变频器的基本结构

图1 变频器的基本构成框图

交―直―交变频器主电路结构

    交―直―交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经过逆变电路将直流变换成调压调频的交流电。这种变频器虽然多了一个中间直流环节，但是输出交流电的频率是任意的。变频器的负载通常是异步电机，其功率因素小于1。故在中间直流环节和电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力器件无法储能，所以无功功率只能靠直流环节中的储能元件来缓冲。如果采用电容器作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个低阻抗的电压源，因此称为电压源型变频器；如果采用电抗器作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个高阻抗的电流源，则称为电流源型变频器。如图2所示为电压源型变频器的主回路原理图，图9.10所示为电流源型变频器的主回路原理图。
    图2的中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交－直－交电压型变频器。由于采用大电容滤波，直流侧电压恒定，输出波形为矩形波，输出电流由矩形波电压和电动机正弦波电动势之差产生，所以其波形接近正弦波。又因为逆变器的直流侧电压极性固定，不能实现回馈制动，若需要回馈制动时，必须在整流侧反并联一组晶闸管，供逆变时用。这时候逆变器通过反馈二极管工作在整流状态；附加的一组晶闸管工作在逆变状态，向电网回馈电能。
    图3的中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交－直－交电流型变频器。它的逆变器输出电流波形为矩形波，输出电压波形由电动机正弦波电动势决定，所以近似于正弦波。这种变频器可以实现回馈制动，回馈制动时，主电路电流方向不变，而电压极性改变，整流器工作于逆变状态，逆变器工作于回馈状态，从而使主回路在不增加任何元件的情况下，电动机就能自动地从电动状态转入回馈制动状态。这是这种变频器的突出优点。

                    
图2 电压型变频器原理图          图3 电流型变频器原理图

变频器输出频率的调节是由逆变器来完成的，而逆变器输出电压的调节方式通常有三种形式，如图4所示。

图4 变频器输出电压调节方式

    （1）用可控整流器调压、逆变器调频的交―直―交变频器
    调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调，如图4（a）所示。由于输入环节采用可控整流，当电压和频率调得较低的时候，晶闸管整流器的控制角较大，电网端的功率因素较低。输出环节较多采用晶闸管组成的三相六拍逆变器，输出电压的谐波分量较大。一般用于较大功率的变频器。
    （2）用斩波器调压的交―直―交变频器
    整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频，如图4（b）所示。虽然多了一个中间调压环节，但是输入的功率因数提高了。输出仍然采用晶闸管逆变器，所以仍然存在谐波问题。
    （3）用PWM逆变器同时调压调频的交―直―交变频器
    由于采用二极管不可控整流产生恒定直流电源，功率因数问题用这种方法就可以解决。用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值。假如脉冲宽度按正弦分布，则输出电压中谐波可以大大减少。谐波减少的成度还取决于逆变器功率开关的开关频率。因此，PWM逆变器中很少采用像晶闸管之类开关频率低的半控型器件作为开关器件，而是采用开关频率高的全控型器件如GTR、GTO 、MOSFET 、IGBT 等。同时调频调压都集中在逆变器一侧，控制也简化了。因此，这种结构成为当前中小型交―直―交变频器中普遍采用的一种结构形式。
    由于PWM逆变器具有许多优点，所以在中小型变频器中得到普遍采用。电压型PWM变频器主电路的原理图如图5所示.。交―直―交变频器主要适用于中小功率、转速较高、负载较平稳的场合。

图5 电压型PWM变频器主电路原理图

    交―交变频器是将恒压频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成，如图6所示。当三组移相信号是一组频率和幅值都可调的三相正弦交流信号时，则变频器输出三相交流电。

图6 交―交变频器的主电路结构

    对于交－交变频器，恒压恒频电源本身具有电压源性质，所以在不加滤波装置时，变频器就是电压型的。如果在交－交变频器中，人为串入大电感的电抗器，它就具有电流源性质，称为交－交电流型变频器。
    对于三相交―交变频器中的任何一相，它的主电路与晶闸管直流可逆拖动的主电路是完全一样的，也是由两组反并联的晶闸管相控变流器组成的。如果正组和反组轮流的向负载供电，则在负载上就获得了交流输出电压，输出电压的幅值由各组变流器的控制角α决定，输出电压的频率由两组变流器的切换频率决定。若在半周期内使控制角α由π/2（对应输出电压为0）逐渐减少到0（对应输出电压为最大）。再逐渐增加到π/2，则输出电压呈正弦规律变化，如图7所示。

图7 交―交变频器输出电压和电流波形

    交―交变频器的主要特点有：
    （1）原理主要基于可逆整流，可直接引用成熟的直流可逆调速的技术和经验。
    （2）输出到电动机的电流近似于三相正弦电力，附加损耗小，转矩脉动量小。
    （3）采用元器件的数量较多，如果采用三相桥式接法，需要36个晶闸管。
    （4）由于输出电压波形是由电源波形的区段组成的，为了使波形畸变不至于过大，输出频率不能高于电网频率的1/3～1/2。当电源频率为50赫兹时，作大输出频率不超过20赫兹。
    （5）拖动的电机一般属于普通电机，价格便宜，但是转速低。对于4极电机，最高速小于600r/min.
由于以上特点，交―交变频器通常用于大功率（500kw或1000kw以上）、低速（600r/min以下）的场合，如扎钢机、球磨机、水泥回转窑等。