变频器分类及其各类的介绍

变频技术是应交流电动机无级调速的需要而产生的，20 世纪60 年代以后，电力电子器件经历了SCR （晶闸管）、GTO （门极可关断晶闸管）、BJT （双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT （静电感应晶体管）、SITH （静电感应晶闸管）、MGT （MOS控制晶体管）、MCT （MOS 控制晶闸管）、IGBT （绝缘栅双极型晶体管）和HVIGBT （耐高压绝缘栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变频技术的不断发展。

1.根据主开关器件分类

根据变频器主开关器件的不同，变频器可分为： IGBT 变频器、SCR 变频器、BJT 变频器、GTO 变频器等。主开关器件采用IGBT 时，开关频率可达20 kHz 以上，输出波形已经非常接近正弦波，因此又称正弦脉宽调制（SPWM）逆变器。把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此改善变频后，电动机的特性等方面都具有明显的优势，有利于扩大变频器的频率调节范围，目前得到迅速普及应用的主要是这种变频器。

2.根据变流环节不同分类

1）交-直-交变频器

该变频器先将工频交流电源（三相或两相）通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电源，又称间接式变压变频器。交-直-交变频器的可调节频率范围较宽，低压变频器通常采用这种方式，其结构如图3.1 所示。

图3.1　交-直-交变频器结构图

2）交-交变频器

该变频器把频率固定的交流电源（恒压恒频CVCF）直接变换成频率和大小连续可调的交流电源（VVVF），又称直接式变压变频器。其主要优点是没有中间环节，变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2 以下。其转换前后的相数相同，主要用于低速大容量的调速系统，其结构如图3.2 所示。

图3.2　交-交变频器结构图

3.按照电压等级分类

（1）低压变频器（110 V、220 V、380 V）。

（2）中压变频器（500 V、660 V、1 140 V）。

（3）高压变频器（3 kV、3.3 kV、6 kV、6.6 kV、10 kV）。

4.根据直流电路的储能环节（滤波方式）分类

1）电压源型变频器

在交-直-交变频器装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下，这种变频器是一个内阻为零的恒压源，这类变频装置叫作电压源型变频器，中、小容量变频器以电压源型变频器为主，如图3.3 （a）所示。

图3.3　电压源型和电流源型交-直-交变频器

（a）电压源型； （b）电流源型

电压源型变频器电路在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压； 如果能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全，如图3.4 所示。

为解决这个问题，可采取的措施如下：

（1）主电路中设置泵升电压限制电路，当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，将从负载反馈的能量消耗在R0上，如图3.5 所示。

图3.4　不能实现再生反馈的电压源型变流电路

图3.5　带有泵升电压限制电路的电压源型变流电路

（2）将不可控整流电路改为可控整流电路，利用可控变流器实现再生反馈。当负载反馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。负载需要经常运行在制动状态的情况下（如电力机车、起重设备等），这种变频器具有显著的节能效果，如图3.6所示。

整流和逆变均为SPWM 控制的电压源型变流电路（图3.7）： 整流和逆变电路的构成完全相同，均采用SPWM 控制，能量可双向流动； 输入、输出电流均为正弦波，输入功率因数高且可实现电动机四象限运行。

2）电流源型变频器

当交-直-交变频器装置中的中间直流环节采用大电感滤波时，这类变频装置称为电流源型变频器，适用于大容量变频器。

图3.6　利用可控变流器实现再生反馈的电压源型变流电路

图3.7　整流和逆变均为SPWM 控制的电压源型变流电路(www.xing528.com)

整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧，如图3.8 所示。为使电路具备再生反馈电力的能力，整流电路同样可采用晶闸管可控整流电路，负载反馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间直流电压反极性，如图3.9 所示。

图3.8　不能实现再生反馈的电流源型变流电路

图3.9　采用可控整流的电流源型变流电路

整流和逆变均为SPWM 控制的电流源型变流电路，可通过对整流电路的SPWM 控制使输入电流为正弦波，并可使输入功率因数为1，如图3.10 和图3.11 所示。

图3.10　电动机SPWM 控制变频电路

图3.11　整流和逆变均为SPWM 控制的电流源型变流电路

5.根据电压的调制方式分类

1）正弦波脉宽调制（SPWM）变频器

采用正弦波脉冲宽度调制，电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。

2）脉幅调制（PAM）变频器

采用脉冲幅度调制，电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的，比较少用。

6.根据输入电源的相数分类

1）三进三出变频器

变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电，绝大多数变频器都属于此类。

2）单进三出变频器

变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，家用电器里的变频器均属于此类，通常其容量较小。

7.按照工作原理分类

（1）V/f 控制变频器。

（2）转差频率控制变频器。

（3）矢量控制变频器。

（4）直接转矩控制型变频器。

8.按照用途分类

1）通用变频器

该变频器用于机械传动调速，功能齐全、性能好、价格贵。

2）高性能专用变频器

该变频器为具体应用而设计，使用面窄、价格低、操作简单。

3）高压变频器

该变频器适用于高压电动机。