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2023-10-11
变频器的工作原理：从基础到实践
【摘要】：变频器的主要任务是把将工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要。变频器的电路一般由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成，如图2-6所示。逆变器也称为负载侧的变流器。在图2-6中，逆变器常采用6个半导体主开关器件组成，逆变器的输出量接负载。
变频器的主要任务是把将工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要。现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF，变频或矢量控制变频），先把工频交流电通过整流器转换成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电，以供给电动机。变频器的电路一般由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成，如图2-6所示。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
整流器也称为网侧变流器。在图2-6中，整流部分是由二极管VD1～VD6组成的三相整流桥，其输入量为交流电源，整流器把三相（或单相）交流电整流成直流电。平均直流电压Ud如式（2-27），Usl为电源的线电压。
Ud=1.35Usl（2-27）
二极管不可控桥式整流电路是变频器中整流器常采用的方案，当变频器采用PWM方式的情况下，这是一种较好的方案，而且该方案不需要设置控制电路，控制简单，成本低。整流器也可以采用晶闸管，但需要设置控制电路。
二极管整流电路工作原理简单，理论上，二极管整流器侧功率因数接近1，因为，中间直流电路采用大电容滤波，整流器的输入电流实际上是电容器的充电电流，谐波分量较大。
逆变器也称为负载侧的变流器。在图2-6中，逆变器常采用6个半导体主开关器件组成，逆变器的输出量接负载。通过有规律的控制逆变器中的主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电，只要调节主开关的通断速度就可调节交流电频率，通过调节Ud的大小可以调节直流电流幅值的大小。
现在常用的逆变器有绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、大功率晶体管（GTR）、门极关断晶闸管（GTO）、晶闸管（SCR）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）等。图2-6中续流二极管（VD7～VD12）的作用如下：
1）由于电动机是感性负载，工作时为无功电流返回直流电源提供通路；
2）减速时，为电动机处于再生制动状态，VD7～VD12为再生电流提供释放能量的通路；
3）逆变时，为线路的分布电感提供释放能量的通路。
中间直流环节常称为中间直流储能环节。因为，变频器的负载为电动机（感性负载），所以无论电机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不为1，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种交换依靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。
图2-6 变频器的基本结构
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2023-11-04
