一、变频控制的基本概念与作用
变频控制是一种先进的电力控制技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机。它主要由变频器、电机本体和控制系统组成。变频器作为核心部件，能够将工频电源转换为频率和电压均可调的交流电源，供给电机使用。
变频控制的主要作用有很多。首先，它可以实现对电机的调速控制。在传统的电机运行方式下，电机转速基本固定，而通过变频控制，可以根据实际需求灵活调整电机转速，实现从低速到高速的无级调速。例如，在风机、水泵等负载的应用中，当实际需求的流量或风量发生变化时，通过调整电机转速，在满足需求的同时大大降低能耗，起到节能的作用。
其次，变频控制可以提高生产效率。在一些需要精确控制速度的生产过程中，如数控机床控制、汽车生产线等，变频控制能够实现电机转速的精确调节，从而提高生产精度和效率。
再者，变频控制可以提升设备运行性能。它具有高稳定性，能够在长时间工作中保持稳定的运行状态。同时，变频控制电机还具有低噪音、低振动等优点，提高了设备的运行舒适性。
此外，变频控制还具有多种保护功能，如过流、过压、过载保护等，能有效保护电机和设备，延长其使用寿命。
总之，变频控制作为一种先进的电力控制技术，在工业生产、交通运输、家用电器等领域都有着广泛的应用，为提高生产效率、节约能源、提升设备运行性能发挥了重要作用。
二、变频控制的基本原理
（一）变频器的组成与工作流程
变频器主要由多个重要单元组成，在将工频交流电转换为适合电机使用的交流电过程中发挥着关键作用。
整流单元通常由三对二极管或可控硅组成，其作用类似于止回阀，只允许电流在一个方向流动。当输入侧的三相交流电极性和幅值循环交替变换时，整流回路中的二极管逐一顺序导通、关闭，从而从整流回路的输出侧得到一串由六个电流 “脉冲” 组成的直流电。以 480V 电源系统运行的整流单元为例，其直流母线输出上会呈现出带交流纹波的直流电压，大约在 590V – 680V 之间。此时就需要电容来消除直流母线上的交流纹波，使其输出更加平滑。同时，为防止大电流对整流模块及电容器本身造成伤害，在系统启动时会使用限流电阻对电流进行限制，待电容器充满电后通过开关将限流电阻短接。
滤波单元一般由电容器或电抗器组成。电容器通过存储电荷，在外界电压高于或低于电容器内电压时进行充电或放电动作，从而调节直流母线电压幅值，为整流单元提供平滑的电压输出。经过滤波后，直流母线上的电压波动通常小于 3 伏。
逆变单元主要由功率开关器件组成，如 GTR、IGBT、GTO 等。在控制电路的作用下，将滤波后的直流电转换为频率、电压均可控制的交流电。常见的逆变电路结构是使用六个功率开关器件组成三相桥逆变电路，通过定期控制逆变器中功率开关器件的导通和关闭，可获得任何频率的三相交流输出。一般中小容量变频器主电路设备一般采用集成模块或智能模块，内部高度集成了整流模块、逆变器模块、各种传感器、保护电路和驱动电路。
制动单元用于在电机减速或制动时，将电机产生的再生能量转化为热能消耗掉，防止直流母线电压过高。
驱动单元负责驱动主电路器件的电路，与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
检测单元与主回路电位隔离检测电压、电流等电机运行状态信息。
微处理单元则根据检测单元反馈的信息，通过控制算法计算出所需的输出频率和电压值，并输出控制信号给执行机构。
（二）变频过程详解
- 整流：将输入的工频交流电通过整流电路转换为直流电。例如，在交直交变频器中，先把交流电变成直流，这一步骤就如同把复杂的曲线线性化，处理输入的直流电相对容易。整流模块为二极管三相桥式不控整流器或大功率晶体管组成的全控整流器，每当三相交流电源中某一相电压为正且高于其他两相电压时，该相正极侧二极管将打开并允许电流通过，随着输入侧三相交流电极性和幅值的循环交替变换，得到直流电。
- 滤波：对整流后的直流电进行滤波处理，消除脉动成分使其更加平滑稳定。滤波环节通常采用电容器或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波，就像流体管道系统中的水箱或蓄水池，可以通过吸收纹波的方式对直流母线电压幅值进行调节。
- 逆变：将滤波后的直流电转换为频率、电压均可控制的交流电。通过控制 IGBT 的通断状态产生不同频率和宽度的方波信号，经叠加和滤波后形成近似正弦波的交流电。首先，当逆变侧即交流测接在电网中时，称为有源逆变；当逆变侧即交流测直接与负载相连时，称为无源逆变。以典型的逆变电路为例，由开关 S1~S4 构成一个桥式逆变电路，其中 S1 和 S2 为一个桥臂，S3 和 S4 为一个桥臂。过程 1：S1 和 S4 闭合、S2 和 S3 断开时形成一种电流走向和输出波形；过程 2：S2 和 S3 闭合、S1 和 S4 断开时形成另一种电流走向和输出波形。这样就实现了直流电到交流电的转换，并且可以通过控制开关切换周期来改变输出交流电的频率。然而，方波交流电波形不平滑，电压一直在突变，会严重影响电器的寿命。因此，逆变器通过加快传输速度，且通过正弦脉宽调制法（SPWM），将每一正弦周期内的多个脉冲作自然或规则的宽度调制，让这些脉冲依次被调制出等效于正弦波的脉冲序列，形成正弦化电流输出。
- 控制：微处理单元根据检测单元反馈的电机运行状态信息，通过控制算法计算出所需的输出频率和电压值，并输出控制信号给执行机构。例如，在实际应用中，当电机的负载发生变化时，检测单元会实时监测电机的电流、电压等参数，并将这些信息反馈给微处理单元。微处理单元根据预设的控制算法，计算出适合当前负载的输出频率和电压值，然后通过驱动单元控制逆变单元中功率开关器件的通断状态，从而实现对电机转速和转矩的精确控制。
三、变频控制的关键技术
（一）常见变频技术类型
- 交 – 直变频技术即整流技术：
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- 这种变频技术通过二极管整流和续流或晶闸管、功率晶体管可控整流，实现交 – 直变换。多用于工频整流，将工频交流电变换成频率为零的直流电。
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- 例如在一些工业生产中，为了给后续的直流环节提供稳定的直流电源，常采用交 – 直变频技术。通过精确控制整流过程，可以确保输出的直流电质量，为后续的变频过程奠定基础。
- 直 – 直变频技术即斩波技术：
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- 该技术通过改变功率半导体器件的通断时间，即改变脉冲频率（定宽变频），或改变脉冲的宽度（定频调宽），从而达到调节直流平均电压的目的。
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- 例如在一些对直流电压要求精确控制的场合，直 – 直变频技术可以发挥重要作用。它能够根据实际需求灵活调整直流电压，满足不同设备的运行要求。
- 直 – 交变频技术即逆变技术：
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- 逆变器利用功率开关将直流电转换成不同频率的交流电。振荡器利用电子放大器件将直流电变成不同频率的交流电，关键技术在于逆变器，它通过功率开关进行直流变交流，并改变频率。
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- 比如在太阳能发电系统中，太阳能电池板产生的直流电需要通过直 – 交变频技术转换为交流电，才能并入电网或供家庭使用。
- 交 – 直交变频技术：
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- 交 – 直交变频技术先把工频交流电整流成直流电，再把直流 “逆变” 成频率和电压可变的交流电。虽然存在中间低压环节，具有结构复杂、效率低、可靠性差等缺点，但发展较早，技术也比较成熟，目前仍得到广泛应用。
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- 在工业自动化领域的变频器和 IT、供电领域的不间断电源中都有应用。例如，在数控机床控制中，交 – 直交变频器能够实现电机转速的精确调节，提高生产精度和效率。
- 交 – 交变频技术即移相技术：
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- 交 – 交变频技术通过调整功率半导体器件的导通与关断时间，将工频交流电变换成频率连续可调的交流电。适用于低转速大容量的电动机负载，第一代电力电子器件晶闸管就能完全满足要求。
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- 例如在冶金、钢铁行业的调速比要求不高的轧机、提升机等场合，交 – 交变频技术具有过载能力强、效率高、输出波形较好等优点。
（二）变频调速张力控制原理
张力控制系统包含放卷、牵引与收卷，以张力传感器与张力控制器为基础，通过变频器工作方式分为张力闭环速度控制和张力闭环转矩控制。
在张力闭环速度控制中，明确张力和反馈张力，依据 PID 调节器输出后，为变频器提供速度命令。变频器根据控制精度要求，可以工作在开环或闭环速度控制。这种形式的优势在于，采用 PID 调节可以直接对张力进行控制，操作原理容易，调试便捷。
在张力闭环转矩控制中，结合变频器的工作方式，实现对电机转矩的精确控制，从而达到对张力的间接控制。例如在纺织行业中，张力控制变频收卷可以保证在收卷的整个过程中都保持恒定的张力。在启动小卷时，不能因为张力过大而断纱；大卷启动时不能松纱。在加速、减速、停止的状态下也不能有上述情况出现。同时，要求将张力量化，即能设定张力的大小（力的单位），能显示实际卷径的大小。
通过变频调速张力控制，可以提高生产效率，保证产品质量，减少设备损耗，在冶金、造纸、织布等行业中具有广泛的应用前景。
四、变频控制的工作过程
（一）变频器工作原理及控制过程
变频器的工作过程可以理解为一个复杂而又精密的电力转换与控制过程。其核心在于将直流电转换为可控的交流电，以满足不同电机运行需求。
首先，直流电经过振荡电路产生特定频率的振荡信号。这个过程就如同为变频器注入了活力源泉，为后续的信号转换奠定基础。接着，振荡信号通过变压器进行电压调整，输出方波信号。方波信号虽然具有一定的规律性，但还不能直接用于驱动电机，需要经过信号放大器进行放大处理，增强其功率和稳定性。最后，经过逆变器的转换，将方波信号转换为频率和电压均可控制的交流电。
变频器内部由多个关键部分组成。控制核心 CPU 是变频器的 “大脑”，负责接收各种输入信号，进行复杂的运算和决策，并输出控制信号。输入输出信号则是变频器与外部设备进行交互的通道，包括接收来自电位器模拟信号、开关量信号等外部控制指令，以及向电机输出控制后的交流电信号。存储器则用于存储变频器的参数设置、运行数据等信息，以便在需要时进行调用和分析。
在实际应用中，变频器可以通过外接电位器模拟信号进行控制。电位器可以调节输入到变频器的模拟电压或电流信号，从而改变变频器的输出频率和电压。例如，当电位器顺时针旋转时，输入到变频器的模拟信号增大，变频器输出的频率和电压也随之升高，电机转速加快。反之，当电位器逆时针旋转时，电机转速减慢。此外，变频器还可以接收开关量信号进行控制。开关量信号通常用于启动、停止、正反转等操作，通过控制变频器内部的逻辑电路，实现对电机的精确控制。
（二）变频器应用注意事项
- 工作温度：变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响。产品一般要求为 0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在 40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。
- 环境温度：温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。
- 腐蚀性气体：使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。
- 振动和冲击：装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。
五、变频控制的实现方法
（一）变频器主电路的接线方法
变频器的主电路接线至关重要。R、S、T 这三个接线端子是变频器电源进线端，需接入三根火线。UVW 是出线端，连接需要控制的电机。
在选择电源和断路器时，要根据变频器规格进行。例如，变频器有单相 220V、三相 220V、三相 380/480V、三相 690V 等几种电源规格。对于不同规格的变频器，需选择合适的电源和断路器，以确保安全运行。
在输入侧连接时，将输入电源接到变频器的 L1、L2（单相 220V）或者 R、S、T 端子。为了改善功率因素和消除干扰，可在输入侧加入交流输入电抗器和噪音滤波器，但这可根据需要和使用场合选择加不加。同时，在断路器和变频器之间一般不加接触器，若必须加入，要注意不能使接触器动作过于频繁。
在输出侧连接时，需注意变频器输出侧不能加电容器或者浪涌抑制器，否则会导致变频器损坏。最后，为保证设备和人员安全，变频器和电机必须接地，接地电缆尽量用粗的线径，必须等于或大于规定标准，接地点尽量靠近变频器，接地线越短越好。
（二）控制方式种类与参数设置
- 面板控制方式：
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- 这种控制方式通过变频器面板启停变频器并修改频率等。在设置相关参数时，电机功率需根据实际电机情况进行设置。频率给定方式可以选择面板或电位器。同时，还需设置频率上下限，不同的变频器在参数设置上会有细微差别。
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- 有的变频器操作面板上装有电位器，在设置里选择模拟输入为板载电位器，调整电位器就可以实现电动机调速。另外，变频器面板可以拆下，通过延长线将面板装到操作柜面板进行操作。
- 外部控制器或仪表控制方式：
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- 开关量和模拟量控制：
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- 接线方式需要接使能端子，启动端子，频率给定端子一般是电流或电压信号。如果是 PID 调节的闭环控制，还需要把外部传感器信号接到变频器的信号采集端子。
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- 参数设置方面，电机功率根据实际电机设置。控制方式选择远程，频率给定为外部模拟量。外部模拟量通道根据接线而定，接的是哪一路就选那一路。外部模拟量通道信号类型根据 PLC 输出的模拟量信号类型确定，一般有电流和电压信号，信号范围根据实际 PLC 模拟量输出通道决定，常用 4 至 20mA，0 至 10V。同时，PLC 一侧需要写控制程序。
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- 通讯数字信号控制：
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- 接线方式需要接使能端子，通讯电缆连接变频器和通讯伙伴的通讯口。
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- 参数设置时，电机功率同样根据实际电机设置。控制方式为通讯，通讯地址也可以说是站号，通讯协议需使用变频器和 PLC 都支持的通讯协议。PLC 一侧也需要写通讯程序。
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六、变频控制的应用领域
（一）工业领域的广泛应用
- 空调负载类：写字楼、商场、超市和厂房的中央空调在夏季用电高峰用电量巨大，占峰电 40% 以上。采用变频装置拖动空调系统的冷冻泵、冷水泵和风机，是一项非常好的节电技术。目前，不少专做空调节电的公司主要采用变频调速节电技术。例如，在炎热的北京、上海和深圳，变频空调的应用不仅能实现节能，还能根据室内温度变化灵活调整制冷或制热能力，使室内温差波动很小，提高人体舒适度。
- 破碎机类负载：在冶金矿山、建材等行业，破碎机和球磨机采用变频后效果显著。变频控制可以根据不同的物料和生产要求，调整破碎机的转速和破碎力度，提高破碎效率，同时降低能耗和设备磨损。
- 大型窑炉煅烧炉类负载：冶金、建材、烧碱等大型工业转窑（转炉）以前多采用直流、整流子电机、滑差电机、串级调速或中频机组调速，这些调速方式效率低或有滑环。近年来，不少单位采用变频控制，效果极好。变频控制可以精确调节窑炉的温度和转速，提高产品质量和生产效率。
- 压缩机类负载：压缩机在各工业部门应用广泛，低压压缩机普遍应用于各工业部门，高压大容量压缩机在钢铁、矿山、化肥、乙烯等行业有较多应用。采用变频调速，具有启动电流小、节电、优化设备使用寿命等优点。例如，在钢铁行业的制氧机中，变频压缩机可以根据氧气需求的变化调整转速，实现节能降耗。
- 轧机类负载：在冶金行业，过去大型轧机多用交 – 交变频器，近年来采用交 – 直 – 交变频器，轧机交流化已是一种趋势。如宁夏民族铝制品厂的多机架铝轧机组采用通用变频器，满足低频带载启动，机架间同步运行，恒张力控制，操作简单可靠。
- 卷扬机类负载：卷扬机类负载采用变频调速，稳定、可靠。铁厂的高炉卷扬设备是主要的炼铁原料输送设备，要求启、制动平稳，加减速均匀，可靠性高。用交流变频器替代传统的串级、直流或转子串电阻调速方式，可以取得理想的效果。
- 转炉类负载：转炉类负载用交流变频替代直流机组简单可靠，运行稳定。变频控制可以精确调节转炉的转速和倾动角度，提高炼钢效率和质量。
- 辊道类负载：多在钢铁冶金行业，采用交流电机变频控制，可提高设备可靠性和稳定性。变频控制可以根据生产需求调整辊道的速度，实现物料的平稳输送。
- 泵类负载：泵类负载量大面广，包括水泵、油泵、化工泵、泥浆泵、砂泵等，有低压中小容量泵，也有高压大容量泵。许多自来水公司的水泵、化工和化肥行业的化工泵、往复泵、有色金属等行业的泥浆泵等采用变频调速，均产生非常好的效果。例如，在城市供水系统中，变频泵可以根据用水量的变化自动调整转速，实现恒压供水，提高供水质量和节能效果。
- 吊车、翻斗车类负载：吊车、翻斗车等负载转矩大且要求平稳，正反频繁且要求可靠。变频装置控制吊车、翻斗车可满足这些要求。变频控制可以提高吊车和翻斗车的起升速度和下降速度的控制精度，降低能耗和设备磨损。
- 拉丝机类负载：生产钢丝的拉丝机要求高速、连续化生产，调速系统要求精度高、稳定度高且要求同步。变频控制可以精确调节拉丝机的速度和张力，提高钢丝的质量和生产效率。
- 运送车类负载：煤矿的原煤装运车或钢厂的钢水运送车等采用变频技术效果很好。起停快速，过载能力强，正反转灵活，提高了原煤生产效率，节约了电能。例如，在煤矿生产中，变频运送车可以根据路况和装载量自动调整速度，实现节能降耗。
- 电梯高架游览车类负载：电梯是载人工具，要求拖动系统高度可靠，又要频繁的加减速。采用交流变频调速可以提高电梯乘坐的安全感、舒适感和效率。目前，日本和德国的电梯厂以及我国不少电梯厂如上海三菱、广州日立、青岛富士、天津奥的斯等均采用交流变频调速。
- 给料机类负载：冶金、电力、煤炭、化工等行业的给料机众多，无论圆盘给料机还是振动给料机，采用变频调速效果均非常显著。例如，在吉化公司染料厂生产线的圆盘给料机中，采用变频调速后，由于是异步机，可靠性高、节电，和温度变送器闭环保证了输送物料的准确，不至于使氧化剂输送过量超温而造成事故，保证了生产的有序性。
- 堆取料机类负载：堆取料机是煤场、码头、矿山物料堆取的主要设备，主要功能是堆料和取料。采用变频控制可实现自动堆料和半自动取料，提高了设备可靠性，设备运行平稳，无冲击和摇动现象，取料过程按 1/cosφ 规律回转调速，提高了斗轮回转取料效率和皮带运煤的均匀度，很受工人欢迎。
- 风机类负载：风机类负载量大面广，钢厂、电厂、有色、矿山、化工、纺织、化纤、水泥、造纸等行业应用较多。采用变频调速可节电、减少机械磨损、延长设备寿命。例如，在水泥生产中，变频风机可以根据生产需求自动调整风量，实现节能降耗。
- 搅拌机类负载：采用变频调速可以根据不同的搅拌物料和工艺要求，调整搅拌机的转速和搅拌力度，提高搅拌效率和质量。
- 纺丝机类负载：纺丝机工艺复杂，变频调速效果良好。变频控制可以精确调节纺丝机的速度和张力，提高纤维的质量和生产效率。
- 特种电源类负载：投资少、见效快、体积小、操作简单。例如，在一些特殊的工业生产中，需要特定的电源输出，变频控制可以满足这些需求。
- 造纸机类负载：造纸机械的变频化是大势所趋。变频控制可以精确调节造纸机的速度和张力，提高纸张的质量和生产效率。
（二）其他领域的应用
- 洗熨设备负荷：在洗衣机中，变频技术可根据衣物的不同情况调整电机的转速和转矩，使洗衣机在运行时更加静音、平稳，提高洗衣机的效率。同时，变频技术还可以实现洗衣机的节能优化，降低能耗。
- 音乐喷泉负荷：音乐喷泉的水位和水量采用变频控制，可以根据音乐的节奏和强度实时调整喷泉的高度和形状，吸引游客。例如，GT200 系列变频器在音乐喷泉上的应用，通过音频控制信号对变频器进行控制，实现音乐对喷泉浪花的控制。音乐喷泉控制系统主要由音频控制信号、变频器、水泵、多功能阀、万向喷头及水管组成。喷泉水泵采用变频调速技术，能根据音频信号的强弱随时调节水泵的转速，多功能阀和万向喷头由喷泉专用控制器控制，可根据程序实现各种图案和形状。
- 磨床和其他机械负荷：如中央空调在民用产品中的应用，可省电、延长使用寿命。在磨床中，变频技术可以精确调节磨床的转速和进给速度，提高加工精度和效率。同时，变频技术还可以降低磨床的能耗和噪音，延长设备的使用寿命。
- 高层供水中的应用：变频恒压供水设备在高层供水中保持供水压力恒定，提高供水质量和安全性，减少设备维修工作量，延长设备使用寿命。例如，智能化变频供水设备由稳流补偿器、真空抑制器、压力传感器、变频泵、出水压力罐、控制柜等组成，通过压力传感器检测进出口压力，当管网压力小于用户所需压力时，在市政给水压力的基础上利用变频泵进行增压稳压供水，并避免负压产生。
