变频器工作原理
1.为什么需要变频器
在现代控制领域中，绝大多数是电动控制系统，其最终的控制对象和执行机 构均为电机。电机的自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、
多电机同步控制系统等多种类型。随着电力电子技术和微机技术的的飞速发张，
现代交流变频技术在电机控制系统中的应用也越来越广。使用变频器的优点：
(1) 控制电机的启动电流。
当电机通过工频直接启动时，它将会产生7 到 8 倍的电机额定电流。这 个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变 频调速则可以在零速零电压启动(也可适当加转矩提升)。一旦频率和电压的关系 建立，变频器就可以按照 V/F 或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速 能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本 将进一步降低、电机的寿命则相应增加。
(2) 降低电力线路电压波动。
在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动，电压下降 的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供 电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC 机、传感器、接近开关和 接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则 能最大程度上消除电压下降。
(3) 启动时需要的功率更低。
电机功率与电流和电压的乘积成正比, 那么通过工频直接启动的电机消 耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到 了最高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严 重的影响, 从而将受到电网运行商的警告, 甚至罚款。如果采用变频器进行电机 起停, 就不会产生类似的问题。
(4) 可控的加速功能。
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变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行均匀地加速，而且其加速 曲线也可以选择(直线加速、S 形加速或者自动加速)。而通过工频启动时对电机 或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨 损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线 上，以防止瓶子倒翻或损坏。
(5) 可调的运行速度。
运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过 远控 PLC 或其他控制器来实现速度变化。
(6) 可调的转矩极限。
通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而 保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，
甚至转矩的控制精度都能达到3％～5％左右。在工频状态下，电机只能通过检 测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动 作。
(7) 受控的停止方式。
如同可控的加速一样, 在变频调速中, 停止方式可以受控，并且有不同 的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动)，同样它能减 少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。
(8) 节能
离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工 程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变 频后投资回报就更快。
(9) 可逆运行控制
在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需 要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。
(10) 减少机械传动部件
由于目前矢量 控制变频器加上同步电机就能实现 高效的转矩输出, 从而节 省齿轮箱等机械传动部件, 最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空 间, 提高稳定性。
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可以看出，变频器在保护电机延长电机使用寿命，减少对电网冲击，节能环 保，保证生产工艺等方面有重要的作用，可以说现代工业控制领域离不开变频器。
2.变频器概述
变频器是利用 电力半导体器件的通断作用将工频 电源变换为另一频率的电 能控制装置。变频器能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、
改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、
检测单元，驱动单元，控制单元等组成。
电力电子器件是变频器的核心器件，其性能对变频器的内在品质起至关重要 的影响。变频器用到的电力电子器件有很多，常用的电力电子器件有电力晶体管
（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、功率场效应管（电力 MOSFET）、绝缘栅双极 型晶体管（IGBT）。电力晶体管的优点是：耐压高、电流大、开关特性好、导通 压降小、导通损耗低；缺点：工作频率不高一般为2kHz、电流波形较差、在开 关期间可能局部过热而二次击穿，这是极具破坏力的多发性故障。现在的变频器 基本上是用 IGBT 来取代 GTR 了。GTO 的主要问题有：1.缓冲问题，关断 GTO 是，
其阳极电压升高，电路中很小的电感都会引起尖峰电压，有可能使局部的密集电 流造成局部过热，导致二次击穿；2.驱动问题，关断时门极需要流过相当大的负 电流，为驱动设计带来了很大难度。功率MOSFET 是单极性电压控制器件，具有 工作频率高、输入阻抗高、驱动功率小、无热电反馈及二次击穿，跨导线性度高 等优点。但其通态电阻大器件耐压提高后通态电阻也随之提高，受这种限制功率 MOSFET 功率很难做大，一般在 10kw 以下的低压开关电源中使用。IGBT 具有驱动 简单，保护容易，开关频率高，噪声低等特点。 IGBT许多性能为 变频调速的普 及和进一步提高奠定了基础。
控制算法是变频器的灵魂和核心了，变频器的控制方式有：v/f=c 的正弦脉 宽调制控制方式、电压空间矢量控制方式、矢量控制方式、直接转矩控制方式、
矩阵式交-交控制方式。我们公司主要用到两种控制方式，v/f 控制和矢量控制。
v/f 控制方式特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，
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能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，
这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显 著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩 能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变 化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区 效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
矢量控制方式的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、
Ic、通过三相到二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1 再通 过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1（Im1 相当于直流电动机的励磁电流； It1相当于与转矩 成正比的电枢电流 ），然后模 仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，
实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速 度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得 转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出 具有划时代的意义。实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动 机参数的影响较大。
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3.变频器的硬件结构
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、
检测单元，驱动单元，控制单元等组成。有些大功率变频器还会配有输入输出滤 波器以及直流电抗器（平波器）。这里以 CHE200-055G/075P-4 为原型讲解。
CHE200-055G/075P-4 主回路图如下：
图 3.1 主回路示意
3.1 变频器整流部分
CHE200-055G/075P-4使用的三相全桥整流电路把三相交流输入整流成直流 电压，供逆变电路使用。电路图如下：
图3.2 整流部分
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耐压值计算：输入 440VAC，波动 15%，其峰值为1.15× 2 440× =715V，VRRM
≥2×715＝1430。选VRRM＝1600V 耐压的整流二极管。
额定电流的选取：设变频器的额定输入电流有效值为
Iin，过载倍数为k。
则流经整流桥单管单桥臂电流有效值为：
in in
D I kI
k
I 0.707
2 =
= （注释1），该整流部分
使用的整流桥型号是 MDC160-16 属于双管封装，其标称电流160A 为单管正弦半 波的平均值，由于正弦半波的波形系数为 1.57故其允许流过的电流有效值为期 标称的 1.57 倍为 251.2A（注释 2）。该款机型在恒转矩模式时额定输入电流 105A 过载系数 1.5，恒功率模式时 140A 过载系数 1.2。
表 3.1 整流桥电流选取
机型 Iin(A) k Id(A) 取大值(A) 所选器件(A) 降额 G 105 1.5 157.5
168 251.2 66.9%
P 140 1.2 168
注：整流桥的有效值=平均值×波形系数 1.57
3.2 上电缓冲电阻计算
3.2.1 上电缓冲时间
由于开关电源的启动时间约1s，故要求上电缓冲时间要小于1s，一般对RC 充电电路而言，认为5RC充电完毕（充电至输入电压的99.3%），故：
5 1
t= RC< s
在本机型中采用4PCS 5600uf/400V 2串2并，所以其等效容量5600uf，则要求其缓冲电 阻值：
6
1 1
5 5 6800 10 29
R< C = − = Ω
× ×
这里选用80W/ 20Ω电阻，充电时间为：
5RC= × ×5 20 5600 10× −6 =0.68S
3.2.2 上电冲击电流
整流桥上电所受的最大冲击电流：
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1.15 1.35 440
34.155
surge 20
I = × × = A
小于整流桥的额定电流，满足整流桥的冲击电流要求。（注释3）
3.2.3 缓冲电阻冲击功率计算
选择的依据是在 10ms 内的冲击功率，要求冲击降额<80%。
本机器采用 4PCS 6800uf/400V 2 串 2 并方式滤波，其等效容量为 6800uf，
按输入10%过压时直流母线的平均电压计算，在上电的10ms内缓冲电阻平均功 率为：
) 1
2 ( )
1 (
1 2 2 2
0 0
2 RC
T T DC
RC t T DC
T e C Rdt U
R e U dt T
R T i T
P=W =
∫
=∫
− = − −19851 )
1 01 (
. 0 2
0068 . 0 ) 440 35 . 1 1 . 1
( 2 20200.0068.01
=
× −
×
×
= × e− ××
P W ， 为 所选 电 阻 额 定 功 率
的 248 80
19851= 倍，而所选电阻在 10ms 的冲击功率能达到额定功率为400 倍，故
冲击功率降额为 62%，满足要求。
3.3 直流接触器计算
按照最大功率额定直流平均电流选取，75kWP 额定直流平均电流为 3 1.225 140 171.5
AV 2 in
I = I = × =
（注释 4）
故选额定电流为 200A 的直流接触器，其电流降额为 85.75%。
3.4 储能滤波电容计算
整流部分输出的是有脉动的直流电压，为了产生稳定的整流电压，需要用大 的电解电容来稳压及滤波。
3.4.1 电容耐压值
在 440V 输 入 情 况 下 ， 母 线 电 压 为 440*1.35=594V ， 输 入 过 压 时 可 达
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594*1.1=653V，电机制动时可达 800V，因此需要选用耐压 400V 的电解电容串联，
其浪涌耐压为 450V。这样电容的耐压降额分别为：
440V 输入时降额： *100% 74.25% 400
* 2
594 =
输入过压时降额： *100% 81.7% 400
* 2
594
* 1 .
1 =
制动过过压时降额： *100% 88.9% 450
* 2
800 =
3.4.2 电容容量
电容容量的大小直接决定了母线电压及输出电压的稳定性，同时也影响流过 自身的纹波电流，进而影响温升和使用寿命。容量太小会导致直流母线和输出电 压不稳，带载能力下降；容量太大，成本则大大提高。
在额定运行情况下，直流回路平均电流为：
DC O AV
dc U
I ( ) = P ，其中 UDC=513V（注
释 5），本机型最大输出功率 75KW，算得
( ) dc AV
I =146.2A。
把负载等效为阻性负载R=U/Id(AV)，主回路电容通过负载电阻放电，要保持母 线电压稳定，要求放电时间常数要大于一个周期，即τ=RC>20ms，得出
DC AV dc
U I
C >0.R02 = 0.02 ( ) ，算得该机型电解电容容量为5700uf，选6800uf，
38A。
实际选 4 个相等的电容，以两并两串的方式连接。
3.4.3 电容纹波电流
若把负载等效为阻性负载，则流过电容的纹波电流为：
2 ) ( 2
AV dc dc
C I I
I = − 纹
波电流降额为： *100%
) (allow C
C
I I
，
1.225
dc in
I = I =1.225 140× =171.5A，Idc AV( )=146.2A，
算得Ic=44.8，纹波降额107%。
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3.5 电容均压电阻计算
3.5.1 均压电阻阻值计算
由于电容采用串联方式工作，为了保证两电容的分压均衡，需对电容并联均压电路，而 最 常 用 的 均 压 电 路 为 电 阻 均 压 。 由 所 选 的 电 容 资 料 查 得 电 容 的 最 大 漏 电 流 为 min(0.01CV/1000，5mA)=5mA，考虑电容的最大容量 偏差 为20%，故其漏电流最大 偏差为 5*20%=1m，若选取流过均压电阻的电流为电容最大偏差漏电流（注释6）的5倍以上，则 可保证均压 的一致性。故选均压 电阻： 80
1 5
400 =
< ×
R kΩ，考 虑掉 电时电容需通过 均压 电
阻放电，均压电阻不宜过大，这里选51kΩ/5W的绕线电阻，其功率降额在440V输入时为：
% 6 . 5 34
* 51000
) 2 / 440
* 35 . 1
( 2
= 。
3.5.2 计算掉电放电时间
直流安全电压为30V。以输入440V输入计算，其母线电压为440*1.35=594V，单个电 容上的电压为594/2=297V，掉电放电时间需放至单个电容上的电压等 于30V。故掉电放电 时间为：
RC t
e−
=297
30 t RC 116919C 297
ln 30 =
−
= 其中R=51000
故对应不同的C，有不同的放电时间，见表7 放电时间列。
3.6 逆变部分
滤波后的直流电压作为逆变器的输入，通过对逆变器6个IGBT管的导通与关断控制，
实现频率和电压均可调的交流输出供给负载。
3.6.1 IGBT 耐压值的选取
以800V母线过压为基准，同时考虑约200V的IGBT关断时母线电感引起的 dt Ldi，并
留一定的耐压裕量，故选1200V的IGBT。
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3.6.2 IGBT 电流峰值及电流降额计算
按60s过载时计算IGBT的电流峰值：
E
C k 2 I
I = ⋅ ⋅
式中： k——电流过载倍数，G型机为150%，P型机为120%，硬件过 流点 为G型机 的250%。
IE——变频器额定电流
电 流 降 额 ：
E IGBT
C
I I
_
= ， 式 中IIGBT_E为IGBT 80℃ 时 的 额 定 电 流 。 该 机 型 上 使 用 的 模 块
_ 300
igbt e
I = A ，IE =254.5A，降额为84.8%。
说明：对于IGBT损耗的计算比较复杂，公司设计文档也是从英飞凌公司的文档中直接拿过 来用对于公式的正确性文档作者也没有进行过考证并且其损耗跟PWM调制方式有关系，该 文档中的计算方法是针对三相调制的。另外文档中有些参数使用了近似处理的方法，本身不 考虑近似计算的结果可能就和实际有偏差了，如果在进行近似那么偏差将会更大。除了这些 之外，IGBT规格书中参数的可信度多少善 未可 知尤其是国内的。所以个人偏向于使用示波 器实测。吸收电路的设计要使用直流母线寄生电感，所以实际选取的吸收电容应根据变频器 输出短路时的浪涌值进行计算。 www.PLCworld.cn
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注释 1
为什么要除以 根号2？这里
Iin是线电流 有效 值，我们看一看线电流和流 过一 相单 桥臂电流的波形。图1是整流部分示意图。
图1整流部分示意图
图2是三相电的相电压波形和线电压波形以及Ivt1波形。
图2三相电的相电压波形和线电压波形以及Ivt1波形
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图3是6个管的导通次序
图3 导通次序 我们假定下图a相的线电流方向为正方向：
那么a相线电流电流波形如下：
Vt1上电流波形：
我们可以证明每一个脉波在单位电阻上产生的热量相等，也就是每一个脉波的有效值
相等的话，设 每一 个个脉波在单位电阻上产生 的热量为E（ 1 2
( ) 1 ( ) 2
b
a
i wt d wt
π
∫
⋅ ），那么很明显a相线电流的有效值为
4 2 E
π ,Vt1的为 2 2 E
π 。所以输入线电流和流过单管单桥臂的
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注释 2
注释 3
1.35的由来：
2 3
3
1 2 sin ( ) 1.35 3
Ud u wtd wt u
π
π π
=
∫
=其中u为线电压有效值。如果u为相电压的话
2 3
3
1 6 sin ( ) 2.34 3
Ud u wtd wt u
π
π π
=
∫
=注释 4
整流之后母线电流波形（假设加阻性负载）为：
以a相电流波形为例：
依据前面讲的很容易知道整流之后母线电流与线电流之间的关系，母线电流= 3 2
线电流。
注释 5
计算电流是以最低输入电压等级为准。
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注释 6
我们看一个示意图：
R1=R2，所以加在电容两 端的 电压是相等的（和惠斯通电桥 有所 区别），那么电容的漏电 流 就是不相等的。也就是
1 2
c c
I ≠I ，那么有KCL可知Ig必定不是0.如果Ic1−Ic2 =C，C为正
数，那么Ir2−Ir1=C，反过来也是。我们选择的目的是使均压一致性能够好，而工程上认 为 流 过 电 阻 上 的 电 流 大 于C的5倍 就 可 以 保 证 一 致 性 （ 流 过 电 阻 上 的 电 流 有 一 个 基 础 值
1 2
Vcc
I = R R
+ ，也就是I+C>5C才能保证一致性）。
附录：三相电学习心得
我们常常讲相电压相电流线电压线电流，他们之间的关系很容易让人弄混，这里我们以 对称三相电源和对称三相负载来说。
1.对于星形和三角形接法分电源和负载两方面，所以有4种接法；
2.对于星形接法的电源很容易理解相电压和线电压之间的关系，相电压就是这一相电源 Ic1
Ic2
Ir1
Ir2 P
Ig
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就是相电压之差；
3.对于三角形接法的电源，相电压还是每一相两端之间的电压差，线电压是每一相之间
的电压差，为什么会相电压等于线电压关键理解每相电源首位相接，可是有个疑惑啊每一相 都是交流电哪来的首尾说直流倒还好理解，其实它的首尾相接就是使他们的电压矢量和为0。 如果任意一相颠倒那么矢量和就不是0了，这个可以计算某一时刻的电压相量之和来确定是 否接正确，首尾相接不是某一端就一定比另一端大，要去除固定思维事实上他们的差值就是 按照正弦规律变化的很明显有大有小。对于星形接法中性点的确定也是有准则的：就是每一 相的另一端电压矢量和为0.
4.说到电流就要讲负载也要讲回路，否则就没有意义（缺少其中任何一个条件都没有意 义）。
5.不管电源是什么接法最终都要引出三相线（只是不同的接法线电压和相电压的关系不
同而已），也就是三相。那么线电流的定义就是流过每一相引线的电流。相电流就是流过每 一相负载的电路。很明显对于负载是星形接法的线电流就等于相电流，因为线电流只流过一 相。而对于负载是三角形接法的则不同，因为线电流同时流过两相。相应的关系可以计算这 里只通俗的说明为什么不同。
6.讨论电压时要看电源是如何接的，讨论电流时要看负载是如何接的。
7.电源接法不同，但是负载三角形接法线电流=相电流，负载星形接法线电流=根号 3* 相电流的关系不变。
8.对相同负载接法，而电源接法不同的话电流值不同。
总的来讲：电源三角形接法线电压=相电压，电源星形接法线电压=根号3*相电压；负 载星形接法线电流=相电流，负载三角形接法线电流= 3*相电流。
注意点:星形接法的中性点不是随便取得，三角形首尾相接是要满足条件的。
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