一. 概述
1.變頻器概念
所謂變頻器，說得通俗一點就是一臺電源變換設備，其自身并不消耗能量 （損耗除外）。變壓器也是一臺電源變換設備，其自身也不消耗能量 （損耗除外）。變壓器是改變電源電壓的設備，并不改變電源的頻率。變頻器與變壓器不同，變頻器是改變電源頻率的設備。但是我們這里所提到的變頻器，是專門為需要調速的三相交流異步電動機提供電源的。因此，這種變頻器有其本身的特點。
三相交流異步電動機電磁關系為
其中： E1—為定子每相繞組的感應電動勢
Φm—為定子每個磁極的磁通量
f1—為定子供電電源的頻率
k1W1—為定子每相繞組的等效匝數
從上面公式可知，對一臺其電源額定值為380V 50Hz（50Hz稱為基底頻率）的電動機來說，當變頻器的輸出頻率由50Hz向下改變時，為了能維持電動機正常運行，變頻器的輸出電壓也須相應改變。 例如，當變頻器的輸出頻率由50Hz 改變到25Hz時，變頻器的輸出電壓也應由380V改變到190V（實際上由于其他原因變頻器的輸出電壓應大于190V），否則電動機就會因為磁飽和引起激磁電流過大而過熱。變頻器的輸出頻率由基底頻率（50Hz）向下改變這一段稱為恒轉矩特性段，又稱為恒磁通控制段。當變頻器的輸出頻率由50Hz向上改變時，變頻器的輸出電壓仍維持在380V，這是因為變頻器的輸出電壓不可能超過電網電壓。變頻器的輸出頻率由基底頻率（50Hz）向上改變這一段稱為恒功率特性段，又稱為弱磁控制段。在向交流異步電動機提供電源時，變頻器在改變其輸出頻率的同時，也必須控制其輸出電壓作相應地改變，這就是變頻器輸出中電壓和頻率的協調控制，或稱變頻器輸出的壓頻特性，簡稱為變頻器的V/F特性或模式。
由于改變電源的頻率很困難，頻率和電壓又要協調控制，又要具有很多保護和其他功能，所以變頻器的結構遠比變壓器復雜得多，價格也昂貴得多。價格原因了給變頻器的推廣應用帶來一定的困難。
2.變頻器的分類
變頻器的分類方法很多。
⑴按頻率改變的方式分類
①交—交變頻器 將380V 50Hz 交流電源直接轉換成所需頻率和電壓的電源。交—交變頻器又稱為周波變換器。
②交—直—交變頻器 將380V 50Hz 交流電源首先轉換成直流電源，然后再轉換成所需頻率和電壓的電源。
交—直—交變頻器又可根據中間環節分為：
電壓源型變頻器 中間環節由大電容器構成，其輸出電壓波形為脈沖調制波，其電流波形接近正統波。
電流源型變頻器　　中間環節由大電感構成，其輸出電壓波形接近正弦波，輸出電流波形為脈沖調制波．
⑵按輸出電壓調節方式分類
①PAM方式　　即脈沖幅值調制方式(Pulse Amplitude Modulation)簡稱PAM方式。它通過整流單元的可控調壓改變直流電壓的幅值，通過逆變單元只改變輸出電源的頻率。由于采用可控整流，對網側電源的干擾很大，而且功率因數也很低，目前很少采用。
②正弦PWM方式　　脈沖寬度調制方式(Pulse Width Modulation)簡稱PWM方式。PWM技術zui初由西德人A•Schonung和H•Stemmler在1964年提出，這是一門利用電力電子器件的開通和關斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實現變頻、變壓、及控制和消除諧波為目的的一門技術。它在交流傳動、不間斷電源和有源濾波器中有廣泛的應用。近來均采用較好的正弦脈沖寬度調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation)，簡稱SPWM。由于采用IGBT功率開關管，調制頻率已由原來的2k左右提高到15k左右，大大降低了電動機運行時的電磁噪音及低頻運行時的轉矩脈動。SPWM的實現方法也很多，大致可分成三類：
電壓正弦PWM方式 其基本原理是在相同區分的時間間隔內，正弦電壓波形所圍成的面積與此區間內的脈沖波所圍成的面積相等。具體的實現可采用模擬電路、數字電路、單片機（或數字信號處理器）及大規模集成芯片（如HEF4752、MA818、ZPS101，MB63H110等）。
磁通正弦PWM方式（又稱磁鏈跟蹤控制方式） 即電壓空間矢量SVPWM方式，它是從電機的角度出發，以三相正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通軌跡園為基準，用變頻器不同的開關模式去逼近園磁通并由它們決定逆變元器件的開通或關斷，以形成PWM波形。在直接轉矩控制系統中廣泛采用這種方法。
電流正弦PWM方式（又稱電流跟蹤控制方式） 即滯環比較或無差拍控制。它實質上是電流反饋的數字化應用，過去模擬的Δ調制就屬于這種。除了正弦PWM方式外，還有優化PWM方式和隨機PWM方式。
⑶按控制方式分類
①V/f控制　V/f控制又稱VVVF控制．根據電動機的電磁特性，給電動機供電時，在改變其供電頻率同時必須相應改變供電電壓．也就是說，供電頻率和供電壓要協調控制，這就是所謂V/f協調控制,或稱V/f模式．zui簡單zui常用的V/f 控制就是恒磁通控制．這種控制方式屬于開環控制。
②轉差頻率控制　　這在不同的書中對“轉差頻率控制”這一概念有不同的理解。一是僅僅指轉差頻率補償，即在輸入電動機的額定功率、額定電壓、額定電流、極數和額定轉差率后，變頻器的控制電路根據輸出電壓和輸出電流的測得值可計算出電動機的負載大小和電動機的實際轉速，從而適當提高變頻器的輸出頻率，以維持電動機在負載變化時其實際轉速基本不變。另一是指在輸入上述電動機各參數后，不僅可以維持電動機在負載變化時其實際轉速基本不變，還可以使電動機輸出zui大轉矩而不過電流跳閘，即所謂＂轉矩控制＂這里應是指后者。（這里的＂轉矩控制＂又與下面將要提到＂直接轉矩控制＂不同）。這種控制方式屬于閉環控制，它是基于電動機穩態模型下電磁轉矩與轉差率成正比（磁通恒定）的一種控制方式。
③磁通矢量控制　　上述兩種控制方式均建立在電動機的靜態數學模型基礎上。雖然轉差頻率控制也能維持磁通和轉矩不變，但由于其基本關系都是從穩態機械特性上推導出來的，沒有考慮到電機電磁慣性的影響，所以動態轉矩仍未能得到控制。而磁通矢量控制是建立在電動機的動態數學模型基礎上，是基于交直流電動機統一理論分析基礎上發展起來的。因此，電動機運行時的動態性能較好。矢量控制（Transvector Control）的概念首先在1971年由西德Blaschke等人提出，采用磁通矢量控制的目的主要是為了提高變頻調速的動態性能。
④直接轉矩控制 直接轉矩控制德文叫DSR（Direkte Selb-stregelung）,英文叫DSC(Direct Self-Control)，現在一般叫DTC(Direct Torque Control) 。它將轉子磁場定向改為定子磁場定向，因而對電動機參數的依賴性大大減少。其主要缺點是低頻運行時，轉矩脈動較大，這主要是由于電動機運行一般時間后，定子電阻變化較大，使定子磁場估算不準。
⑷按主開關器件分類
①SCR變頻器　　即可控硅變頻器，其開關變率很低，而且SCR本身沒有換流能力，需強迫換流．現在已基本被淘汰。
② GTO變頻器　　即可關斷可控硅變頻器，其開關頻率在1k左右也不高，而且換流電流較大，目前主要用在大容量或高壓大容量變頻器上。
③BJT(GTR)變頻器　　即大功率晶體管變頻器，其開關頻率可達2k左右。目前市場上還可以買到這種變頻器，但已為數不多。
④IGBT（IPM）絕緣柵雙極性晶體管（智能功率模塊），其開關頻率可達15k左右。由于其開關頻率很高，因而可以大大提高變頻器的調制頻率（產品的調制頻率一般在3k—14.5k）。目前市場上出售的大多數變頻器均屬于這類產品。
二.變頻器的技術指標與應用
1.變頻器的主要技術指標
變頻器是向需要進行調速的三相交流異步電動機提供頻率與電壓均可變的電源設備，因此變頻器的性能指標應能滿足電動機的調速要求。我們關心的變頻器的主要技術指標如下
⑴變頻器的輸入電源的電壓和頻率。 對我國來說，就是380V 50Hz。所以一般在我國銷售的外國變頻器產品都毫無例外的將其產品對輸入電源的要求改為與我國的三相電源規范一致。
⑵變頻器的連續額定輸出電流。 這是決定變頻器容量大小的主要依據（后面要提到），為需要調速的電動機選用變頻器時，一定要使電動機的額定電流小于變頻器的連續額定電流并留有一定裕量。
⑶變頻器過負荷能力。 一般變頻器的過負荷能力均為150% 1分鐘或200% 30秒，好一些產品過負荷能力可過到200% 1 分鐘。變頻器的過負荷能力不僅反應在設計變頻器時所采用控制方式的優劣，也反應主要開關元件正常使用時所保留的裕量。
⑷變頻器的輸出頻率范圍。 通用變頻器的頻率調節范圍一般為0-120Hz 或0-400Hz。
⑸變頻器的載頻頻率范圍。 又稱調制頻率或開關頻率。現在市場上銷售的變頻器屬第三代產品，其采用的開關元件為IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)或IPM（智能功率模塊），其開關頻率zui高可達15kHz。從開關頻率的大小可看出該變頻器是采有何種開關元件？大功率晶體管（GTR）的開關頻率只能達到2k左右，絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）的開關頻率可達15k左右。
⑹加減速時間范圍。 目前市場上出售的變頻器的加減速時間范圍大致都在0-3600秒。有的變頻器還設有第二加減速時間，甚至第三加減速時間。
⑺再生制動力矩。 電動機在制動過程（再生發電運行過程）中，電動機要將其機械能轉換成電能回饋給電網。在用變頻器驅動電動機時，一般交—直—交變頻器本身不能將再生制動的能量回饋給電網，只能靠變頻器本身的中間環節大電容或大電感吸收，但這是有限的。所以僅依靠變頻器的中間環節提供制動力矩有限，一般僅能提供15%-20%的制動力矩。有的變頻器產品，如三菱FR—A200系列和富士FVR•E9S系列，容量在7.5Kw 以下時，內部自帶制動單元，制動力矩可達100—200%。不自帶制動單元的變頻器，其制動力矩只能在15—20%。
⑻變頻器的控制方式。 為了能適應各種不同運行工況，現在的變頻器通常都具有幾種控制方式以供選擇。一般變頻器都具有V/F控制方式和矢量控制方式。ABB公司的ACS600系列變頻器還具有直接轉矩控制方式，這在目前我國市場上銷售的產品中，還是*的。國內生產的變頻器，具有矢量控制方式的還不多。