美國羅克韋爾變頻器的結構原理

1、變頻器的發展也同樣要經歷一個徐徐漸進的過程，初的變頻器并不是采用這種交直交：交流變直流而后再變交流這種拓撲，而是直接交交，無中間直流環節。這種變頻器叫交交變頻器，目前這種變頻器在超大功率、低速調速有應用。其輸出頻率范圍為：0-17（1/2－1/3 輸入電壓頻率），所以不能滿足許多應用的要求，而且當時沒有IGBT，只有SCR，所以應用范圍有限。

交交變頻器其工作原理是將三相工頻電源經過幾組相控開關控制直接產生所需要變壓變頻電源，其優點是效率高，能量可以方便返回電網，其大的缺點輸出的高頻率必須小于輸入電源頻率1/3或1/2，否則輸出波形太差，電機產生抖動，不能工作。故交交變頻器至今局限低轉速調速場合，因而大大限制了它的使用范圍。

矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環節，輸出由三個電平組成，諧波含量比較小；其功率電路簡單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數可控，可在四象限工作。

雖然矩陣變換器有很多優點，但是在其換流過程中不允許存在兩個開關同時導通的或者關斷的現象，實現起來比較困難。矩陣變換器大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類變換器一個很大缺點。應用在風力發電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無論是負載還是電源側的不對稱都會影響到另一側。另外，矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交直交的中間儲能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關頻率的交流電流，其體積并不小。

交-交變頻就是直接變頻，少了一個環節，但是用的器件量很多，三相的需要36個晶閘管，控制復雜。我們老師開玩笑說誰調通了36個管子就可以立即畢業。還有交-交變頻只能往工頻一下調節頻率，一般調到工頻的1/3-1/2，差不多20Hz。

2、我們把這種交流變直流而后再變交流這種變頻器叫交直交變頻器，分為兩種，一種是交直交電壓型，另外一種是交直交電流型。其中前者廣泛使用，現在的通用變頻器就是采用這種拓撲。其特點是：中間為電解電容儲存提供母線電壓，前級采用二極管不控整流，簡單可靠，逆變采用三相PWM調制（目前調制算法是空間電壓矢量）。由于采用了一定容量的電解電容，所以直流母線電壓穩定，此時只要控制好逆變IGBT的開關順序（輸出相序、頻率）和占空比（輸出電壓大小），就可以獲得非常*的控制特性。

交—直—交變頻器則是先把交流電經整流器先整流成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，再經過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。

交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。傳統的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關，其直流側電感比較昂貴，而且應用于雙饋調速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風力發電中應用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結構簡單、諧波含量少、定轉子功率因數可調等優異特點，可以明顯地改善雙饋發電機的運行狀態和輸出電能質量，并且該結構通過直流母線側電容*實現了網側和轉子側的分離。電壓型交直交變頻器的雙饋發電機定子磁場定向矢量控制系統，實現了基于風機大功率點跟蹤的發電機有功和無功的解耦控制，是目前變速恒頻風力發電的一個代表方向。

此外，還有一種并聯的交直交逆變器拓撲結構。這種結構的主要思想是通過一個交直交電流型和一個交直交電壓型變頻器并聯，電流型逆變器作為主逆變器負責功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負責補償電流型逆變器諧波。這種結構主逆變器有較低的開關頻率，輔逆變器有較低的開關電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓撲結構具有低開關損耗，整個系統的效率比較高。其缺點也是顯而易見的，大量電力電子器件的使用導致成本的上升以及更加復雜的控制算法，另外該種結構電壓利用率比較低。

3、盡管交—直—交變頻器具有輸出頻率高、功率因數高等優點，但交—直—交變頻器仍存在許多待改進的問題：

（1）當前大功率高電壓電力電子器件處在發展期，GTO元件面臨淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟；

（2）采用IGCT（或者GTO）、IECT的變流器，器件故障造成直通短路的保護還是難題；電源側變流器如果發生直通短路會造成電網短路，所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器，一般要求15%，甚至高達20%；

（3）交—直—交變頻器低頻運行時過載能力減低，一般運行在5Hz以下時變頻器過載能力減半；

（4）交—直—交變頻器輸出PWM調制電壓波形的電壓變化率du/dt很高，容易造成電機和電器的絕緣疲勞損傷；輸出導線較長時，共模反射電壓會在電機側產生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個電壓的峰值是直流電壓的兩倍，如果是三電平的變流器，這個電壓的峰值是中間一半電壓的三倍；

（5）交—直—交變頻器PWM調制將產生諧波、噪聲、軸電流等問題。  

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