1.交-直-交變頻器

交-直-交電壓型變頻器是通用變頻器的主要形式。圖2-3所示為電壓型交-直-交變頻器主電路的基本結(jié)構(gòu)。

1)交-直部分

(1)整流電路。整流電路由VD1～VD6組成三相不可控整流橋，它們將電源的三相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的變頻器，其輸入電源多用單相220V，整流電路為單相全波整流橋;功率較大的變頻器則一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。

設(shè)電源的線電壓為UL，那么三相全波整流后平均直流電壓UD=1.35UL=1.35×380V=513V。

(2)濾波電容器CF。整流電路輸出的整流電壓是脈動(dòng)的直流電壓，必須加以濾波。濾波電容CF的作用是：除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲(chǔ)能電容器。

(3)限流電阻RL與開關(guān)SL。由于儲(chǔ)能電容大，同時(shí)在接入電源時(shí)電容器兩端的電壓為零，故當(dāng)變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容器CF的充電電流是很大的。過大的沖擊電流將可能使三相整流橋的二極管損壞。為了保護(hù)整流橋，在變頻器剛接通電源后的一段時(shí)間里，電路內(nèi)串入限流電阻，其作用是將電容器CF的充電電流限制到允許的范圍以內(nèi)。開關(guān)SL的功能是：當(dāng)CF充電到一定程度后令SL接通，將RL短路掉。

(4)電源指示燈HL。HL除了表示電源是否接通以外，還有一個(gè)十分重要的功能，即在變頻器切斷電源后顯示濾波電容器CF上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。

由于CF的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，所以CF沒有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長達(dá)數(shù)分鐘。又由于CF上的電壓較高，如電荷不放完，在維修變頻器時(shí)將對人身安全構(gòu)成威脅，所以HL完全熄滅后才能接觸變頻器內(nèi)部的導(dǎo)電部分。

2)直-交部分

(1)逆變管V1～V6。V1～V6組成逆變橋，把VD1～VD6整流后的直流電再“逆變”成頻率、幅值都可調(diào)的交流電。這是變頻器實(shí)現(xiàn)變頻的執(zhí)行環(huán)節(jié)，因而是變頻器的核心部分。當(dāng)前常用的逆變管有絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、大功率晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)及功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。

(2)續(xù)流二極管VD7～VD12。續(xù)流二極管VD7～VD12的主要功能有：

①電動(dòng)機(jī)的繞組是感性的，其電流具有無功分量，VD7～VD12為無功電流返回直流電源提供“通道”。

②當(dāng)頻率下降、電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流將通過VD7～VD12返回直流電路。

③V1～V6進(jìn)行逆變的基本工作過程：同一橋臂的兩個(gè)逆變管處于不停的交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)，在這交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，也不時(shí)地需要VD7～VD12提供通路。

(3)緩沖電路。在不同型號的變頻器中，緩沖電路的結(jié)構(gòu)也不盡相同。圖2-3所示是比較典型的一種，其功能如下所示。

逆變管V1～V6每次有導(dǎo)通狀態(tài)切換成截止?fàn)顟B(tài)的關(guān)斷瞬間，集電極(C極)和發(fā)射極(E極)間的電壓UCE將極為迅速地由近乎0V上升至直流電壓值UD。這過高的電壓增長率將導(dǎo)致逆變管的損壞，因此，C01～C06的功能便是降低V1～V6在每次關(guān)斷時(shí)的電壓增長率。

V1～V6每次有截止?fàn)顟B(tài)切換成導(dǎo)通狀態(tài)的接通瞬間，C01～C06上所充的電壓(等于UD)將向V1～V6放電。此放電電流的初始值將是很大的，并且將疊加到負(fù)載電流上，導(dǎo)致V1～V6的損壞。因此，R01～R06的功能是限制逆變管在接通瞬間C01～C06的放電電流。

R01～R06的接入又會(huì)影響C01～C06在V1～V6關(guān)斷時(shí)降低電壓增長率的效果。VD01～VD06接入后，在V1～V6的關(guān)斷過程中使R01～R06不起作用;而在V1～V6的接通過程中，又迫使C01～C06的放電電流流經(jīng)R01～R06。

3)制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元

(1)制動(dòng)電阻RB。電動(dòng)機(jī)在工作頻率下降過程中，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將超過此時(shí)的同步轉(zhuǎn)速處于再生制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能要反饋的直流電路中，使直流電壓UD不斷上升，甚至可能達(dá)到危險(xiǎn)的地步。因此，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，使UD保持在允許范圍內(nèi)，制動(dòng)電阻RB就是用來消耗這部分能量的。

(2)制動(dòng)單元VB。制動(dòng)單元VB由大功率晶體管GTR及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其功能是控制流經(jīng)RB的放電電流IB。

2.交-交變頻器

交-交變頻器又稱直接變頻裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。

它只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)就可以把恒壓恒頻(CVCF)的交流電源變換成VVVF電源，因此稱之為直接變頻器，或稱交-交變頻器。

常用的交-交變頻器輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，見圖2-6(a)所示。正反向兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸出電壓u0。u0的幅值取決于各組整流裝置的控制角α，u0的頻率取決于兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角α一直不變，則輸出平均電壓就是方波，如圖2-6(b)所示。

以上只是分析了交-交變頻器的單相輸出，對于三相負(fù)載，其它兩相也各用一套反并聯(lián)的可逆線路，輸出平均電壓相位依次相差1200。這樣，如果每個(gè)整流器都用橋式電路，三相交-交變頻器需用三套反并聯(lián)橋式線路，共需36個(gè)晶閘管。如圖2-7所示，使用多繞組整流變壓器是因?yàn)槿嘀g有星形聯(lián)接，需要隔斷相間的短路環(huán)流。這個(gè)電路因?yàn)闊o環(huán)流運(yùn)行，必須保證電流嚴(yán)格過零才能觸發(fā)反組工作，為可靠起見需要一個(gè)死區(qū)，因此最高輸出頻率大約允許在15Hz以下。如果采用有環(huán)流運(yùn)行，則需要加裝6只環(huán)流電抗器，輸出頻率可以提高到20～25Hz，再高則波形的畸變就嚴(yán)重了。

交-交變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，但所用器件的數(shù)量更多，總設(shè)備投資巨大。交-交變頻器的最大輸出頻率為30Hz，使其應(yīng)用受到限制，一般只用于低速度、大容量的調(diào)速系統(tǒng)，例如軋鋼機(jī)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等。根據(jù)輸出電壓波形的不同，交-交變頻器克分為1200導(dǎo)通型的方波電流源變頻器和1800導(dǎo)通型的正弦波電壓源變頻器。

交-交變頻器與交-直-交變頻器的性能比較如表2-1所示。

表2-1 交-交變頻器與交-直-交變頻器的性能比較

知識拓展

變頻器的分類方法很多，下面簡單介紹幾種主要的分類方法。

1.按變換環(huán)節(jié)分類

1)交-交變頻器

交-交變頻器的原理圖如圖2-6(a)所示。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，輸出頻率一般只有額定頻率的1/2以下，電網(wǎng)功率因素較低，主要應(yīng)用于低速大功率的拖動(dòng)系統(tǒng)。

2)交-直-交變頻器

交-直-交變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。主要由整流電路、中間直流環(huán)節(jié)和逆變電路三部分組成。交-直-交變頻器按中間環(huán)節(jié)的濾波方式又可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。

(1)電壓型變頻器。電壓型變頻器的主電路典型結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。在電路中，中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電壓值基本上不受負(fù)載的影響，基本保持恒定，類似于電壓源，因而稱之為電壓型變頻器。

(2)電流型變頻器。電流型變頻器與電壓型變頻器在主電路結(jié)構(gòu)上基本相似，不同的是電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，如圖2-15所示，直流電流波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電流基本不受負(fù)載的影響，其特性類似于電流源，所以稱之為電流型變頻器。

2.按逆變器開關(guān)方式分類

1)PAM(脈沖振幅調(diào)制)

它是通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅值來進(jìn)行輸出控制的一種方式。在調(diào)節(jié)過程中，整流器部分負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電壓或電流，逆變器部分負(fù)責(zé)調(diào)頻。

2)PWM(脈寬調(diào)制)

它是通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)，因此，逆變器部分需要同時(shí)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)頻。目前，普遍應(yīng)用的是脈寬按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制方式，即SPWM方式。

3.按逆變器控制方式分類

1)控制變頻器

控制是同時(shí)控制變頻器輸出電壓和頻率，通過保持比值恒定，使得電動(dòng)機(jī)的主磁通不變，在基頻以下實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。它是一種轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，多應(yīng)用于精度要求不高的場合。

2)矢量控制變頻器

矢量控制變頻器主要是為了提高變頻調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能。模仿自然解耦的直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，對異步電動(dòng)機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，以獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

3)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器

直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器是一種新型的變頻器。它省掉了復(fù)雜的矢量變換與電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化處理。該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，無超調(diào)，是一種具有高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速方法。

4.按變頻器的用途分類

1)通用變頻器

通用變頻器其特點(diǎn)是通用性，是變頻器家族中應(yīng)用最為廣泛的一種。通用變頻器主要包含兩大類：節(jié)能型變頻器和高性能通用變頻器。

(1)節(jié)能型變頻器。是一種以節(jié)能為主要目的而簡化了其他一些系統(tǒng)功能的通用變頻器，控制方式比較單一，一般為控制，主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速性能要求不高的場合，具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)勢。

(2)高性能通用變頻器。是一種在設(shè)計(jì)中充分考慮了變頻器應(yīng)用時(shí)可能出現(xiàn)的各種需要，并為這種需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的準(zhǔn)備，使其具有較豐富的功能。如：PID調(diào)節(jié)、PG閉環(huán)速度控制等。高性能通用變頻器除了可以應(yīng)用于節(jié)能型變頻器的所有應(yīng)用領(lǐng)域之外，還廣泛用于電梯、數(shù)控機(jī)床等調(diào)速性能要求較高的場合。

2)專業(yè)變頻器

是一種針對某一種特定的應(yīng)用場合而設(shè)計(jì)的變頻器，為滿足某種需要，這種變頻器在某一方面具有較為優(yōu)良的性能。如電梯及起重機(jī)用變頻器等，還包括一些高頻、大容量、高壓等變頻器。