變頻器的結構原理圖解 高壓變頻器工作原理

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，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備。??

它主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。

變頻器的結構特征

1、電流型變頻器

變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名,其優(yōu)點是具有四象限運行能力，能很方便地實現(xiàn)電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結構復雜，調整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側采用可控硅移相整流,故輸入電流諧波較大，容量大時對電網(wǎng)會有- -定的影響。

2、電壓型變頻器

由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名,其特點是不能進行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸出還需要增設正弦波濾波器。

3、高低高變頻器

采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過降壓變壓器,將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內，經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。這種方式，由于采用標準的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網(wǎng)及電動機的電壓等級，容量小的時侯(<500KW) 改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大,比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影響。

一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。

3.1、電流型

高低高電流型變頻器在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電感元件而得名。輸入側采用可控硅移相控制整流,控制電動機的電流,輸出側為強迫換流方式，控制電動機的頻率和相位。能夠實現(xiàn)電機的四象限運行。

3.2、電壓型

在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電容元件而得名。輸入側可采用可控硅移相控制整流，也可以采用二極管三相橋直接整流，電容的作

用是濾波和儲能。逆變或變流電路可采用GTO，IGBT, IGCT或SCR元件，通過SPWM變換，即可得到頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。需要指出的是，在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器(F)，否則升壓變壓器會因輸入諧波或dv/dt過大而發(fā)熱，或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高，一般相當于低壓變頻器的1/3到1/2的價格。

4、高高變頻器

高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網(wǎng)與電動機之間直接構建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前國際通用做法是采用器件串聯(lián)的辦法來提高電壓等級,其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術復雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結構比較緊湊。

高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種

4.1、電流型

它采用GTO,SCR或IGCT元件串聯(lián)的辦法實現(xiàn)直接的高壓變頻，目前電壓可達10kV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件，其對電流不夠敏感，因此不容易發(fā)生過流故障，逆變器工作也很可靠，保護性能良好。其輸入側采用可控硅相控整流，輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網(wǎng)的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術復雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流，發(fā)熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優(yōu)點在于具有四象限運行能力，可以制動。

需要特別說明的是，該類變頻器由于較低的輸入功率因數(shù)和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側安裝高壓自愈電容。

4.2、電壓型

電路結構采用IGBT直接串聯(lián)技術,也叫直接器件串聯(lián)型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進行濾波和儲能，輸出電壓可達6KV,其優(yōu)點是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯(lián)橋臂上的所有IGBT 作用相同，能夠實現(xiàn)互為備用，或者進行冗余設計。缺點是電平數(shù)較低,僅為兩電平，輸出電壓dV/dt也較大，需要采用特種電動機或整加高壓正弦波濾波器，其成本會增加許多。它不具有四象限運行功能，制動時需另行安裝制動單元。

這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題，一般需特殊設計驅動電路和緩沖電路。對于IGBT驅動電路的延時也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關閉的時間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會造成功率器件的損壞。

5、嵌位型變壓器

鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。

5.1、二極管嵌位型

它既可以實現(xiàn)二極管中點嵌位，也可以實現(xiàn)三電平或更多電平的輸出，其技術難度較直接器件串聯(lián)型變頻器低。由于直流環(huán)節(jié)采用了電容元件，因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠實現(xiàn)12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會因過壓而燒毀，又實現(xiàn)了多電平的輸出。

這種變頻器結構，輸出可以不安裝正弦波濾波器。

5.2、電容嵌位型

它采用同橋臂增設懸浮電容的辦法實現(xiàn)了功率器件的嵌位，目前這種變頻器應用的比較少。

6、單元串聯(lián)型變頻器

這是近幾年才發(fā)展起來的一-種電路拓撲結構，它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用模塊化設計，由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅動交流電動機，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器。以6單元串聯(lián)為例。整套變頻器共有18個功率單元，每相由6臺功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅動電機。每臺功率單元電路、結構完全相同，可以互換，也可以互為備用。

變頻器的輸入部分是一臺移相變壓器，原邊Y形連接,副邊采用沿邊三角形連接，共18副三相繞組，分別為每臺功率單元供電。它們被平均分成I、II、 II三大部分，每部分具有6副三相小繞組，之間均勻相位移10度。

該變頻器的特點如下:

①采用多重化PWM方式控制，輸出電壓波形接近正弦波。

②整流電路的多重化，脈沖數(shù)多達36，功率因數(shù)高，輸入諧波小。

③模塊化設計，結構緊湊，維護方便，增強了產品的互換性。

④直接高壓輸出，無需輸出變壓器。

⑤極低的dv/dt輸出，無需任何形式的濾波器。

⑥采用光纖通訊技術，提高了產品的抗干擾能力和可靠性。

⑦功率單元自動旁通電路，能夠實現(xiàn)故障不停機功能。

變頻器的結構原理圖解

可以簡單的說，交交變頻器需要使用太多元件，不好控制，而交直交使用的元件少，控制簡單，所以目前大多使用交直交結構的變頻器。

1、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、低速調速有應用。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用的要求，而且當時沒有IGBT，只有SCR，所以應用范圍有限。

交-交變頻器其工作原理是將三相工頻電源經(jīng)過幾組相控開關控制直接產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，電機產生抖動，不能工作。故交交變頻器至今局限低轉速調速場合，因而大大限制了它的使用范圍。

矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關陣組成。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??；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同時導通的或者關斷的現(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的不對稱都會影響到另一側。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。我們老師開玩笑說誰調通了36個管子就可以立即畢業(yè)。還有交-交變頻只能往工頻一下調節(jié)頻率，一般調到工頻的1/3-1/2，差不多20Hz。

2、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調制（目前調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計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。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，其直流側電感比較昂貴，而且應用于雙饋調速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉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構簡單、諧波含量少、定轉子功率因數(shù)可調等優(yōu)異特點，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機的運行狀態(tài)和輸出電能質量，并且該結構通過直流母線側電容完全實現(xiàn)了網(wǎng)側和轉子側的分離。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構。這種結構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。這種結構主逆變器有較低的開關頻率，輔逆變器有較低的開關電流。

同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓撲結構具有低開關損耗，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，另外該種結構電壓利用率比較低。

3、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產生很高的電壓，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調制將產生諧波、噪聲、軸電流等問題。

高壓變頻器工作原理

概述

高壓變頻調速系統(tǒng)，主要應用于風機、泵類等通過調速控制大量節(jié)能的場合。具有：? ?

（1）高可靠性：采用高—高電壓源型變頻調速系統(tǒng)，直接高壓輸入，直接高壓輸出，無需輸出變壓器。? ??

（2）高質量的功率輸入、輸出：輸入功率因數(shù)高，輸入諧波少，無需功率因數(shù)補償/諧波抑制裝置。? ??

（3）完善、簡易的功能參數(shù)設定：完整的通用參數(shù)設定功能（頻率給定、運行方式設定、控制方式、自動調度等）。

2

工作原理

高壓變頻器是一種串聯(lián)疊加性高壓變頻器，即采用多臺單相三電平逆變器串聯(lián)連接，輸出可變頻變壓的高壓交流電。按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：n=（1一s）60f/p=n?！粒?一s）（P：電機極對數(shù)；f：電機運行頻率；s：滑差）從式中看出， 電機的同步轉速n。正比于電機的運行頻率（n。=60f/p），由于滑差s一般情況下比較?。?～0.05），電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n。所以調節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。電機的滑差s和負載有關，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉速還會隨負載的增加而略有下降。

變頻器本身由變壓器柜、功率柜、控制柜三部分組成。三相高壓電經(jīng)高壓開關柜進入，經(jīng)輸入降壓、移相給功率單元柜內的功率單元供電，功率單元分為三組，一組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串。主控制柜中的控制單元通過光纖對功率柜中的每一功率單元進行整流、逆變控制與檢測，這樣根據(jù)實際需要通過操作界面進行頻率的給定，控制單元把控制信息發(fā)送到功率單元進行相應的整流、逆變調整，輸出滿足負荷需求的電壓等級。

3

構成

3.1

移相式變壓器

移相變壓器是單元串聯(lián)型多電平高壓大功率變頻器中的關鍵部件之一。用低壓電力電子元件做高壓變頻器通常有兩種方法：一是用低壓元件直接串聯(lián)，另一種方法是用獨立的功率單元串聯(lián)，稱為單元串聯(lián)型多電平高壓大功率變頻器。后者因為比前者有更多的優(yōu)點而成為高壓大功率變頻器的主流。?

很明顯移相變壓器在該變頻器中起了兩個關鍵的作用：一是電氣隔離作用才能使各個變頻功率單元相互獨立從而實現(xiàn)電壓迭加串聯(lián)，二是移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。（理論上可以消除6n-1次以下的諧波，?n為單元級數(shù)）

3.2

功率柜（6kV高壓變壓器）

（1）功率柜的構成：內部是由十八個相同的單元模塊構成，每相由六個額定電壓為577V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達3464V，線電壓達6000V左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個數(shù)或功率單元的輸出電壓等級，就可以實現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。6kV電壓等級的變頻器，給18個功率單元供電的18個二次繞組每三個一組，分為6個不同的相位組，互差10度電角度，形成36脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真大為減少，變頻器輸入的功率因數(shù)可達到0.95以上。不需要附加電源濾波器或功率因數(shù)補償裝置，也不會與現(xiàn)有的補償電容裝置發(fā)生諧振，對同一電網(wǎng)上運行的電氣設備沒有任何干擾。

（2）功率單元構成：功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入切分變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制，產生設定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓撲結構相同，實行模塊化的設計。其控制通過光纖發(fā)送。來自主控制器的控制光信號，經(jīng)光/電轉換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應的指令后，發(fā)出相應設的IGBT的驅動信號，驅動電路接到相應的驅動信號后，發(fā)出相應的驅動電壓送到IGBT控制極，操作IGBT關斷和開通，輸出相應波形。功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應答信號電路中進行處理，集中后經(jīng)電/光轉換器變換，以光信號向主控制器發(fā)送。

所有的功率模塊均為智能化設計具有強大的自診斷指導能力，一旦有故障發(fā)生時，功率模塊將故障信息迅速返回到主控單元中，主控單元及時將主要功率元件IGBT關斷，保護主電路；同時在中文人機界面上精確定位顯示故障位置、類別。在設計時已將一定功率范圍內的單元模塊進行了標準化考慮，以此保證了單元模塊在結構、功能上的一致性。當模塊出現(xiàn)故障時，在得到報警器報警通知后，可在幾分鐘內更換同等功能的備用模塊，減少停機時間。?

3.3

雙DSP控制系統(tǒng)

主控器的核心為雙DSP的CPU單元，使指令能在納秒級完成。這樣CPU單元可以很快的根據(jù)操作命令、給定信號及其它輸入信號，計算出控制信息及狀態(tài)信息，快速的完成對功率單元的監(jiān)控。

3.4

高壓變頻器的性能特點

（1）應用范圍

調速范圍寬，可以從零轉速到工頻轉速的范圍內進行平滑調節(jié)。在大電機上能實現(xiàn)小電流的軟啟動，啟動時間和啟動的方式可以根據(jù)現(xiàn)場工況進行調整。頻率的調整是根據(jù)電機在低頻下的壓頻比系數(shù)進行電壓和頻率的輸出，在低轉速下，電機不僅是發(fā)熱量低，而且輸入電壓低，將使電機絕緣老化速度降低。

（2）技術新穎串聯(lián)多重化疊加技術的應用實現(xiàn)了真正意義的高-高電力變換，無需降壓升壓變換，降低了裝置的損耗，提高了可靠性，解決了高壓電力變換的困難。串聯(lián)多重化疊加技術的應用還為實現(xiàn)純正弦波、消除電網(wǎng)諧波污染開辟了嶄新的途徑。

編輯：黃飛

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