變頻器工作原理

非同步電動機用變頻器傳動時的框圖如圖1所示，整流器將交流電變為直流電，平波迴路將直流電平衡，逆變器將直流電逆變為頻率可調的交流電。為了電動機的調速傳動所給出的操作量有電壓、電流、頻率。

圖1 變頻器的基本構成

表1將實用化的變頻器按主電路方式、控制方式等分類。各種方式的組合是為了充分發揮其控制特性、適用電動機、容量範圍、經濟性等特點而設計製造的。

表1 逆變器的種類

作為變頻器，通常採用三相逆變器。但這裡為了簡化電路，採用單相逆變器來說明電壓型、電流型、電壓控制、電流控制等逆變器的基本工作原理。}

一、電壓型與電流型

作為主電路方式有電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型是將電壓源的直流電變換成交流電的變頻器，電流型是指將電流源的直流電變換為交流電的方式。

下面用機械開關來說明其基本動作。負載是非同步電動機，採用圖2(b)的等效電路（忽略im、r1、r2），並為滯後功率因數負載。

圖2 考慮了諧波的非同步電動機等效電路

(一)電壓型

電壓型逆變器的原理圖及其動作如圖3所示。其中圖a為單相橋式電壓型逆變器，如果使開關s1~s4像圖d那樣導通、關斷，那麼負載電壓u就成為矩形波交流電壓，其大小等於直流電壓源電壓ed，如圖b中實線所示。這裡假定負載電流i由於負載電感的平滑作用為正弦波交流電流，如圖b中虛線所示。

圖3 電壓型逆變器的原理

a)電路構成 b)電壓/電流波形 c)直流電流波形（瞬時功率） d)開關動作狀態

現在，使開關s1、s2導通，由直流電壓源ed沿圖a中①路線供給負載電流i。在時刻t1使這兩個開關關斷，同時使開關s3、s4導通，於是負載的無功功率就沿②路線反饋給直流電壓源ed。

考慮負載電流i和開關的動作狀態，直流電流id的波形如圖c所示。另外，負載電壓u與負載電流i的積為瞬時功率p，它與直流電流id的波形相同。瞬時功率p的平均值pa為向負載提供的有功功率。

時刻t1～t2的滯後角相當於非同步電動機的滯後功率因數角，時有功功率為正（電動狀態），時為負（再生狀態）。滯後角與瞬時功率p及有功功率pa的關係，如圖4所示。

圖4 滯後角與瞬時功率p、有功功率pa}

當開關採用單方嚮導通的半導體開關器件時，以電晶體為例，為了向電源反饋（路線②），要同電晶體反併聯續流二極體。

電壓型變頻器的主電路構成見表1中項1～3所列，由閘流體或二極體、電晶體構成的整流器、平波電容（用作電壓源）以及逆變器組成。

(二) 電流型

電流型變頻器的原理及其動作如圖5所示。其中圖a為單相橋式電流型逆變器。如果使開關s1～s4像圖d那樣導通、關斷，則負載電流i就變為矩形波交流電，大小等於直流電源電流id，如圖b中實線所示。

負載電壓u由負載的感應電動勢e決定，為正弦波形，如圖b中虛線所示。

圖5 電流型逆變器原理圖

a)電路構成 b)輸出電壓電流波形 c)直流電壓波形（瞬時功率）

d)s1、s2動作、s3、s4動作

現在，使開關s1，s2導通，負載電流i從電流源經圖示的路線①流出。在時刻t1關斷這兩個開關時，因為是電流源，負載電流必須急速地反向，但是電感負載的電流不可能瞬時反向，在負載兩端需要有吸收電感儲存能量的電路。在吸收此能量期間，負載兩端將產生di/dt的尖峰電壓。

由於能量吸收迴路的作用，負載電流反向後，功率從負載向電源反饋，在時刻t2負載電壓反向。此後，在s1，s2再次導通時刻t3之間的期間，為功率從電源流向負載的電動狀態。

考慮負載電壓u和開關的動作狀態，直流電壓波形ed為圖c的波形。另外瞬時功率p與直流電壓波形相同。此瞬時功率p的平均值為有功功率pa，如圖c中虛線所示。

非同步電動機的滯後功率因數角與瞬時功率p和有功功率pa的關係，同圖4中的電壓型逆變器波形一樣。

採用半導體開關時，對於電流型逆變器通常採用閘流體，它雖然需要換相電路，但可以兼用作能量吸收迴路。

電流型逆變器的主電路構成見表1中的項4及5所列，變流器部分採用閘流體，同時採用變流器與平波電抗器使它具有電流源作用。

二、電壓控制與電流控制

主電路方式分為電壓型及電流型兩類，控制方式也分為電壓控制及電流控制兩種。這兩種方式，不管主電路方式是電壓型還是電流型都可以適用。

通用變頻器等採用電壓控制方式，與輸出頻率成比例地控制輸出電壓。對於需要快速響應的用途則必須控制輸出電流，可採用電流控制方式。

1.電壓控制通用變頻器適用電壓型的電壓控制。表1中項1igbt變頻器和gto閘流體變頻器，是在逆變器側控制輸出的電壓和頻率。

輸出電壓的大小，可以利用半導體開關的導通率將輸出電壓控制成為正弦波。表1中項2及4的閘流體變頻器，是在整流器側控制輸出電壓，在逆變器側控制頻率。

2.電流控制對於要求類似直流電動機快速響應性的應用場合，為了快速控制非同步電動機的轉矩，適用電流控制。

表1中項5的電流型閘流體變頻器，在逆變器側控制頻率，在整流器側控制電流。該表中項3，用電晶體和gto閘流體構成的電壓型變頻器則適用這樣的電流控制方式，利用逆變器側的導通率將輸出電流控制成為正弦波。}

三、 pam與pwm

輸出電壓或輸出電流的控制，可以在整流器側或逆變器側進行。作為這種輸出的控制手段有pam和pwm兩種方式。

(一)pam(pulse amplitude modulation)

pam是一種改變電壓源的電壓ed（見圖3）或電流源的電流id（見圖5）的幅值，進行輸出控制的方式。因此，在逆變器只控制頻率，在整流器側控制輸出的電壓或電流。採用pam調節電壓時，高電壓及低電壓時的輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 採用pam的電壓調節

a)高電壓時 b)低電壓時

表1中項2、4、5的閘流體逆變器，其換相時間需要100～數百s，所以，難以做到用閘流體來開關實現pwm控制，要採用在逆變器只控制頻率的pam方式。

(二)pwm(pulse width modulation)

在非同步電動機恆轉矩的變頻調速系統中，隨著變頻器輸出頻率的變化，必須相應地調節其輸出電壓。另外，在變頻器輸出頻率不變的情況下，為了補償電網電壓和負載變化所引起的輸出電壓波動，也應適當地調節其輸出電壓。具體實現調壓和調頻的方法有很多種，但總的來說，從變頻器的輸出電壓和頻率的控制方法來看，基本上按前所述分為pam和pwm（pam前已介紹，此處討論pwm）。

pwm型變頻器靠改變脈衝寬度來控制輸出電壓，通過改變調製週期來控制其輸出頻率，所以脈衝調製方法對pwm型變頻器的效能具有根本性的影響。脈寬調變的方法很多，從調製脈衝的極性上看，可以分為單極性和雙極性調製兩種；從載頻訊號和參考訊號（基準訊號）頻率之間的關係來看，又可以分為同步式和非同步式兩種。

1. 單極性調製

1)單極性直流參考電壓調製方法，以圖7所示電壓型三相橋式變頻器的原理電路為例，大功率電晶體變頻器的基極驅動訊號在控制電路中一般常採用載頻訊號uc與參考訊號ur相比較產生，這裡uc採用單極性等腰三角形鋸齒波電壓，而ur採用直流電壓。在uc與ur波形相交處發出調製訊號，部分脈衝調製波形如圖8所示。圖中畫出的是經過三相對稱倒相後的a、b點電位、u』oo和相電壓uao的脈衝列波形。

在乙個週期內有12個三角形，即載頻三角波的頻率fδ為輸出頻率fo的12倍（fδ可以是fo的任意6的整數倍）。輸出波形正負半周對稱，主電路中的6個開關器件以1—2—3—4—5—6—1順序輪流工作，每個開關器件都是半周工作，通、斷6次輸出6個等幅、等寬、等距脈衝列，另半周總處於阻斷狀態。

圖7 電壓型三相橋式變頻器原理電路

圖8 單極性直流參考訊號的部分調製脈衝波形

輸出的相電壓波形每半個週期出現6個等寬等距脈衝，中間兩個脈幅高(2e/3)兩邊4個脈幅低(e/3)，正負半周對稱，這個脈衝波形可以分解為基波電壓u1和一系列諧波電壓，基波電壓就是要求輸出的交流電壓，而諧波電壓分量愈小愈好。

從波形圖可以看出：當三角波幅值一定，改變參考直流訊號ur的大小時，輸出脈衝的寬度即將隨之改變，從而改變輸出基波電壓的大小；改變載頻三角波的頻率並保持每週的輸出脈衝數不變，就可以實現輸出電壓頻率的調節。顯然，同時改變三角波的頻率和參考直流訊號電壓ur的大小，就可以使變頻器的輸出在變頻的同時相應地改變電壓的大小。

上述調製方式是在改變輸出頻率的同時改變三角波的頻率，使每半周包含的三角波數和相位不變，正、負半周波形始終保持完全對稱。這種調製方式叫做同步脈衝調製方式。同步調製方式雖然由於輸出波形正負半周完全對稱，只有奇次諧波，沒有偶次諧波，但是每週的輸出脈衝數不變，低頻輸出時諧波影響大。

2)單極性正弦波脈寬調變方式及參考訊號ur為正弦波的脈寬調變，一般叫做正弦波脈寬調變，簡稱spwm。產生的調製波是一系列等幅、等距而不等寬的脈衝列，如圖9所示。

圖9 正弦波脈寬調變波形

spwm調製的基本特點是在半個週期內，中間的脈衝寬，兩邊的脈衝窄，各脈衝之間等距而脈寬和正弦曲線下的積分面積成正比，脈寬基本上成正弦分布。經倒相後正半周輸出正脈衝列，負半周輸出負脈衝列。由波形可見，spwm比pwm的調製波形更接近於正弦波，諧波分量大為減小。

輸出電壓的大小和頻率均由正弦參考電壓ur來控制。當改變ur的幅值時，脈寬即隨之改變，從而改變輸出電壓的大小；當改變ur的頻率時，輸出電壓頻率即隨之改變。但要注意正弦波的幅值urm必須小於等腰三角形的幅值ucm，否則就得不到脈寬與其對應正弦波下的積分成正比這一關係。

輸出電壓的大小和頻率就將失去所要求的配合關係。

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