，以免出現變頻器“過壓”故障，切換失敗，造成鍋爐停爐。