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1  變頻調(diào)速系統(tǒng)的換能環(huán)節(jié)
迄今為止，變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用得最為普遍的是"交-直-交"變頻調(diào)速系統(tǒng)。其基本框圖如圖1所示。圖中，UF是變頻器，M是電動(dòng)機(jī)，L是生產(chǎn)機(jī)械（負(fù)載）。
 
圖1  變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本框圖
1.1  變頻調(diào)速系統(tǒng)的換能環(huán)節(jié)
作為一個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)，共有三個(gè)換能環(huán)節(jié)。兩個(gè)在變頻器內(nèi)部，一個(gè)在變頻器外部。分述如下：
(1)  交-直變換環(huán)節(jié)  變頻器從電網(wǎng)輸入的是工頻（我國(guó)為50Hz）三相交變電源，進(jìn)入變頻器后首先通過(guò)三相全波整流電路整流成直流電源。這是把交流電能變換成直流電能的環(huán)節(jié)。
(2)  直-交變換環(huán)節(jié)  直流電源又通過(guò)三相逆變電路逆變成頻率和電壓任意可調(diào)的三相交流變頻電源。這是把直流電能又變換成交流電能的環(huán)節(jié)。

(3)  電-機(jī)變換環(huán)節(jié)  變頻器輸出的三相交流電接至電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)把頻率和電壓任意可調(diào)的三相交流電能變換成機(jī)械能，從電動(dòng)機(jī)軸上輸出。
變頻調(diào)速系統(tǒng)的上述結(jié)構(gòu)可以歸結(jié)為：三個(gè)電路，四種能量。
三個(gè)電路是：輸入電源的電路、作為中間環(huán)節(jié)的直流電路以及由變頻器接至電動(dòng)機(jī)的輸出電路。
四種能量是：頻率固定的交流電能、直流電能、頻率可調(diào)的交流電能、機(jī)械能。
1.2  各環(huán)節(jié)的基本參數(shù)
(1)  輸入電路  主要參數(shù)是：
?  電源電壓  我國(guó)為380V，符號(hào)是US；
?  電源頻率  我國(guó)為50Hz；
?  輸入電流  其大小與負(fù)載輕重和輸出頻率大小有關(guān)，符號(hào)為IS。
(2)  直流電路  主要參數(shù)是：
?  直流電壓  符號(hào)是UD，正常情況下，平均值為513V；
?  直流電流  其大小與負(fù)載輕重和輸出頻率大小有關(guān)，符號(hào)為ID。
(3)  輸出電路  也是電動(dòng)機(jī)的輸入電路，主要參數(shù)是：
?  輸出頻率  其大小是任意可調(diào)的，符號(hào)是fX；
?  輸出電壓  其大小隨輸出頻率而變，符號(hào)是UMX；
?  輸出電流  其大小取決于負(fù)載輕重，符號(hào)是IM。
(4)  電動(dòng)機(jī)軸  是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的輸出端，主要參數(shù)是：
?  電磁轉(zhuǎn)矩  也稱電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其大小總是和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的，符號(hào)是TM；
?  電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速  這是變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制目標(biāo)，其大小隨變頻器的輸出頻率而變，符號(hào)是nMX。
2  各環(huán)節(jié)的功率及相互關(guān)系
變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖2a)所示，各環(huán)節(jié)的功率關(guān)系如圖2b)所示，說(shuō)明如下：
(1)  變頻器的輸入功率
變頻器從電源輸入的是三相電功率，計(jì)算公式是：
         (1)
式(1)中，PS-變頻器的輸入功率，kW；US-電源線電壓，V；IS-電源線電流，A；PF-功率因數(shù)。因輸入電流是非正弦波，其無(wú)功功率主要由高次諧波電流產(chǎn)生，故功率因數(shù)不能用cosφ表示。
 
圖2  變頻調(diào)速系統(tǒng)的能量關(guān)系  a）變頻調(diào)速系統(tǒng) b）能量關(guān)系
(2)  直流回路功率
直流電路的功率計(jì)算比較簡(jiǎn)單，由電壓和電流的乘積決定：
PD＝UDID          (2)
式(2)中，PD-直流回路的功率，kW；UD-直流回路電壓，V；ID-直流回路電流，A。
變頻器的輸入電路和直流電路之間，是通過(guò)整流橋來(lái)轉(zhuǎn)換的。因此，兩者之差便是整流橋的功率損耗ΔpD。與變頻器的額定功率相比，整流橋的功耗極小，故：

(3)  變頻器的輸出功率
也是電動(dòng)機(jī)的輸入功率，計(jì)算如下：
        (3)
式(3)中，PM1-變頻器的輸出功率，也是電動(dòng)機(jī)的輸入功率，kW；UMX-變頻器的輸出線電壓，也是電動(dòng)機(jī)的輸入線電壓，V；IM-變頻器的輸出線電流，也是電動(dòng)機(jī)的輸入線電流，A；cosφ1-電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的功率因數(shù)，由于電動(dòng)機(jī)的電流波形十分接近于正弦波，故功率因數(shù)用cosφ1表示。
變頻器的輸出電路和直流電路之間，是通過(guò)逆變橋來(lái)轉(zhuǎn)換的。所以，兩者之差等于逆變橋的功率損耗ΔpV。ΔpV也很小，故：

(3)  變頻器的輸出功率
也是電動(dòng)機(jī)的輸入功率，計(jì)算如下：
        (3)
式(3)中，PM1-變頻器的輸出功率，也是電動(dòng)機(jī)的輸入功率，kW；UMX-變頻器的輸出線電壓，也是電動(dòng)機(jī)的輸入線電壓，V；IM-變頻器的輸出線電流，也是電動(dòng)機(jī)的輸入線電流，A；cosφ1-電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的功率因數(shù)，由于電動(dòng)機(jī)的電流波形十分接近于正弦波，故功率因數(shù)用cosφ1表示。
變頻器的輸出電路和直流電路之間，是通過(guò)逆變橋來(lái)轉(zhuǎn)換的。所以，兩者之差等于逆變橋的功率損耗ΔpV。ΔpV也很小，故：

(4)  電動(dòng)機(jī)軸上的輸出功率
電動(dòng)機(jī)軸上輸出的是機(jī)械功率，計(jì)算公式如下：
          (4)
式(4)中，PM2-電動(dòng)機(jī)軸上的輸出功率，kW； TM-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，Nm；nMX-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。
電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械功率是由變頻器輸出的三相電功率轉(zhuǎn)換來(lái)的，兩者之間的差異是電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子的功率損失ΔpM。雖然，ΔpM與ΔpD和ΔpV相比要大得多，但和調(diào)速系統(tǒng)的額定功率相比，仍是很小的。故：

(5)  各部分功率間相互關(guān)系小結(jié)
根據(jù)能量守恒的原理，當(dāng)負(fù)載所需的功率發(fā)生變化時(shí)，變頻調(diào)速系統(tǒng)中，各環(huán)節(jié)的功率必將同時(shí)變化。雖然，各能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中必有功率損失。但是，一方面，這里討論的重點(diǎn)是各環(huán)節(jié)中電流和功率的變化規(guī)律，而并不作精確的定量計(jì)算；另一方面，和系統(tǒng)的額定功率相比，各部分的損失功率所占比例較小，可以忽略不計(jì)。因此，在分析各部分功率的變化規(guī)律時(shí)，可以認(rèn)為：
PS≈PD≈PM1≈PM2        (5)
就是說(shuō)，變頻調(diào)速系統(tǒng)中，各環(huán)節(jié)的功率是大體相等的。因此，各環(huán)節(jié)功率的變化規(guī)律也是相同的，即：或同時(shí)增大，或同時(shí)減小。

3  電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流
(1)  拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系
在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是主動(dòng)轉(zhuǎn)矩，生產(chǎn)機(jī)械（負(fù)載）的阻轉(zhuǎn)矩是被動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是在克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的情況下運(yùn)行的，兩者之間符合如下規(guī)律：
TM＞TL→系統(tǒng)加速；
TM＜TL→系統(tǒng)減速；
TM＝TL→系統(tǒng)等速運(yùn)行。
因此，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)（等速運(yùn)行）時(shí)，如忽略損耗轉(zhuǎn)矩不計(jì)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩總是和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的：