通用变频器

通用变频器（Variable Voltage Variable Frequency,VVVF）是利用绝缘栅双极型晶体管(IGBT）等电力电子器件按照一定的规律将工频电源变换为U/f（电压和频率比）可变的电源输出，对通用三相异步电动机进行速度控制的控制器。当通用三相异步电动机被通用变频器拖动时，将按设定的斜坡函数运行曲线同时改变其定子电压和频率，以控制电动机的转速和转矩，达到变频调速的目的，这也是通用变频器的基本原理。

通用变频器有单相和三相两类。单相变频器是单相输入三相输出，而不是单相输出，选择时应注意。除此之外，还有专用变频器、高频变频器、高压变频器等。另外，根据控制方式，通用变频器有U/f控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式三类。U/f控制方式通用变频器也称为风机、水泵专用变频器，用于二次方降转矩负载；矢量控制方式和直接转矩控制方式通用变频器也称为高性能通用变频器，主要特点是动态性能高、机械特性硬，低速过载能力大，可实现挖土机特性，主要用于恒转矩负载。高性能通用变频器－般也具有U/f控制方式，使用时根据需要通过菜单选择。

目前，通用变频器的品牌繁多，几乎世界上所有大的电气公司、厂商都有自己的通用变频器品牌，并在中国市场上销售。我国自行设计、生产变频器的公司、厂商也达上百家。

通用变频器的结构原理

通用变频器的外形结构

下图是罗克韦尔PF700通用变频器的外形结构示意图。

图中，右上角图是LCD显示数字操作面板，可以通过连接电缆远离通用变频器本体连接而远距离操作通用变频器。在通用变频器的上后部有冷却风扇，当开机时，与通用变频器同步工作，以冷却功率模块。控制端子与控制板（左上图）安装在一起，用于连接I/O信号；主回路端子（见中下两图）与主电路的功率模块连接，主回路端子用于连接输入电源和电动机。右下角是通信接口模块。

通用变频器的内部结构

从通用变频器的控制原理上看，其基本结构由主电路，包括整流器、中间直流环节、逆变器，主控制板、通信和外部接口及显示操作面板组成，如图所示。

主电路接线端子中，R、S、T（或标注Ll、L2、L3）是电源输入端子，接电网三相交流电；U、V、W是交流输出端子，接电动机。

整流器有可控整流桥和不可控整流桥两种，大多数通用变频器采用不可控整流桥，具有能量回馈功能的通用变频器采用可控整流桥。整流桥的作用是把三相交流变换为直流，作为逆变器的恒定电源。逆变器是将直流转换成交流的换流器，它是由6个IGBT组成的三相逆变桥，采用脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）技术，从而获得大功率、高效率的交流输出。中间直流环节是一个（组）大容量电解电容器起稳定直流电压、滤波和存储回馈能量作用。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲，所以常称中间直流环节为中间直流储能环节。

控制电路是通用变频器的心脏，包括CPU、控制策略算法电路、信号检测电路、驱动和保护电路、外部接口、数字操作面板插口等构成。控制策略算法电路即与通用变频器控制方式对应的数学模型及运行曲线（斜坡函数）。高性能的通用变频器目前已经采用微处理器进行全数字控制，硬件电路简单，主要靠软件实现各种控制和保护功能。可以通过数字操作面板来设定各种参数和选择所需要的功能。新型通用变频器还可以通过编程和调试软件在计算机上进行参数设置和监控。

通用变频器的数字操作面板是一个具有LED或LCD显示和操作键的微型界面，利用它可以进行各种参数编程、监视和运行操作，监视通用变频器的运行状态，显示频率指令值和实际输出频率、输出电压指令值和实际输出电压及输出电流等。当通用变频器保护功能动作后，可以通过操作面板显示故障内容、查看故障原因等。运行操作包括运行／停止、正转／反转、点动、输出频率设定等内容，可以根据外部给定信号进行设定。

外部接口电路通常包括多功能输入输出I/O接线端子、频率指令输入输出I/O接线端子、串行通信接口和特殊输入输出端子等。多功能I/O接线端子是可编程的，可以通过编程定义端子的功能。频率指令I/O接线端子是模拟量输入端子，用于通过电位器或标准工业信号进行速度控制。串行通信接口通常是RS-232或RS-485，不同品牌的通用变频器遵循不同的通信协议，用于连网通信。如西门子通用变频器的串行通信接口RS-485，通信协议是USS协议。特殊输入输出端子主要是模拟量输出信号和数字量输出信号等，通过相应的接口可进行频率、速度等的输出显示、故障报警等。

审核编辑 黄昊宇