变频器主电路结构原理与选型

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　　变频是现代电力电子技术领域发展而来的，是我们常用的直流电与交流电之间的变换装置。它还可以改变我们交流电的频率，来控制交流电动机的电力控制设备。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。



　　上图为变交流频率的电路，P、N为变流器电路，可以把交流电整定为直流电，并加载到负荷Z，当给P的脉冲信号成正弦规律时，整定出的直流呈正弦的规律，为正弦曲线的上半部分，周期为脉冲信号的正弦规律周期，是交流电周期的整数倍。通过P和N的配合，就形成了在负荷Z上的周期正弦电流，并且频率可以根据脉冲信号周期调节，这就是变频器的工作原理。
　　变频器的应用
　　变频空调就是装载这种变频器的，可以使空调运行在不同的频率下，可以根据你设定的温度与室温进行比较自动调整运行频率,温差大运行频率就高，制冷或制热就快，反之就小。当房间温度接近设置温度时，保持最低频运行(运行频率越低,功率就越小,耗电量也就越低)，避免室外压缩机的频繁启动，从而节约电能。
　　另外，变频器运用在电动机上，可以实现无级调速，这在汽车、机车等领域广泛运用，实现了速度调节的连续性。
　　变频器主电路结构
　　一般认为，从主电路的结构和原理上可以认为电路分为电压型结构和电流型控制结构;从工作方式上，变频器的主要功能是实现交流到交流的电能变换，故而，这种电路工作方式是交交变换或者是交直交变换的形式。



　　这两种变换电路在本质功能上属于不同的电路结构，两者各有不同特点。对于交交变频器，省去了直流的中间环节，但是开关管的数量并没有降低，往往一个桥臂需要的开关管的数量会增加一倍，这种电路结构常见于超大功率的低速调节电路。其最大的缺点是输出的电源频率必须小于电网频率的1/3或者1/2，否者输出的电压波形畸变很大，故适合电机低速的场合。最新的研究中，矩阵式的电流结构得到了越来越多的关注，但是，这种电路结构最大的问题在于控制的复杂性，往往需要复杂的调制策略。
　　另外一种通用性较强的电路结构是交直交的主电路结构，从工作方式上又可以分为电压型和电流型结构，前者的使用范围较为广泛。
　　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。
　　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，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。
　　为了适应不同的电网工作状况，对变频器提出了更多的要求，为了适应不同的电网电压的要求，有些变频器会在电路结构中加入直流占波部分，将电压按照电机的工况要求进行升压，比如加入boost电路。在电网噪声比较大的情况下，为了保证电路的正常使用，会加入前段的滤波电路。



　　变频器如何选型
　　工业控制中经常使用工业变频器，如何为这些运动电机选择合适的变频器是一个被大家较为关注的问题。这个问题，应该依据现场的工作环境，被控制的对象，速度要求的范围，稳态速度精度，转矩要求，以及现场布线情况来进行要求。在生产工艺和生产经济性之间进行一个平衡。
　　变频器的选型依据是按照变频器的工作电流特性曲线包括负载电流曲线这一原则作为依据的。定性的来说，从电压匹配，电流匹配，转矩匹配上进行选型。这就要求我们队现场的用电情况有一个全面彻底的了解，对用电电压的等级，电压的波形质量进行全方位的了解，以保证变频器能够正常的工作，其次，要对负载有一定的认知，负载的性能曲线决定了变频器的应用方法，普通的离心泵变频器的额定电流与电机的额定电流相符，深水泵则需要更大的电流。
　　工程上的经验是，使用的电机功率多大，就是使用多大功率的变频器，一般为了留出余量，会使用稍微大规格的变频器。若现场的电机需要频繁的启动和制动，则必须要安装制动电阻，制动电阻的大小应该依据功率的大小选定。若工厂的环境比较恶劣，粉尘较大，散热比较困难，可以选择水冷式的变频器，这样可以有效的防止模块的炸裂，此外有效的降低了噪声。若是需要做老化测试的设备，可以考虑使用四象限的产品，有效的降低功率损耗。若现场有单独的直流电，可以只使用纯逆变的模组节约投入。此外，在大功率的变频器进线端，必须加入电抗器，这样既可以改善输入设备的电能质量，也可以提高设备的功率因数。
　　此外，根据变频器的功能可以选择不同精度的控制电机，一般的工业电机为交流感应电机，可以使用恒压控制或者恒流控制，根据电机类型的不同，使用的设备也不完全一样。根据电机的控制目的不同可以选择的变频器功能也不尽相同。
　　在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。 对一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
　　在一些精度要求严格的场合，需要对电机进行一系列测试后然后选型，甚至对电机的旋转编码器也提出了一定的要求。总而言之，因事因地制宜，根据不同的现场状况选择不同的电机和变频器是一条不变的准则。