變頻器的詳細分類

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構。

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，這就給作為感性負載的電動機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，起到儲能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。

(3)限流電阻RL與開關SL。由于儲能電容大，同時在接入電源時電容器兩端的電壓為零，故當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。為了保護整流橋，在變頻器剛接通電源后的一段時間里，電路內串入限流電阻，其作用是將電容器CF的充電電流限制到允許的范圍以內。開關SL的功能是：當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下進行，所以CF沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數分鐘。又由于CF上的電壓較高，如電荷不放完，在維修變頻器時將對人身安全構成威脅，所以HL完全熄滅后才能接觸變頻器內部的導電部分。

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、幅值都可調的交流電。這是變頻器實現變頻的執行環節，因而是變頻器的核心部分。當前常用的逆變管有絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、大功率晶體管(GTR)、可關斷晶閘管(GTO)及功率場效應晶體管(MOSFET)等。

(2)續流二極管VD7～VD12。續流二極管VD7～VD12的主要功能有：

①電動機的繞組是感性的，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當頻率下降、電動機處于再生制動狀態時，再生電流將通過VD7～VD12返回直流電路。

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

(3)緩沖電路。在不同型號的變頻器中，緩沖電路的結構也不盡相同。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每次有導通狀態切換成截止狀態的關斷瞬間，集電極(C極)和發射極(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致逆變管的損壞，因此，C01～C06的功能便是降低V1～V6在每次關斷時的電壓增長率。

V1～V6每次有截止狀態切換成導通狀態的接通瞬間，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，并且將疊加到負載電流上，導致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的接入又會影響C01～C06在V1～V6關斷時降低電壓增長率的效果。VD01～VD06接入后，在V1～V6的關斷過程中使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R01～R06。

3)制動電阻和制動單元

(1)制動電阻RB。電動機在工作頻率下降過程中，異步電機的轉子轉速將超過此時的同步轉速處于再生制動狀態，拖動系統的動能要反饋的直流電路中，使直流電壓UD不斷上升，甚至可能達到危險的地步。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，制動電阻RB就是用來消耗這部分能量的。

(2)制動單元VB。制動單元VB由大功率晶體管GTR及其驅動電路構成，其功能是控制流經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，其結構如圖2-6所示。

它只有一個變換環節就可以把恒壓恒頻(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兩組晶閘管整流裝置反并聯的可逆線路，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，對于三相負載，其它兩相也各用一套反并聯的可逆線路，輸出平均電壓相位依次相差1200。這樣，如果每個整流器都用橋式電路，三相交-交變頻器需用三套反并聯橋式線路，共需36個晶閘管。如圖2-7所示，使用多繞組整流變壓器是因為三相之間有星形聯接，需要隔斷相間的短路環流。這個電路因為無環流運行，必須保證電流嚴格過零才能觸發反組工作，為可靠起見需要一個死區，因此最高輸出頻率大約允許在15Hz以下。如果采用有環流運行，則需要加裝6只環流電抗器，輸出頻率可以提高到20～25Hz，再高則波形的畸變就嚴重了。

交-交變頻器雖然在結構上只有一個變換環節，省去了中間直流環節，但所用器件的數量更多，總設備投資巨大。交-交變頻器的最大輸出頻率為30Hz，使其應用受到限制，一般只用于低速度、大容量的調速系統，例如軋鋼機、球磨機、水泥回轉窯等。根據輸出電壓波形的不同，交-交變頻器克分為1200導通型的方波電流源變頻器和1800導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.按變換環節分類

1)交-交變頻器

交-交變頻器的原理圖如圖2-6(a)所示。其主要優點是沒有中間環節，變換效率高，但其連續可調的頻率范圍較窄，輸出頻率一般只有額定頻率的1/2以下，電網功率因素較低，主要應用于低速大功率的拖動系統。

2)交-直-交變頻器

交-直-交變頻器的基本結構圖如圖2-3所示。主要由整流電路、中間直流環節和逆變電路三部分組成。交-直-交變頻器按中間環節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構如圖2-14所示。在電路中，中間直流環節采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，使施加于負載上的電壓值基本上不受負載的影響，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構上基本相似，不同的是電流型變頻器的中間直流環節采用大電感濾波，如圖2-15所示，直流電流波形比較平直，使施加于負載上的電流基本不受負載的影響，其特性類似于電流源，所以稱之為電流型變頻器。

2.按逆變器開關方式分類

1)PAM(脈沖振幅調制)

它是通過調節輸出脈沖的幅值來進行輸出控制的一種方式。在調節過程中，整流器部分負責調節電壓或電流，逆變器部分負責調頻。

2)PWM(脈寬調制)

它是通過改變輸出脈沖的占空比來實現變頻器輸出電壓的調節，因此，逆變器部分需要同時進行調壓和調頻。目前，普遍應用的是脈寬按正弦規律變化的正弦脈寬調制方式，即SPWM方式。

3.按逆變器控制方式分類

1)控制變頻器

控制是同時控制變頻器輸出電壓和頻率，通過保持比值恒定，使得電動機的主磁通不變，在基頻以下實現恒轉矩調速，基頻以上實現恒功率調速。它是一種轉速開環控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，多應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速的動態性能。模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，對異步電動機的磁場和轉矩分別進行控制，以獲得類似于直流調速系統的動態性能。

3)直接轉矩控制變頻器

直接轉矩控制變頻器是一種新型的變頻器。它省掉了復雜的矢量變換與電動機數學模型的簡化處理。該系統的轉矩響應迅速，無超調，是一種具有高靜態和動態性能的交流調速方法。

4.按變頻器的用途分類

1)通用變頻器

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

(1)節能型變頻器。是一種以節能為主要目的而簡化了其他一些系統功能的通用變頻器，控制方式比較單一，一般為控制，主要應用于風機、水泵等調速性能要求不高的場合，具有體積小、價格低等優勢。

(2)高性能通用變頻器。是一種在設計中充分考慮了變頻器應用時可能出現的各種需要，并為這種需要在系統軟件和硬件方面都做了相應的準備，使其具有較豐富的功能。如：PID調節、PG閉環速度控制等。高性能通用變頻器除了可以應用于節能型變頻器的所有應用領域之外，還廣泛用于電梯、數控機床等調速性能要求較高的場合。

2)專業變頻器

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