變頻器

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

變頻器基本組成

變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。

整流單元：將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

高容量電容：存儲轉(zhuǎn)換后的電能。

逆變器：由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。

控制器：按設(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動交流電動機。

變頻器的結(jié)構(gòu)與原理圖解

變頻器的發(fā)展也同樣要經(jīng)歷一個徐徐漸進的過程，最初的變頻器并不是采用這種交直交：交流變直流而后再變交流這種拓撲，而是直接交交，無中間直流環(huán)節(jié)。這種變頻器叫交交變頻器，目前這種變頻器在超大功率、低速調(diào)速有應(yīng)用。其輸出頻率范圍為：0-17（1/2－1/3 輸入電壓頻率），所以不能滿足許多應(yīng)用的要求，而且當時沒有IGBT，只有SCR，所以應(yīng)用范圍有限。

變頻器其工作原理是將三相工頻電源經(jīng)過幾組相控開關(guān)控制直接產(chǎn)生所需要變壓變頻電源，其優(yōu)點是效率高，能量可以方便返回電網(wǎng)，其最大的缺點輸出的最高頻率必須小于輸入電源頻率1/3或1/2，否則輸出波形太差，電機產(chǎn)生抖動，不能工作。故交交變頻器至今局限低轉(zhuǎn)速調(diào)速場合，因而大大限制了它的使用范圍。

變頻器電路結(jié)構(gòu)框架圖

矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由9個直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個電平組成，諧波含量比較小；其功率電路簡單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。

雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點，但是在其換流過程中不允許存在兩個開關(guān)同時導通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實現(xiàn)起來比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類變換器一個很大缺點。

應(yīng)用在風力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無論是負載還是電源側(cè)的不對稱都會影響到另一側(cè)。另外，矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交直交的中間儲能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。

交-交變頻就是直接變頻，少了一個環(huán)節(jié)，但是用的器件量很多，三相的需要36個晶閘管，控制復雜。還有交-交變頻只能往工頻一下調(diào)節(jié)頻率，一般調(diào)到工頻的1/3-1/2，差不多20Hz。

我們把這種交流變直流而后再變交流這種變頻器叫交直交變頻器，分為兩種，一種是交直交電壓型，另外一種是交直交電流型。其中前者廣泛使用，現(xiàn)在的通用變頻器就是采用這種拓撲。

其特點是：中間為電解電容儲存提供母線電壓，前級采用二極管不控整流，簡單可靠，逆變采用三相PWM調(diào)制（目前調(diào)制算法是空間電壓矢量）。由于采用了一定容量的電解電容，所以直流母線電壓穩(wěn)定，此時只要控制好逆變IGBT的開關(guān)順序（輸出相序、頻率）和占空比（輸出電壓大?。?，就可以獲得非常優(yōu)越的控制特性。

交—直—交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，再經(jīng)過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。

交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設(shè)計等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風力發(fā)電中應(yīng)用的不多。

采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機的運行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。

電壓型交直交變頻器的雙饋發(fā)電機定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于風機最大功率點跟蹤的發(fā)電機有功和無功的解耦控制，是目前變速恒頻風力發(fā)電的一個代表方向。

此外，還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要思想是通過一個交直交電流型和一個交直交電壓型變頻器并聯(lián)，電流型逆變器作為主逆變器負責功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負責補償電流型逆變器諧波。

這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓撲結(jié)構(gòu)具有低開關(guān)損耗，整個系統(tǒng)的效率比較高。其缺點也是顯而易見的，大量電力電子器件的使用導致成本的上升以及更加復雜的控制算法，另外該種結(jié)構(gòu)電壓利用率比較低。

盡管交—直—交變頻器具有輸出頻率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，但交—直—交變頻器仍存在許多待改進的問題：

（1）當前大功率高電壓電力電子器件處在發(fā)展期，GTO元件面臨淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟；

（2）采用IGCT（或者GTO）、IECT的變流器，器件故障造成直通短路的保護還是難題；電源側(cè)變流器如果發(fā)生直通短路會造成電網(wǎng)短路，所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器，一般要求15%，甚至高達20%；

（3）交—直—交變頻器低頻運行時過載能力減低，一般運行在5Hz以下時變頻器過載能力減半；

（4）交—直—交變頻器輸出PWM調(diào)制電壓波形的電壓變化率du/dt很高，容易造成電機和電器的絕緣疲勞損傷；輸出導線較長時，共模反射電壓會在電機側(cè)產(chǎn)生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個電壓的峰值是直流電壓的兩倍，如果是三電平的變流器，這個電壓的峰值是中間一半電壓的三倍；

（5）交—直—交變頻器PWM調(diào)制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問題。

變頻器的功能作用

變頻節(jié)能

變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。

電動機使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學術(shù)語為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15－－20倍。由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。

變頻不是到處可以省電，有不少場合用變頻并不一定能省電。 作為電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3-5%）。一臺1.5匹的空調(diào)自身耗電算下來也有20-30W,相當于一盞長明燈. 變頻器在工頻下運行，具有節(jié)電功能，是事實。但是他的前提條件是：

第一、大功率并且為風機/泵類負載；

第二、裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）；

這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個條件。除此之外，無所謂節(jié)不節(jié)電，沒有什么意義。如果不加前提條件的說變頻器工頻運行節(jié)能，就是夸大或是商業(yè)炒作。知道了原委，你會巧妙的利用他為你服務(wù)。一定要注意使用場合和使用條件才好正確應(yīng)用，否則就是盲從、輕信而“受騙上當”。

功率因數(shù)補償節(jié)能

無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

軟啟動節(jié)能

1：電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護費用。

2：從理論上講，變頻器可以用在所有帶有電動機的機械設(shè)備中，電動機在啟動時，電流會比額定高5-6倍的，不但會影響電機的使用壽命而且消耗較多的電量.系統(tǒng)在設(shè)計時在電機選型上會留有一定的余量，電機的速度是固定不變，但在實際使用過程中，有時要以較低或者較高的速度運行，因此進行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實現(xiàn)電機軟啟動、補償功率因素。