变频器的分类

电工之家

1．交-直-交变频器

交-直-交电压型变频器是通用变频器的主要形式。图2-3所示为电压型交-直-交变频器主电路的基本结构。



1）交-直部分

（1）整流电路。整流电路由VD1～VD6组成三相不可控整流桥，它们将电源的三相交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异。小功率的变频器，其输入电源多用单相220V，整流电路为单相全波整流桥；功率较大的变频器则一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。

设电源的线电压为UL，那么三相全波整流后平均直流电压UD=1.35UL=1.35×380V=513V。

（2）滤波电容器CF。整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。滤波电容CF的作用是：除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。

（3）限流电阻RL与开关SL。由于储能电容大，同时在接入电源时电容器两端的电压为零，故当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器CF的充电电流是很大的。过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻，其作用是将电容器CF的充电电流限制到允许的范围以内。开关SL的功能是：当CF充电到一定程度后令SL接通，将RL短路掉。

（4）电源指示灯HL。HL除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后显示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。

由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于CF上的电压较高，如电荷不放完，在维修变频器时将对人身安全构成威胁，所以HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。

2）直-交部分

（1）逆变管V1～V6。V1～V6组成逆变桥，把VD1～VD6整流后的直流电再“逆变”成频率、幅值都可调的交流电。这是变频器实现变频的执行环节，因而是变频器的核心部分。当前常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管（IGBT）、大功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）及功率场效应晶体管（MOSFET）等。

（2）续流二极管VD7～VD12。续流二极管VD7～VD12的主要功能有：

①电动机的绕组是感性的，其电流具有无功分量，VD7～VD12为无功电流返回直流电源提供“通道”。

②当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD7～VD12返回直流电路。

③V1～V6进行逆变的基本工作过程：同一桥臂的两个逆变管处于不停的交替导通和截止的状态，在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要VD7～VD12提供通路。

（3）缓冲电路。在不同型号的变频器中，缓冲电路的结构也不尽相同。图2-3所示是比较典型的一种，其功能如下所示。

逆变管V1～V6每次有导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极（C极）和发射极（E极）间的电压UCE将极为迅速地由近乎0V上升至直流电压值UD。这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏，因此，C01～C06的功能便是降低V1～V6在每次关断时的电压增长率。

V1～V6每次有截止状态切换成导通状态的接通瞬间，C01～C06上所充的电压（等于UD）将向V1～V6放电。此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致V1～V6的损坏。因此，R01～R06的功能是限制逆变管在接通瞬间C01～C06的放电电流。

R01～R06的接入又会影响C01～C06在V1～V6关断时降低电压增长率的效果。VD01～VD06接入后，在V1～V6的关断过程中使R01～R06不起作用；而在V1～V6的接通过程中，又迫使C01～C06的放电电流流经R01～R06。

3）制动电阻和制动单元

（1）制动电阻RB。电动机在工作频率下降过程中，异步电机的转子转速将超过此时的同步转速处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈的直流电路中，使直流电压UD不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使UD保持在允许范围内，制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。

（2）制动单元VB。制动单元VB由大功率晶体管GTR及其驱动电路构成，其功能是控制流经RB的放电电流IB。

2．交-交变频器

交-交变频器又称直接变频装置，其结构如图2-6所示。



它只有一个变换环节就可以把恒压恒频（CVCF）的交流电源变换成VVVF电源，因此称之为直接变频器，或称交-交变频器。

常用的交-交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路，见图2-6（a）所示。正反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0。u0的幅值取决于各组整流装置的控制角α，u0的频率取决于两组整流装置的切换频率。如果控制角α一直不变，则输出平均电压就是方波，如图2-6（b）所示。

以上只是分析了交-交变频器的单相输出，对于三相负载，其它两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差1200。这样，如果每个整流器都用桥式电路，三相交-交变频器需用三套反并联桥式线路，共需36个晶闸管。如图2-7所示，使用多绕组整流变压器是因为三相之间有星形联接，需要隔断相间的短路环流。这个电路因为无环流运行，必须保证电流严格过零才能触发反组工作，为可靠起见需要一个死区，因此最高输出频率大约允许在15Hz以下。如果采用有环流运行，则需要加装6只环流电抗器，输出频率可以提高到20～25Hz，再高则波形的畸变就严重了。



交-交变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所用器件的数量更多，总设备投资巨大。交-交变频器的最大输出频率为30Hz，使其应用受到限制，一般只用于低速度、大容量的调速系统，例如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。根据输出电压波形的不同，交-交变频器克分为1200导通型的方波电流源变频器和1800导通型的正弦波电压源变频器。

交-交变频器与交-直-交变频器的性能比较如表2-1所示。

表2-1   交-交变频器与交-直-交变频器的性能比较

类别 比较项目	交-直-交变频器	交-交变频器
换能形式	两次换能，效率略低	一次换能，效率较高
换流方式	强迫换流或负载谐振换流	电源电压换流
装置元器件数量	元器件数量较少	元器件数量较多
调频范围	频率调节范围宽	一般情况下，输出最高频率为电网频率的1/3～1/2
电网功率因素	用可控整流调压时，功率因素在低压时较低；用斩波器或PWM方式调压时，功率因素高	较低
适用场合	可用于各种电力拖动装置、稳频稳压电源和不停电电源	特别适用于低速大功率拖动

知识拓展

变频器的分类方法很多，下面简单介绍几种主要的分类方法。

1．按变换环节分类

1）交-交变频器

交-交变频器的原理图如图2-6（a）所示。其主要优点是没有中间环节，变换效率高，但其连续可调的频率范围较窄，输出频率一般只有额定频率的1/2以下，电网功率因素较低，主要应用于低速大功率的拖动系统。

2）交-直-交变频器

交-直-交变频器的基本结构图如图2-3所示。主要由整流电路、中间直流环节和逆变电路三部分组成。交-直-交变频器按中间环节的滤波方式又可分为电压型变频器和电流型变频器。

（1）电压型变频器。电压型变频器的主电路典型结构如图2-14所示。在电路中，中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。

（2）电流型变频器。电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，如图2-15所示，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。



2．按逆变器开关方式分类

1）PAM(脉冲振幅调制)

它是通过调节输出脉冲的幅值来进行输出控制的一种方式。在调节过程中，整流器部分负责调节电压或电流，逆变器部分负责调频。

2）PWM(脉宽调制)

它是通过改变输出脉冲的占空比来实现变频器输出电压的调节，因此，逆变器部分需要同时进行调压和调频。目前，普遍应用的是脉宽按正弦规律变化的正弦脉宽调制方式，即SPWM方式。

3．按逆变器控制方式分类

1）控制变频器

控制是同时控制变频器输出电压和频率，通过保持比值恒定，使得电动机的主磁通不变，在基频以下实现恒转矩调速，基频以上实现恒功率调速。它是一种转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，多应用于精度要求不高的场合。

2）矢量控制变频器

矢量控制变频器主要是为了提高变频调速的动态性能。模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对异步电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。

3）直接转矩控制变频器

直接转矩控制变频器是一种新型的变频器。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理。该系统的转矩响应迅速，无超调，是一种具有高静态和动态性能的交流调速方法。

4．按变频器的用途分类

1）通用变频器

通用变频器其特点是通用性，是变频器家族中应用最为广泛的一种。通用变频器主要包含两大类：节能型变频器和高性能通用变频器。

（1）节能型变频器。是一种以节能为主要目的而简化了其他一些系统功能的通用变频器，控制方式比较单一，一般为控制，主要应用于风机、水泵等调速性能要求不高的场合，具有体积小、价格低等优势。

（2）高性能通用变频器。是一种在设计中充分考虑了变频器应用时可能出现的各种需要，并为这种需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备，使其具有较丰富的功能。如：PID调节、PG闭环速度控制等。高性能通用变频器除了可以应用于节能型变频器的所有应用领域之外，还广泛用于电梯、数控机床等调速性能要求较高的场合。

2）专业变频器

是一种针对某一种特定的应用场合而设计的变频器，为满足某种需要，这种变频器在某一方面具有较为优良的性能。如电梯及起重机用变频器等，还包括一些高频、大容量、高压等变频器。

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