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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U_L，那么三相全波整流后平均直流電壓U_D=1.35U_L=1.35×380V=513V,。

（2）濾波電容器C_F,。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C_F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(wú)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R_L與開(kāi)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C_F的充電電流是很大的,。過(guò)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C_F的充電電流限制到允許的范圍以內(nèi),。開(kāi)關(guān)SL的功能是：當(dāng)C_F充電到一定程度后令SL接通,，將R_L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C_F上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢,。

由于C_F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C_F沒(méi)有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘,。又由于C_F上的電壓較高,，如電荷不放完，在維修變頻器時(shí)將對(duì)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(chǎng)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(wú)功分量,，VD₇～VD₁₂為無(wú)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(guò)VD₇～VD₁₂返回直流電路。

③V₁～V₆進(jìn)行逆變的基本工作過(guò)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(guò)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(hào)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U_CE將極為迅速地由近乎0V上升至直流電壓值U_D,。這過(guò)高的電壓增長(zhǎng)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(zhǎng)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U_D）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(zhǎng)率的效果。VD₀₁～VD₀₆接入后,，在V₁～V₆的關(guān)斷過(guò)程中使R₀₁～R₀₆不起作用,；而在V₁～V₆的接通過(guò)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R_B,。電動(dòng)機(jī)在工作頻率下降過(guò)程中，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將超過(guò)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U_D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U_D保持在允許范圍內(nèi),，制動(dòng)電阻R_B就是用來(lái)消耗這部分能量的,。

（2）制動(dòng)單元V_B。制動(dòng)單元V_B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)R_B的放電電流I_B,。

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(jiàn)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(duì)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(wú)環(huán)流運(yùn)行，必須保證電流嚴(yán)格過(guò)零才能觸發(fā)反組工作,，為可靠起見(jiàn)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(shí)拓展

變頻器的分類方法很多,，下面簡(jiǎn)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(méi)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(kāi)關(guān)方式分類

1）PAM(脈沖振幅調(diào)制)

它是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅值來(lái)進(jìn)行輸出控制的一種方式,。在調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)改變輸出脈沖的占空比來(lái)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(guò)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(kāi)環(huán)控制,，無(wú)需速度傳感器,，控制電路簡(jiǎn)單，多應(yīng)用于精度要求不高的場(chǎng)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(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)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(jiǎn)化處理,。該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速,，無(wú)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(jiǎn)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(chǎng)合,，具有體積小,、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)。

（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(chǎng)合,。

2）專業(yè)變頻器

是一種針對(duì)某一種特定的應(yīng)用場(chǎng)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,。

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