變頻器的分類
按交流環節分類
1.交—直—交變頻器
先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續可調的交流電。如圖 (a) 、(b) 、(c)所示為交—直—交變頻器。
變頻器的分類
2.交—交變頻器
把電網固定頻率的交流功率直接轉換成頻率可調的交流功率(轉換前後的相數相同)。通常由三相反並聯晶閘管可逆橋式變流器組成。
按直流環節的濾波形式分類
1.電壓型變頻器
直流環節的儲能元件是電容器，如圖所示。
2.電流型變頻器
直流環節的儲能元件是電感線圈，如圖所示。
按控制方式分類
1.電壓頻率比控制變頻器
電壓頻率比控制是為了得到理想的轉矩—速度特性，基於在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都採用這種控制方式。
2.轉差頻率控制變頻器
轉差頻率控制方式是對電壓頻率比控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上的速度傳感器檢測出電動機的轉速，構成速度閉環，速度調節器的輸出為轉差頻率，而變頻器的輸出頻率則由電動機的實際轉速與所需轉差頻率之和決定。
3.矢量控制變頻器
矢量控制是一種高性能異步電動機控制方式，是通過矢量座標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以便對電動機的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。
無速度傳感器的矢量控制是通過座標變換處理分別對勵磁電流和轉矩電流進行控制，然後通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉速以達到控制勵磁電流和轉矩電流的目的。這種控制方式調速範圍寬，啟動轉矩大，工作可靠，操作方便，但計算比較複雜，一般需要專門的處理器來進行計算。
4.直接轉矩控制變頻器
直接轉矩控制是繼矢量控制變頻調速技術之後的一種新型的交流變頻調速技術。它是利用空間電壓矢量PWM（SVPWM）通過磁鏈、轉矩的直接控制、確定逆變器的開關狀態來實現的。直接轉矩控制還可用於普通的PWM控制，實行開環或閉環控制。
按功能分類
1.恆轉矩變頻器
恆轉矩變頻器控制的對象具有恆轉矩特性，在轉速精度及動態性能等方面要求一般不高，當用變頻器實現恆轉矩調速時，必須加大電動機和變頻器的容量，以提高低速轉矩。恆轉矩變頻器主要應用於擠壓機、攪拌機、傳送帶、提升機等。
2.平方轉矩變頻器
平方轉矩變頻器控制的對象，在過載能力方面要求較低，由於負載轉矩與轉速的平方成正比，所以低速運行時負載較輕，並有節能的效果。平方轉矩變頻器主要應用於風機、泵類。
按用途分類
1.通用變頻器
通用變頻器是指能與普通的籠型異步電動機配套使用，能適應各種不同性質的負載，並具有多種可供選擇功能的變頻器。
2.高性能專用變頻器
高性能專用變頻器主要應用於對電動機的控制要求較高的系統，與通用變頻器相比，高性能專用變頻器大多數採用矢量控制方式，驅動對象通常是變頻器廠家指定的專用電動機。
3.高頻變頻器
在超精密加工和高性能機械中，常常要用到高速電動機，為了滿足這些高速電動機的驅動要求，出現了採用PAM控制方式的高頻變頻器，其輸出頻率可達到3 kHz。
按輸出電壓調製方式分類
1.PAM方式
PAM方式的特點是變頻器在改變輸出頻率的同時也改變了電壓的振幅值。在變頻器中，逆變器負責調節輸出頻率，而輸出電壓的調節則由相控整流器或直流斬波器通過調節直流電壓Ud去實現。採用相控整流器調壓時供電電源的功率因數隨調節深度的增加而變小。採用直流斬波器調壓時，供電電源的功率因數在不考慮諧波影響時，功率因數可以達到1。
2.PWM方式
PWM方式的特點是變頻器在改變輸出頻率的同時也改變了電壓的脈衝佔空比。PWM只需控制逆變電路便可實現。通過改變脈衝寬度來改變輸出電壓幅值，通過改變調製週期可以控制其輸出頻率。這種方式大大減少了負載電流中的高次諧波。
按輸入電源的相數分類
1.單相變頻器
單相變頻器框圖如圖所示。
單相變頻器
2.三相變頻器
三相變頻器框圖如圖所示。
三相變頻器
按主開關器件分類
1.IGBT變頻器
由於IGBT開關頻率高，可構成靜音式變頻器，使電動機的噪聲降到接近正常工頻供電時的水平。電流波形更加正弦化，減小了電動機轉矩脈動，且低速轉矩大。用於矢量控制時，響應更快。比同容量的BJT變頻器體積小，重量輕。
2.SCR變頻器
SCR變頻器屬於電壓源型，具有不選擇負載的通用性，在不超過變頻器容量條件下，可以多電動機並聯運行。在確保換流能力足夠的條件下，過負載能力較強。多重化連接時，既可以改善波形又可以實現大容量化。
3.BJT變頻器
與SCR變頻器相比，BJT變頻器不需要換流電路，體積小、重量輕、開關效率高，適用於高頻變頻和PWM變頻，適用於矢量控制，響應較快。
4.GTO變頻器
與BJT變頻器相比，GTO變頻器的電壓、電流等級高，適合於高壓、大容量應用場合。與SCR變頻器相比，開關頻率高，可進行PWM控制，低速特性有很大提高，與SCR變頻器相比，其還具有主迴路簡單，體積小，重量輕和效率高的特點。
變頻器的選擇
變頻器的額定數據
在選擇變頻器時，必須瞭解變頻器的參數，變頻器的額定參數數據見表。
1.輸入側的額定數據
1）額定電壓
在我國，中小容量變頻器的輸入電壓主要有以下幾種：
（1）380 V，三相，絕大多數變頻器常用電壓。
（2）220 V，三相，主要用於某些進口設備中。
（3）220 V，單相，主要用於家用電器中。
2）額定頻率
常見的額定頻率是50 Hz和60 Hz。
2.輸出側的額定數據
1）額定電壓
因為變頻器的輸出電壓是隨頻率而變的，並非常數，所以變頻器是以最大輸出電壓作為額定電壓的。一般說來，變頻器的輸出額定電壓總是和輸入額定電壓大致相等的。
2）額定電流
額定電流IN是指允許長時間輸出的最大電流，是用戶選擇變頻器的主要依據。
3）額定容量
變頻器的額定容量SN由額定電壓UN和額定電流IN的乘積決定，其關係式為
式中，SN為變頻器的額定容量（kVA）；UN為變頻器的額定電壓（V）；IN為變頻器的額定電流（A）。
4）適配電動機功率
適配電動機功率PN是指變頻器允許配用的最大電動機容量。但由於在許多負載中，電動機是允許短時間過載的，所以說明書中的適配電動機功率僅對連續不變負載才是完全適用的。對於各類變動負載來說，適配電動機功率常常需要降低檔次。
5）輸出頻率範圍
輸出頻率範圍是指變頻器輸出頻率的調節範圍。
6）過載能力
變頻器的過載能力是指其輸出電流超過額定電流的允許範圍，大多數變頻器都規定為額定電流的150％、1 min。過載電流的允許時間也具有反時限特性，即如果超過額定電流的倍數不大的話，則允許過載的時間可以延長，如圖所示。
變頻器過載能力
變頻器容量的計算
變頻器容量的確定是選擇變頻器關鍵的一步，如果容量選擇不準確，會造成變頻器及電動機發熱，也達不到預期的應用效果。選擇變頻器時，要以電動機容量和電動機的工作狀態作為依據合理選擇變頻器。在實際應用中，常依據以下幾個原則來選擇變頻器。
1.連續不變負載運行時變頻器的容量
計算變頻器容量時，變頻器的額定電流是一個關鍵量，一旦異步電動機容量和電壓確定，就應當根據異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據異步電動機實際運行過程中可能出現的最大工作電流來計算變頻器的容量。但是異步電動機運行方式不相同時，變頻器應滿足的條件也不一樣，變頻器容量的計算方法和選擇原則也不同，應採用對應的方法進行容量的計算和對應的原則進行選擇。
2.連續運轉方式下變頻器的容量
連續運行方式通常指負載不頻繁加、減速而連續運行的方式。在這種運行場合使用變頻器控制異步電動機調速，可以選擇變頻器的額定工作電流等於電動機的額定工作電流，但考慮到變頻器的額定輸出電流為脈動電流，比工頻供電時電動機的電流要大，所以選擇容量時適當留有餘地，一般按下式計算
IN≥（1.05～1.1）I 或 IN≥（1.05 ～1.1）I max 式中，IN為變頻器輸出額定電流（A）；I 為電動機額定電流，（A）；Imax 為 電動機實測最大工作電流（A）。
如圖所示為變頻器輸出電流波形圖。
變頻器輸出電流波形圖
如果按電動機的實測最大工作電流選取，變頻器的容量可以適當減小，如圖所示為變頻器容量按最大電流選擇的曲線。
變頻器容量按最大電流選擇的曲線
3.異步電動機在減速時變頻器的容量
變頻器的最大輸出轉矩是由變頻器的最大輸出電流決定的。一般情況下，對於短時的加、減速來說，變頻器允許達到額定輸出電流的130％～150％（視變頻器容量有別）。因此，在短時加、減速時的輸出轉矩也可以增大；反之，如只需要較小的加、減速轉矩時，常常可降低選擇變頻器的容量。但是由於電流的脈動原因，此時，應將變頻器的最大輸出電流降低10％後再進行選定，如圖所示。
轉矩（電流）與速度關係曲線
如圖所示為電動機的運行曲線，根據異步電動機在加速、恆速、減速等各種運行狀態下的電流值的情況，對於異步電動機在頻繁加、減速運轉時，變頻器容量常按下式計算
式中，IN 為變頻器額定輸出電流，A； I1、I2、…、I5 為各運行狀態平均電流（A）；t1、t2、…、t5 為各運行狀態下的時間（min）；KO為安全係數（運行頻繁時取1.2，其他條件時為1.1)。
電動機運轉時的特性曲線
5.異步電動機直接啟動時變頻器的容量
三相異步電動機直接在工頻啟動時，啟動電流為其工作時額定電流的5～7 倍，對於電動機功率小於10 kW的容量不大的電機直接啟動時，可按下式計算變頻器的容量
式中，IN為變頻器額定輸出電流（A）；IK為額定電壓、額定頻率下電機啟動時的堵轉電流（A）；Kg為變頻器的允許過載倍數， Kg=1.3～1.5。
6.異步電動機電流變化不規則時變頻器的容量
在運行中，由於各種因素，導致電動機電流出現不規則的變化，此時不易獲得運行特性曲線。這時計算出的變頻器的額定輸出電流，必須小於等於電動機在輸出最大轉矩時的實際電流。
式中，IN為變頻器額定輸出電流（A）；Imax為電動機在輸出最大轉矩時的實際電流（A）。
7.多臺電動機由一臺變頻器控制時變頻器的容量
一臺變頻器控制多臺電動機工作，且多臺電動機並聯運行，即成組傳動。用一臺變頻器控制多臺電動機並聯運轉時，對於一小部分電動機先開始啟動後，再追加投入其他電動機啟動的場合，此時變頻器的電壓、頻率已經上升，追加投入的電動機將產生大的啟動電流，此時，變頻器容量與同時啟動時相比需要大些。
（1）在電動機總功率相等的情況下，由多臺小功率電動機組成的一方，比臺數少但電動機功率較大的一方電動機效率低。因此兩者電流總值並不相等，可根據各電動機的電流總值來選擇變頻器。
（2）多臺電動機依次直接啟動，該啟動方式對變頻器影響最大。
（3）在確定軟啟動、軟停止時，一定要按啟動最慢的那臺電動機進行確定。
（4）如有一部分電動機直接啟動時，可按下式進行計算
式中，IN 為變頻器額定輸出電流（A）； N1 為電動機總檯數；N2 為直接啟動的電動機臺數； NK 為電動機直接啟動時的堵轉電流（A）；IK 為電動機額定電流（A）。
8.電動機帶動大慣性負載啟動時的變頻器容量計算
由於負載的情況各種各樣，異步電動機帶動大慣性負載運行的狀態經常存在，往往需要經常使用過載容量大的變頻器，而變頻器允許過載容量通常多為125％、60 s或150％、1 min。當異步電動機帶動大慣性負載工作，而變頻器又控制異步電動機在這種狀態下工作，使得變頻器工作的過載容量超過允許過載容量，必須增大變頻器的容量。此時，變頻器輸出電流可按下式計算
式中，I1NV 為變頻器額定輸出電流（A）；N1 為先啟動的電動機臺數；N2為追加投入啟動的電動機臺數；Im為先啟動的電動機的額定電流（A）；Ims為追加啟動電動機的啟動電流，（A）；K 為安全係數，一般取1.1。
9.電動機拖動較輕負載時變頻器的容量計算
由於電動機的電抗隨電動機的容量不同而不同，即使電動機電流相同，電動機容量越大其脈動電流值也越大，因而會超過變頻器內逆變器部分的過電流承受量。電動機負載非常輕時，即使電動機電流在逆變器部分額定電流以內，也不能使用比與電動機容量相對應的逆變器小很多的逆變器。電動機的實際負載比電動機的額定輸出功率小時，對於通用變頻器，即使實際負載很輕，使用比按電機額定功率選擇的變頻器容量小的變頻器也不是理想狀態。
3.7 kW四極的電動機在100％負載（電動機電流17 A）運轉時的電流波形見圖4-11（a）；
7.5 kW四極的電動機在輕載下(電動機電流17 A)運轉時的電流波形見圖4-11（b）；
兩者比較便可以看出，即使電動機電流相同，7.5 kW的脈動電流值卻變得相當大了。
電動機的電流波形
變頻器類型的選擇
變頻器使用時,應根據實際需要選擇滿足使用要求的變頻器。變頻器的選型不當會造成變頻器不能充分發揮其作用，安裝不規範會使變頻器因散熱不良而過熱，佈線不合理會使干擾增強，這些都可能造成變頻器工作時不正常。
通常主要依據以下原則進行變頻器的選擇：
（1）由於風機和泵類負載在低速運行時轉矩較小，對過載能力和轉速精度要求不是很高，可以選用價廉的變頻器控制此類負載的運行，節約投資。
（2）如果異步電動機拖動的負載具有恆轉矩特性，但在運行時轉速精度及動態性能等方面要求不高，應當選用無矢量控制型變頻器控制異步電動機的運行。
（3）如果異步電動機在低速運行時要求有較硬的機械特性，並要求異步電動機有一定的調速精度，但在運行時動態性能方面無較高要求的負載，可選用不帶速度反饋的矢量控制型變頻器控制異步電動機的運行 。
（4）如果異步電動機拖動的負載時對調速精度和動態性能方面都有較高要求，可選用帶速度反饋的矢量控制型變頻器控制異步電動機的運行。
1.根據負載的要求選擇變頻器
1）恆轉矩負載
恆轉矩負載選擇變頻器時應注意：
（1）電動機應選變頻器專用電動機。
（2）變頻櫃應加裝專用冷卻風扇。
（3）增大電動機容量。
（4）降低負載特性。
（5）增大變頻器的容量。
（6）變頻器的容量與電動機的容量關係應根據品牌來確定，一般為1.1~1.5倍電動機的容量。
2）平方轉矩負載
平方轉矩負載對轉速精度沒有什麼要求，故選型時通常以價廉為主要原則，選擇普通功能型通用變頻器。
3）恆功率負載
當電動機達到特定速度段時，按恆轉矩運轉；超過特定速度時，按恆功率運轉。恆功率運轉主要應用於捲揚機、機床主軸。選用恆功率負載時要注意以下幾點：
（1）一般要求負載低速時有較硬的機械特性，才能滿足生產工藝對控制系統的動態、靜態指標要求，如果控制系統採用開環控制，可選用具有無轉速反饋矢量控制功能的變頻器。
（2）對於調速精度和動態性能指標都有較高要求，以及要求高精度同步運行等場合，可採用帶速度反饋的矢量控制方式的變頻器。如果控制系統採用閉環控制，可選用能夠四象限運行、U/f控制方式、具有恆轉矩功能型變頻器。
2.根據環境選擇變頻器
1）溫度
變頻器環境溫度為－10～50 ℃，一定要考慮通風散熱。
2）相對溼度
變頻器的相對溼度應符合IEC/EN 60068-2-6規定。
3）抗震性
變頻器的抗震性應符合IEC/EN 60068-2-3規定。
4）抗干擾性
變頻器所受干擾主要有以下兩種：
（1）外來干擾。
（2）變頻器產生的干擾。
3.根據相關參數選擇變頻器
1）最大瞬間電流
選擇變頻器容量的基本原則是：能帶動負載，在生產工藝所要求的各個轉速點長期運行不過熱，最大負載電流不能超過變頻器的額定電流，大多數變頻器都規定為額定電流的150％、1 min。
2）輸出頻率
變頻器的最高輸出頻率根據機種的不同而有很大的不同，有50 Hz / 60 Hz、120 Hz、240 Hz或更高。50 Hz／60 Hz以在額定速度以下範圍進行調速運轉為目的，適合大容量的通用變頻器用。最高輸出頻率超過工頻的變頻器多為小容量，在50 Hz／60 Hz以上區域，由於輸出電壓不變，變頻器輸出頻率為恆功率特性。
3）輸出電壓
變頻器輸出電壓可按電動機額定電壓選定。按國家標準，輸出電壓可分成220 V系列和400 V系列兩種。
4）加減速時間
加減速時間反映電動機加／減速度的快慢，並且影響變頻器的輸出電流。一般情況下，對於短時間的加／減速，變頻器允許達到額定輸出電流的130％~150％，因此，在短時間的輸出轉矩也可以增大。
5）電壓頻率比
電壓頻率比U/f作為變頻器獨特的輸出特性，表示對於輸出頻率改變的輸出電壓的變化特性，選擇的變頻器具有合適的電壓／頻率比，可以高效率地利用電動機。如控制泵和風機的電壓／頻率比可以節能。
6）調速範圍
根據系統的要求，選擇的變頻器必須能覆蓋所需要的速度範圍的控制。因此，變頻器的選擇，要根據實際情況，做到既能滿足用戶要求，又能保證變頻器整體選擇的經濟性。
7）保護結構的選擇
變頻器內部產生的熱量大，考慮到散熱的經濟性，除小容量變頻器外幾乎都是開啟式結構，採用風扇進行強制冷卻。變頻器設置場所在室外或周圍環境惡劣時，最好裝在獨立盤上，採用具有冷卻用熱交換裝置的全封閉式。
對於小容量變頻器，在粉塵、油霧多的環境或者棉絨多的紡織廠也可採用全封閉式結構。
8）電網與變頻器的切換的選擇
把用工頻電網運轉中的電動機切換到變頻器運轉時，一旦斷掉工頻電網，必須等電動機完全停止以後，再切換到變頻器側啟動。但從電網切換到變頻器時對於無論如何也不能一下子完全停止的設備，需要選擇具有這樣的控制裝置（選用件）的機種，即不使電動機停止就能切換到變頻器側。一般切換電網後，使自由運轉中的電動機與變頻器同步，然後再使變頻器輸出功率。
9）瞬停再啟動的選擇
發生瞬時停電使變頻器停止工作，但恢復通電後不能馬上再開始工作，需等電動機完全停止然後再啟動。這是因為再開機時的頻率不適當，會引起過電壓、過電流保護動作，造成故障而停止。但是對於生產流水線等，由於設備上的關係，有時因瞬間由變頻器傳動的電動機一旦停止則影響生產。這時，要選擇電動機在瞬間停電中變頻器可以開始工作的控制裝置，所以選擇變頻器時應當確認其具有該功能。
10）啟動轉矩和低速區轉矩
電動機使用通用變頻器啟動時，其啟動轉矩同用工頻電源啟動時相比，多數變小。根據負載的啟動轉矩特性有時不能啟動。另外，在低速運轉區的轉矩有比額定轉矩減小的傾向。 用選定的變頻器和電動機不能滿足負載所要求的啟動轉矩和低速區轉矩時，變頻器和電動機的容量還需要再加大。
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