变频器的组成与工作原理

一、概述

变频器是一种将固定频率的交流电转换为可变频率和可变电压的交流电的电力控制设备。现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），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。整流部分通常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。

二、整流电路

1. 功能与作用

整流电路的作用是将工频（通常为50Hz或60Hz）的交流电转换为直流电。通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成，其功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。

2. 构成与类型

常见的整流电路有不可控整流（如二极管整流）和可控整流（如晶闸管整流）两种类型。

• 不可控整流：结构简单、成本低，但输出电压不可调

• 可控整流：可以通过控制触发角来调节输出电压的大小

三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端，其作用是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免损坏变频器。

3. 关键参数

当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为1200—1600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。

三、中间直流环节

1. 功能与作用

中间直流环节对整流电路输出的直流电进行滤波和储能。它将整流后的脉动直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。中间直流环节可看作是一个能量的存储装置，电动机可以通过逆变器从中间电路获得能量。同时，在电机减速或制动时，它还可以将电机反馈的能量储存起来。

2. 构成与类型

中间直流环节一般由滤波电容和电感组成。滤波电容可以平滑直流电压的波动，电感则可以限制电流的变化率，提高直流电路的稳定性。

中间电路有三种类型：

• 将整流电压变换成直流电流

• 使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用

• 将整流后固定的直流电压变换成可变的直流电压

3. 电流型与电压型的区别

根据直流环节的储能方式不同，变频器可分为：

• 电流型：中间环节采用大电感作为储能环节，无功功率由该电感来缓冲，再生电能可直接回馈到电网

• 电压型：中间环节采用大电容作为储能环节，负载的无功功率由它来缓冲，无功能量很难回馈到交流电网

四、逆变电路

1. 功能与作用

逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，因此逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。

2. 构成与工作原理

逆变电路通常由多个电力电子开关器件（如绝缘栅双极型晶体管IGBT、金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET等）组成。通过控制这些开关器件的导通和关断，可以将直流电逆变为不同频率和电压的交流电。

最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律地控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。

控制电路根据给定的频率和电压信号，生成相应的脉冲宽度调制（PWM）信号，控制逆变电路中开关器件的导通和关断。通过改变PWM信号的占空比和频率，可以调节输出交流电的电压和频率。

3. 辅助电路

逆变电路中都设置有续流电路，其功能是当频率下降时，为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象并烧毁换流器件，因此在通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。

通常的中小容量变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块，内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。

五、控制电路

1. 功能与作用

控制电路是变频器的核心部分。它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。控制电路根据外部输入的控制信号（如给定频率、给定电压等）和反馈信号（如电机转速、电流等），按照一定的控制算法生成控制信号，控制逆变电路中开关器件的导通和关断，从而实现对输出交流电频率和电压的精确控制。

控制电路的主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。

2. 构成与控制方式

控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路组成。其控制方法可以采用模拟控制或数字控制。目前许多变频器已经采用微机来进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，靠软件来完成各种功能。

常见的控制方式包括：

• V/F控制：对变频器的频率和电压同时进行调节

• 转差频率控制：V/F控制的改进方式

• 矢量控制：将交流电机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以控制，使交流电机具有与直流电机相似的调速性能

• 直接转矩控制：把转矩作为控制量直接控制，是继矢量控制之后的一种新型交流变频调速技术

六、总结

变频器的完整工作流程可概括为：

• 整流过程：工频交流电接入变频器，整流电路将交流电转换为脉动的直流电

• 中间直流环节处理：滤波电容将脉动的直流电平滑为较为稳定的直流电压，同时进行储能

• 逆变过程：控制电路生成PWM信号，控制逆变器中开关器件的导通与关断，将直流电逆变为频率和电压可调的交流电

• 电机调速：通过改变输出交流电的频率，实现对电机转速的精确控制（电机转速 n = 60f/p，其中f为电源频率，p为电机极对数）

这四个部分协同工作，共同实现了变频器将工频电源变换为频率、电压均可调的交流电源的核心功能。