变频器的分类和结构详解

根据变换环节，变频器分为交—交变频器和交—直—交变频器。

交—交变频器，是把频率固定的交流电变换成频率连续可调的交流电的电源设备。主要优点是没有中间环节，变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下。

交—直—交变频器是先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电的电源设备。把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围内以及改善频率后电动机的特性等方面，交—直—交变频器具有明显优势。

交—直—交变频器的基本构成包括整流电路、中间直流环节、制动电路、逆变电路等的主电路和控制电路。其基本结构如图1-4所示。

1.整流电路

一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，主要作用是对外部交流电源供应的工频电流进行整流，为逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。

2.逆变电路

逆变电路主要作用是通过逆变器中主开关器件有规律地通与断，输出可改变电压和频率的交流电。

常用的开关器件有绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、功率（金属-氧化物-半导体）场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconducton Field-Effect Transis，MOSFET）、大功率晶体管（Giant Transistor，GTR）、门极关断（Gate-Turn-off GTO）晶闸管等。图1-5所示为几种开关器件的结构示意图。

图1-4 变频器结构示意图

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图1-5 几种开关器件的结构示意图

a）GTR b）MOSFET c）IGBT d）IGBT等效原理

在较早的逆变器中，所采用的电力电子器件主要是晶闸管，其开关频率较低，调速系统主要采用调压与调频分别控制的方式，即相控整流器控制输出电压的幅值，逆变器开关频率控制决定输出电压的频率。这种调压和调频分别控制方式结构简单，易于调整，但存在调速系统功率因数差、转矩脉动大、动态响应慢等缺点。

近年来，随着电力电子技术的发展，具有自关断能力的器件，如GTR和GTO开始得到广泛的应用，产生了一种新型的调压-调频综合控制技术——脉宽调制（PWM）技术及相应的PWM逆变器。

新型SPWM（正弦波脉宽调制）逆变器，均以IGBT为开关器件。IGBT融合了GTR与MOSFET的优点，具有容量大、开关频率高等特点，IGBT的平均开关频率能够达到20kHz。SPWM逆变器能够同时完成调压和调频的任务。SPWM逆变器的原理如图1-6所示。采用参考正弦电压波与载频三角波互相比较，决定主开关的导通时间来实现调压，利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身，而且还因采用不可控整流，简化了整流装置，降低了整流器的造价，同时还改善了系统的功率因数，特别是通过采用适当的调制方法，可以使变频器输出电压中谐波分量尤其是低次谐波显著减少，从而使异步电动机的技术性能指标得到了大幅度的改善。

图1-6 SPWM调制方式原理图

3.中间直流环节

逆变器的负载主要是异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，因此在中间直流环节与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要依靠中间直流环节的电容器或电抗器等储能元件来缓冲。中间储能元件采用大容量的电容，并联在直流环节上，电容两端的电压不能突变，因此直流环节的电压比较稳定，相当于恒压源。中间储能元件改为一个大的串联电感，直流部分就相当于一个恒流源。根据中间电路储能元件的不同，变频器可分为电压源型和电流源型。

4.控制电路

控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入输出电路和驱动电路等组成。主要任务是接受各种信号，进行基本运算，输出计算结果，完成对逆变电路的开关控制，对整流器的电压控制（可控型）以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。