变频器的基本动作原理及特点

异步电动机用变频器传动时的框图如图1所示，整流器将交流电变为直流电，平波回路将直流电平衡，逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。为了电动机的调速传动所给出的操作量有电压、电流、频率。

图1 变频器的基本构成

　　表1将实用化的变频器按主电路方式、控制方式等分类。各种方式的组合是为了充分发挥其控制特性、适用电动机、容量范围、经济性等特点而设计制造的。

表1 逆变器的种类

　　作为变频器，通常采用三相逆变器。但这里为了简化电路，采用单相逆变器来说明电压型、电流型、电压控制、电流控制等逆变器的基本工作原理。{{分页}}

一、 电压型与电流型

　　作为主电路方式有电压型变频器和电流型变频器。电压型是将电压源的直流电变换成交流电的变频器，电流型是指将电流源的直流电变换为交流电的方式。

　　下面用机械开关来说明其基本动作。负载是异步电动机，采用图2(b)的等效电路（忽略IM、r1、r2），并为滞后功率因数负载。

图2 考虑了谐波的异步电动机等效电路

(一)电压型

　　电压型逆变器的原理图及其动作如图3所示。其中图a为单相桥式电压型逆变器，如果使开关S1~S4像图d那样导通、关断，那么负载电压u就成为矩形波交流电压，其大小等于直流电压源电压Ed，如图b中实线所示。这里假定负载电流i由于负载电感的平滑作用为正弦波交流电流，如图b中虚线所示。

图3 电压型逆变器的原理

a)电路构成 b)电压/电流波形  c)直流电流波形（瞬时功率）  d)开关动作状态

　　现在，使开关S1、S2导通，由直流电压源Ed沿图a中①路线供给负载电流i。在时刻t1使这两个开关关断，同时使开关S3、S4导通，于是负载的无功功率就沿②路线反馈给直流电压源Ed。

　　考虑负载电流i和开关的动作状态，直流电流Id的波形如图c所示。另外，负载电压u与负载电流i的积为瞬时功率P，它与直流电流Id的波形相同。瞬时功率P的平均值Pa为向负载提供的有功功率。

　　时刻t1～t2的滞后角相当于异步电动机的滞后功率因数角，时有功功率为正（电动状态），时为负（再生状态）。滞后角与瞬时功率P及有功功率Pa的关系，如图4所示。

图4 滞后角与瞬时功率P、有功功率Pa{{分页}}

　　当开关采用单方向导通的半导体开关器件时，以晶体管为例，为了向电源反馈（路线②），要同晶体管反并联续流二极管。

　　电压型变频器的主电路构成见表1中项1～3所列，由晶闸管或二极管、晶体管构成的整流器、平波电容（用作电压源）以及逆变器组成。

(二)  电流型

　　电流型变频器的原理及其动作如图5所示。其中图a为单相桥式电流型逆变器。如果使开关S1～S4像图d那样导通、关断，则负载电流i就变为矩形波交流电，大小等于直流电源电流Id，如图b中实线所示。负载电压u由负载的感应电动势e决定，为正弦波形，如图b中虚线所示。

图5 电流型逆变器原理图

a)电路构成  b)输出电压电流波形  c)直流电压波形（瞬时功率）

d)S1、S2动作、S3、S4动作

　　现在，使开关S1，S2导通，负载电流i从电流源经图示的路线①流出。在时刻t1关断这两个开关时，因为是电流源，负载电流必须急速地反向，但是电感负载的电流不可能瞬时反向，在负载两端需要有吸收电感储存能量的电路。在吸收此能量期间，负载两端将产生di/dt的尖峰电压。

　　由于能量吸收回路的作用，负载电流反向后，功率从负载向电源反馈，在时刻t2负载电压反向。此后，在S1，S2再次导通时刻t3之间的期间，为功率从电源流向负载的电动状态。

　　考虑负载电压u和开关的动作状态，直流电压波形Ed为图c的波形。另外瞬时功率P与直流电压波形相同。此瞬时功率P的平均值为有功功率Pa，如图c中虚线所示。

　　异步电动机的滞后功率因数角与瞬时功率P和有功功率Pa的关系，同图4中的电压型逆变器波形一样。

　　采用半导体开关时，对于电流型逆变器通常采用晶闸管，它虽然需要换相电路，但可以兼用作能量吸收回路。

　　电流型逆变器的主电路构成见表1中的项4及5所列，变流器部分采用晶闸管，同时采用变流器与平波电抗器使它具有电流源作用。

二、 电压控制与电流控制

　　主电路方式分为电压型及电流型两类，控制方式也分为电压控制及电流控制两种。这两种方式，不管主电路方式是电压型还是电流型都可以适用。

　　通用变频器等采用电压控制方式，与输出频率成比例地控制输出电压。对于需要快速响应的用途则必须控制输出电流，可采用电流控制方式。

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