变频器的结构与原理图解.docx

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1、变频器的结构与原理图解目录1.前言1?什么是变频器？ 2?变频器的分类2? ?交交变频器2? ?交直交变频器44 .变频器基本组成65 .变频器的结构与原理图解7?主回路原理结构及主要器件106. 1.概述10? ?内部主电路结构11?变频器的工作原理11?主回路基本元器件概述12? ?压敏电阻12? ?丫 电容13?整流模块13?充电电阻13?滤波器I4?制动电阻单元16?逆变模块16?电流传感器177.变频器的功能作用187. 1.变频节能187.2. 功率因数补偿节能197. 3.软启动节能191.前言变频器（VariabIe-frequency Drive, VFD）是应用变频技术与微

2、电子技术，通 过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱 动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电 源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到 节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载 保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。什么是变频器？变频器(Variable-frequency Drive, VFD)是应用变频技术与微电子技术，通 过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

3、变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱 动单元、检测单元、微处理单元等组成。我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n = 60 f(l s)p(1)式中异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；P电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的 转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频 器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性 能的调速手段。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际 需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调

4、速的目的，另外，变频器 还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的 不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。?.变频器的分类?. 1.交交变频器变频器的发展也同样要经历一个徐徐渐进的过程，最初的变频器并不是采 用这种交直交：交流变直流而后再变交流这种拓扑，而是直接交交，无中间直 流环节。这种变频器叫交交变频器，目前这种变频器在超大功率、低速调速有 应用。其输出频率范围为：0-17（1/2-1/3输入电压频率），所以不能满足许多 应用的要求，而且当时没有IGBT,只有SCR,所以应用范围有限。变频器其工作原理是将三相工频电源经过几组相控开关控制直接产生所需 要变压变频电

5、源，其优点是效率高，能量可以方便返回电网，其最大的缺点输 出的最高频率必须小于输入电源频率1/3或1/2,否则输出波形太差，电机产 生抖动，不能工作。故交交变频器至今局限低转速调速场合，因而大大限制了 它的使用范围。图1变频器电路结构框架图矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由9个直接接于三相输入和输出之 间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波 含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦 负载电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同 时导通的或者关断的现象，实现起来

6、比较困难。矩阵变换器最大输出电压能力 低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即无论是负载还 是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变换器的输入端必须接滤波 电容，虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容, 要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。交-交变频就是直接变频，少了一个环节，但是用的器件量很多，三相的需 要36个晶闸管，控制复杂。还有交-交变频只能往工频以下调节频率，一般调 到工频的1/3-1/2,差不多20Hz。?. 2.交直交变频器我们把这种交流变直流而后再变交流这种变频器叫交直交变频器，分为两

7、种，一种是交直交电压型，另外一种是交直交电流型。其中前者广泛使用，现 在的通用变频器就是采用这种拓扑。其特点是：中间为电解电容储存提供母线电压，前级采用二极管不控整流, 简单可靠，逆变采用三相PWM调制（目前调制算法是空间电压矢量）。由于采用 了一定容量的电解电容，所以直流母线电压稳定，此时只要控制好逆变IGBT的 开关顺序（输出相序、频率）和占空比（输出电压大小），就可以获得非常优越的控 制特性。交一直一交变频器是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路 对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电 压都可变的交流电。交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由

8、于控制方法和硬件设计 等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流 侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低 转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、 定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输 出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。(CVCF)糠流 自流环节逆变AC电压型交直交变频器的双馈发电机定子磁场定向矢量控制系统，实现了基 于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无

9、功的解耦控制，是目前变速恒频风力 发电的一个代表方向。变Ih变蚓此外，还有一种并联的交直交逆变器拓扑结构。这种结构的主要思想是通 过一个交直交电流型和一个交直交电压型变频器并联，电流型逆变器作为主逆 变器负责功率传输，电压型逆变器作为辅逆变器负责补偿电流型逆变器谐波。这种结构主逆变器有较低的开关频率，辅逆变器有较低的开关电流。同上 面提到的交直交电压型逆变器相比较，该拓扑结构具有低开关损耗，整个系统 的效率比较高。其缺点也是显而易见的，大量电力电子器件的使用导致成本的 上升以及更加复杂的控制算法，另外该种结构电压利用率比较低。尽管交一直一交变频器具有输出频率高、功率因数高等优点，但交一直一 交

10、变频器仍存在许多待改进的问题：(1)当前大功率高电压电力电子器件处在发展期，GTO元件面临淘汰，IGBT, IGCT尚待成熟；(2)采用IGCT(或者GT0)、IECT的变流器，器件故障造成直通短路的保护还 是难题；电源侧变流器如果发生直通短路会造成电网短路，所以变流器必须采 用高漏抗输入变压器，一般要求15%,甚至高达20%；(3)交一直一交变频器低频运行时过载能力减低，一般运行在5Hz以下时变 频器过载能力减半；(4)交一直一交变频器输出PWM调制电压波形的电压变化率du/dt很高， 容易造成电机和电器的绝缘疲劳损伤；输出导线较长时，共模反射电压会在电 机侧产生很高的电压，如果是两电平的变

11、流器，这个电压的峰值是直流电压的 两倍，如果是三电平的变流器，这个电压的峰值是中间一半电压的三倍；(5)交一直一交变频器PWM调制将产生谐波、噪声、轴电流等问题。可以简单的说，交交变频器需要使用太多元件，不好控制，而交直交使用 的元件少，控制简单，所以目前大多使用交直交结构的变频器。变频器的发展也同样要经历一个徐徐渐进的过程，最初的变频器并不是采用这 种交直交：交流变直流而后再变交流这种拓扑，而是直接交交，无中间直流环 节。这种变频器叫交交变频器，目前这种变频器在超大功率、低速调速有应用。 其输出频率范围为：0-17(1/2-1/3输入电压频率)，所以不能满足许多应用的 要求，而且当时没有IG

12、BT,只有SCR,所以应用范围有限。4 .变频器基本组成变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流 单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容：存储转换后的电 能。逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频 率、宽度、幅度的方波。控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与 脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。5 .变频器的结构与原理图解变频器的发展也同样要经历一个徐徐渐进的过程，最初的变频器并不是采 用这种交直交：交流变直流而后再变交流这种拓扑，而是直接交交，无中间直 流环节。这种变频器叫交交变频器，目前这种变频器在超大功

13、率、低速调速有 应用。其输出频率范围为：017（l2l3输入电压频率），所以不能满足许多 应用的要求，而且当时没有IGBT,只有SCR,所以应用范围有限。变频器其工 作原理是将三相工频电源经过几组相控开关控制直接产生所需要变压变频电 源，其优点是效率高，能量可以方便返回电网，其最大的缺点输出的最高频率 必须小于输入电源频率1/3或1/2,否则输出波形太差，电机产生抖动，不能 工作。故交交变频器至今局限低转速调速场合，因而大大限制了它的使用范围。变频器电路结构框架图矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由9个直接 接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出 由三个电平组成，

14、谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压;矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。虽然矩阵变换器有很 多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象, 实现起来比较困难。矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此 类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解 耦，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变换器 的输入端必须接滤波电容，虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但 由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。交-交变频就是直接变频，少了一个环节，但

15、是用的器件量很多，三相的需 要36个晶闸管，控制复杂。还有交-交变频只能往工频一下调节频率，一般调 到工频的1/3-1/2,差不多20Hz。我们把这种交流变直流而后再变交流这种变 频器叫交直交变频器，分为两种，一种是交直交电压型，另外一种是交直交电 流型。其中前者广泛使用，现在的通用变频器就是采用这种拓扑。其特点是： 中间为电解电容储存提供母线电压，前级采用二极管不控整流，简单可靠，逆 变采用三相PWM调制（目前调制算法是空间电压矢量）。由于采用了一定容量的 电解电容，所以直流母线电压稳定，此时只要控制好逆变IGBT的开关顺序（输 出相序、频率）和占空比（输出电压大小），就可以获得非常优越的控制特性。交 一直一交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整 流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都 可变的交流电。交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法 和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变 频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用 于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比 较差，在双