变频器工作原理与结构图文详解—变频器的功能作用分析.pdf

变频器工作原理与结构图文详解—变频器的功能作

用分析

变频器

变频器（Variable-frequencyDrive，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。

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。

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。

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

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，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—直—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。

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