第1章 变频器基础知识
变频器是一种将固定频率的交流电转变成连续可调的交流电的装置。变频器的问世，对电气调速领域具有十分重要的意义。交流电动机变频调速技术在节能、改善生产流程、提高产品质量和易于实现自动控制等方面有许多优势，是目前国际公认的最有发展前途的调速方式。
1.1 变频调速技术概况
1.1.1 调速技术的发展
我们知道，几乎所有的生产机械在传动时都需要调速。调速传动在最初以蒸汽源为主时，只能采用低效的蒸汽式机械调速传动（如图1-1所示）。当内燃机发明后，调速传动的工作效率也仍然很低。
自从电出现后，因为具有输送容易、使用方便、维修简单、效率高等特点，电气调速传动便得到迅速的发展。
其中，直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。由于结构和技术上的原因，在很长一段时期内，不变速拖动系统约80%采用的是交流电动机，但是在需要调速控制的系统中基本上采用的都是直流电动机。由于直流电动机存在维护保养困难、寿命短等缺点（其结构如图1-2所示），一直以来，人们希望在很多场合下能够用可调的交流电动机来代替直流电动机。
图1-1 蒸汽机模型
图1-2 直流电动机结构示意图
然而，要实现对交流电动机的高性能调速远比直流电动机调速困难得多。从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究。器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展，自20世纪60年代以后，特别是70年代以来，随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，以及现代控制理论的发展和计算机技术的应用，新的控制策略不断涌现，交流调速技术得到了迅猛发展。
最近十多年来发展起来的交流电动机新型变频调速装置，具有调速精度高、响应快、保护功能完善、过载能力强、节能显著、智能化高、易于实现复杂控制等优点，广泛应用在冶金、机械、电气、纺织、食品等行业中。交流变频调速正以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性逐步取代直流调速的地位，成为电气传动领域发展的主流方向。
1.1.2 变频调速技术的应用意义
1. 变频调速传动的优点
与其他调速系统相比，应用变频调速技术的优点有如下几方面：
（1）实现电动机无级调速，可以大大提高生产设备的加工精度、工艺水平及工作效率等，从而提高产品的质量和数量。
（2）可以大大减小生产机械的体积和质量，从而减少金属的耗用量。
（3）可以对电动机实现软启动（平滑启动运行），避免启动时对电网的冲击。
（4）对于风机和泵类负载，其节电率可达20% ～60%。
（5）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。
（6）可以非常方便地接入通信网络控制，实现生产自动化控制。
（7）保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护方便。
变频器传动的特点及其效果和用途见表1-1。
表1-1 变频器传动的特点及其效果和用途
2. 变频调速在代表性行业和设备中的应用（见表1-2）。
表1-2 变频调速在一些代表性行业和设备中的应用
提示
变频器的节能运转是从泵、风机等较大容量机械开始应用的，最近已广泛应用于空调压缩机等家用电器产品中。
目前，变频调速技术已成为节能、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的有效措施。变频调速以其优异的调速和启动、制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，其重要性日益得到世界各国的重视。在世界能源紧缺的今天，开展变频调速技术的研究、推广其应用，有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。
1.1.3 变频技术的发展方向
总体来上讲，变频技术已从整流逆变装置进化为驱动控制、I/O逻辑现场编程、通信组网等连接为一体，可以适应不同应用场合的过程控制单元，并在工业自动化生产线和许多领域中得到广泛应用。从市场需求和技术发展趋势来看，在今后一段时期内，变频器技术将会在以下几个方面得到进一步发展。
（1）大容量和小体积化。近年来，随着IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）等器件的发展和以IGBT为开关器件的IPM智能功率模块、单片IPM等新型功率器件的发展以及热设计技术的进步，变频器的容量越来越大，体积越来越小，而在温升等关键指标上并未下降。除了不断推出大容量的新型变频器产品外，许多厂家都在小功率段推出了所谓“迷你”型产品，以满足不同用户的实际需要。
（2）多功能和高性能化。多功能和高性能电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能和高性能化方向发展。特别是微机的应用，以其简单的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。日益丰富的软件功能也使变频器的适应性不断增强。
8位CPU、16位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础，32位数字信号处理器（Digital Sigal Processer，DSP）的应用又将通用变频器的性能提高了一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸”功能。目前出现了一种“多控制方式”通用变频器，还有一种所谓“工程型”高性能变频器，特别适合用于现代计算机控制系统中作为传动执行机构。
（3）网络化与智能化。尽管目前变频器单独适用的场合仍占多数，但作为工业生产过程中一个重要执行单元，变频器具有网络化运行的能力将成为工业自动化的趋势。目前，许多变频器厂商的新产品都具有网络连接能力，通过选件形式支持多种现场总线，通过PC方便地完成频率设定、参数设置、工作状态给定及在线监测、系统维护、远程诊断等工作。变频器在现场总线的应用如图1-3所示。
图1-3 变频器在现场总线的应用
提示
变频器不仅可以单台独立工作，也可以多台分别控制各种不同的被控对象。并可以与计算机连接，进行相互通信，形成连续生产线的调速控制系统。
为了满足不同用户的不同需要，新型变频器产品的智能化程度将进一步提高，这主要体现在变频器将本身具有的功能提供给用户选择。用户可根据自身需要，在变频器预先设定的多种功能的基础上进行编程，以满足具体应用的需要。
总而言之，未来的变频器产品将朝着高性能、多功能、长寿命、高可靠、易使用、智能化的方向发展。变频器将不仅仅是一个简单的交流调速装置，而将成为实现自动化过程的一个重要处理单元。变频器技术将得到不断提高，而变频器的应用领域也将不断得到拓展。