變頻器的演變過(guò)程及工作原理

簡(jiǎn)單的說(shuō)，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(jiǎn)單，所以目前大多使用交直交結(jié)構(gòu)的變頻器。

1、變頻器的發(fā)展也同樣要經(jīng)歷一個(gè)徐徐漸進(jìn)的過(guò)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?fù)?，而是直接交交，無(wú)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(dāng)時(shí)沒(méi)有 IGBT，只有 SCR，所以應(yīng)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(guò)幾組相控開(kāi)關(guān)控制直接產(chǎn)生所需要變壓變頻電源，其優(yōu)點(diǎn)是效率高，能量可以方便返回電網(wǎng)，其最大的缺點(diǎn)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(jī)產(chǎn)生抖動(dòng)，不能工作。故交交變頻器至今局限低轉(zhuǎn)速調(diào)速場(chǎng)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(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開(kāi)關(guān)陣組成。矩陣變換器沒(méi)有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較小;其功率電路簡(jiǎn)單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)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(diǎn)，但是在其換流過(guò)程中不允許存在兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(gè)很大缺點(diǎn)。應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無(wú)論是負(fù)載還是電源側(cè)的不對(duì)稱都會(huì)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(chǔ)能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開(kāi)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(gè)環(huán)節(jié)，但是用的器件量很多，三相的需要 36 個(gè)晶閘管，控制復(fù)雜。我們老師開(kāi)玩笑說(shuō)誰(shuí)調(diào)通了 36 個(gè)管子就可以立即畢業(yè)。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。

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?fù)洹?/p>

其特點(diǎn)是：中間為電解電容儲(chǔ)存提供母線電壓，前級(jí)采用二極管不控整流，簡(jiǎn)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(shí)只要控制好逆變 IGBT 的開(kāi)關(guān)順序（輸出相序、頻率）和占空比（輸出電壓大?。涂梢垣@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(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，再經(jīng)過(guò)逆變器把這個(gè)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(jì)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(kāi)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(guò)同步速時(shí)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(fēng)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(jiǎn)單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過(guò)直流母線側(cè)電容完全實(shí)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(jī)定子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功的解耦控制，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。

此外，還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要思想是通過(guò)一個(gè)交直交電流型和一個(gè)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(fù)責(zé)功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負(fù)責(zé)補(bǔ)償電流型逆變器諧波。這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開(kāi)關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開(kāi)關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低開(kāi)關(guān)損耗，整個(gè)系統(tǒng)的效率比較高。其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，大量電力電子器件的使用導(dǎo)致成本的上升以及更加復(fù)雜的控制算法，另外該種結(jié)構(gòu)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(diǎn)，但交—直—交變頻器仍存在許多待改進(jìn)的問(wèn)題：

當(dāng)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;

采用 IGCT（或者 GTO）、IECT 的變流器，器件故障造成直通短路的保護(hù)還是難題;電源側(cè)變流器如果發(fā)生直通短路會(huì)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(dá) 20%;

交—直—交變頻器低頻運(yùn)行時(shí)過(guò)載能力減低，一般運(yùn)行在 5Hz 以下時(shí)變頻器過(guò)載能力減半;

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(jī)和電器的絕緣疲勞損傷;輸出導(dǎo)線較長(zhǎng)時(shí)，共模反射電壓會(huì)在電機(jī)側(cè)產(chǎn)生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個(gè)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(gè)電壓的峰值是中間一半電壓的三倍;

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