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图解变频器的结构原理 变频器原理图

一言以蔽之 ， 交-交变频器需要使用的元器件太多 ， 难以控制 ， 而交-DC-交变频器使用的元器件较少 ， 易于控制 ， 所以目前多采用交-DC-交变频器 。
1.变频器的发展也要经历一个循序渐进的过程 。原来的变频器没有采用交流-DC:交流-DC再交流-DC的拓扑结构 ， 而是直接交流-DC ， 没有中间DC环节 。这种变频器称为交-交变频器 。目前 ， 这种变频器在超高功率和低速调节方面都有应用 。它的输出频率范围是0-17(1/2-1/3输入电压频率) ， 所以不能满足很多应用的要求 。而且当时还没有IGBT ， 只有SCR ， 所以应用范围有限 。
交交变频器的工作原理是通过多组相控开关控制三相工频电源 ， 直接产生所需的变压变频电源 。它的优点是效率高 ， 能量可以很容易地返回到电网 。它最大的缺点是最高输出频率必须小于输入电源频率的1/3或1/2 ， 否则输出波形会太差 ， 电机会抖动 ， 无法工作 。因此 ， 交-交变频器一直被限制在低速调速的场合 ， 从而大大限制了它的应用范围 。
矩阵变频器是一种交-交直接变频器 ， 由直接连接在三相输入输出之间的九个开关阵列组成 。矩阵变换器没有中间DC环节 ， 其输出由三个电平组成 ， 因此谐波含量相对较小 。其功率电路简单紧凑 ， 可输出频率、幅值和相位可控的正弦负载电压 。变换器的输入功率因数可控 ， 可以工作在四个象限 。
矩阵变换器虽然有很多优点 ， 但在其换相过程中很难实现两个开关同时导通或关断的现象 。矩阵变换器最大输出电压能力低 ， 器件耐压高也是这类变换器的一大缺点 。在风力发电中 ， 矩阵变换器的输入和输出是解耦的 ， 即负载和电源侧的不对称会影响另一侧 。此外 ， 矩阵转换器的输入必须与滤波电容相连 。虽然电容的容量比交流-DC-交流中间储能电容小 ， 但它们是交流电容 ， 因为要承受开关频率交流电流 ， 所以体积不小 。
交-交变频是直接变频 ， 少了一个环节 ， 但是用了很多器件 。三相变频需要36只晶闸管 ， 控制复杂 。我们老师开玩笑说 ， 谁换了36管 ， 马上就能毕业 。还有交-交变频只能把频率调到工频 ， 一般调到工频的1/3-1/2 ， 差不多20Hz 。
2.我们称这种为交流-DC-交流变频器 ， 分为交流-DC-交流电压型和交流-DC-交流电流型两种 。其中 ， 前者应用较为广泛 ， 目前通用变频器都采用这种拓扑结构 。
其特点是中间部分为电解电容储能提供母线电压 ， 前级采用二极管不控整流 ， 简单可靠 ， 逆变器采用三相PWM调制(电流调制算法为空之间的电压矢量) 。由于使用了一定容量的电解电容 ， DC母线电压稳定 。此时 ， 只要控制好逆变器IGBT的开关顺序(输出相序、频率)和空(输出电压)的比值 ， 就可以获得非常优越的控制特性 。
AC-DC-AC变频器通过整流器将交流电整流成直流电 ， DC中间电路对整流电路的输出进行平滑处理 ， 然后通过逆变器将直流电转换成频率和电压可变的交流电 。
交流DC变换器可分为电压型和电流型 。由于控制方式和硬件设计等多种因素 ， 电压型逆变器得到了广泛应用 。传统的电流型交流-DC-交流变频器采用自然换流晶闸管作为功率开关 ， 其DC侧电感价格昂贵 。而且用于双馈调速时 ， 过同步时需要换向电路 ， 在低转差频率时性能较差 ， 在双馈异步风力发电中应用不广泛 。电压型交流-DC-交流变频器是一种整流型变频器 ， 具有结构简单、谐波含量低、定子和转子功率因数可调等优点 。可以明显改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量 。此外 ， 该结构通过DC母线侧的电容器完全实现了电网侧和转子侧的隔离 。电压型交流-DC-交流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于风机最大功率点跟踪的发电机有功功率和无功功率的解耦控制 ， 是目前变速恒频风力发电的一个代表方向 。
此外 ， 还有一种并联交流-DC-交流逆变器拓扑 。这种结构的主要思想是将交流-DC-交流电流型逆变器和交流-DC-交流电压型逆变器并联 ， 电流型逆变器作为主逆变器负责功率传输 ， 电压型逆变器作为辅助逆变器负责补偿电流型逆变器的谐波 。利用这种结构 ， 主逆变器具有较低的开关频率 ， 辅助逆变器具有较低的开关电流 。与上面提到的交流-DC-交流电压逆变器相比 ， 这种拓扑具有低开关损耗和整个系统的高效率 。它的缺点也很明显 。大量电力电子器件的使用导致更高的成本和更复杂的控制算法 。另外 ， 这种结构的电压利用率相对较低 。
3.虽然交流-DC-交流变频器具有输出频率高、功率因数高等优点 ， 但仍有许多问题需要改进:
(1)目前大功率高压电力电子器件处于发展阶段 ， GTO元件面临淘汰 ， IGBT和IGCT尚未成熟；
(2)使用IGCT(或GTO)和IECT变换器 ， 器件故障引起的直通短路保护仍是一个难题；如果侧变换器发生贯通性短路 ， 会造成电网短路 ， 所以变换器必须采用高漏抗输入变压器 ， 一般要求15%甚至高达20%；
【图解变频器的结构原理 变频器原理图】(3)交流-DC-交流变频器在低频运行时过载能力降低 ， 一般在5Hz以下运行时 ， 变频器过载能力减半；
(4)交流-DC-交流变频器输出的PWM调制电压波形的电压变化率du/dt很高 ， 容易造成电机和电器的绝缘疲劳损坏；当输出线较长时 ， 共模反射电压会在电机侧产生高电压 。如果是两电平变换器 ， 这个电压的峰值是DC电压的两倍 ， 如果是三电平变换器 ， 这个电压的峰值是中间半电压的三倍 。
(5)交-DC-交变频器的PWM调制会产生谐波、噪声、轴电流等问题 。

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