靜止變頻器

異步電機變頻調速系統由靜止變頻器、異步電機及控制系統構成。靜止變頻器是一種能提供頻率及電壓同時變化的電力電子電源裝置，可分為間接變頻器和直接變頻器兩大類。間接變頻器先將工頻交流電源整流成電壓大小可控的直流，再經過逆變器變換成可變頻率交流，由此也稱交-直-交變頻器。直接變頻器則將工頻交流一次性變換成可變頻率交流，故可稱交-交變頻器。目前以間接變頻器套用較為廣泛。

基本介紹

• 中文名：靜止變頻器
• 外文名：Static inverter
• 組成：半導體功率元件、直流電抗器等
• 優點：無級變速、啟動平穩等
• 學科：電力工程
• 分類：間接變頻器和直接變頻器

靜止變頻器的作用

靜止變頻器是由半導體功率元件、直流電抗器等設備組成的具有一定功率的非旋轉電機式頻率變換器，是利用可控矽的通斷作用將工頻電源變換為可變頻率的電能控制裝置。半導體功率元件主要有可控矽或IGBT（MOSFET與雙極電晶體的複合器件）等大功率元件。

靜止變頻器是抽水蓄能機組泵工況啟動的首選拖動設備，它既可將發電電動機從靜止狀態平穩地拖動至額定轉速，義可靈活地將發電電動機穩定在某一轉速。因此特別適用於作為容量大、台數多的大型抽水蓄能電站機組泵工況啟動的拖動設備。靜態變頻器還可以套用於其他許多領域，如冶金、船舶、艦艇等，它的主要優點是無級變速、啟動平穩、反應速度快、調節精度高，具有很強的自診斷能力。

靜止變頻器的組成

靜止變頻器主要由功率部分、控制部分、保護部分、電源部分及輔助設備等組成。

功率部分是靜止變頻器實現功率轉換的基本部件，主要由可控矽整流橋和逆變橋及平波電抗器組成，屬高壓部分；控制部分是靜止變頻器的核心控制部件，主要由高性能控制器、模擬量採集與脈衝觸發單元組成；保護部分包括控制器內置保護和功率部分保護．其中控制器內置保護屬快速保護，通常作為靜止變頻器的主保護，而功率部分保護通常作為前者的後備；電源部分包括控制器用控制電源、輔助設備用動力電源、開關設備用控制電源、保護裝置電源、照明與加熱器電源等；輔助設備主要指冷卻單元。

間接變頻裝置

間接變頻裝置由整流器和逆變器組成，整流器先將工頻交流電源變換成直流電（AC/DC變換），逆變器再將直流電變換為電壓、頻率可控的交流電（DCAC變換），共同組成交-直-交變頻器。

按照不同的電壓控制方式，它又可分成三種類型。

晶閘管可控整流型

下圖示出的是一種兩級變換（AC/DC-DC/AC）的可控整流的變頻裝置，它的整流器和逆變器均由晶閘管構成，整流器通過晶閘管可控整流技術控制電源的電壓，逆變器控制電源的頻率。

晶閘管可控整流型

該變頻裝置的特點是：

1、由於調壓和調頻分別在兩個環節上進行，要求兩者在控制上很好地協調；

2、晶閘管可控整流的時間常數決定於工頻電源的頻率，動態回響無法改變；

3、晶閘管整流器能夠實現功率的雙向傳遞，即在電機制動時能夠將電能回饋電網；

4、可選用特大功率的晶閘管器件，適用於大功率的交流調速系統。

直流電壓斬波控制型

下圖示出的是一種三級變換（AC/DC-DC/DC-DC/AC）的變頻裝置，它用二極體實現不控整流（AC/DC），在直流環節增加斬波器來調節電壓（DC/DC），再由逆變器完成頻率的控制（DC/AC）。

直流電壓斬波控制型

該變頻器的特點是：

1、需要增加一個斬波環節，增加了電路的複雜程度和功率損耗；

2、由於斬波器的斬波頻率比較高，控制電壓時動態回響比較好；

3、調壓和調頻也是分別在兩個環節上進行，要求兩者在控制上很好地配合；

4、二極體不控整流電路不能使電能回饋電網，電機快速制動時需要增加制動迴路實現能耗制動。

脈寬調製控制型

下圖示出的是另一種兩級變換（AC/DC-DC/AC）結構的變頻裝置，它採用二極體實現不控整流（AC/DC），逆變器（DC/AC）採用功率開關器件實現SPWM的控制方法，同時進行輸出電壓和頻率的控制。

脈寬調製控制型

該變頻器的特點是：

1、在逆變器上同時控制電壓與頻率，很容易實現兩者的協調控制；

2、採用脈寬調製技術，有很好的動態回響性能；

3、採用正弦脈寬調製方法時，可以使變頻器輸出電壓諧波大大減少，使電動機工作性能得到改善；

4、二極體不控整流電路不能使電能回饋電網，當電機快速制動時需要增加制動迴路實現能耗制動。

直接變頻裝置

直接變頻裝置能夠將工頻交流電一次變換成頻率可控的交流電，沒有中問直流環節，即所謂交-交（AC/AC）變頻器。

直接變頻裝置的工作原理如下圖所示，當變頻器某相希望輸出正向電壓時，則該相的正組整流器工作，而當希望輸出反向電壓時，則該相的反組整流器工作。這樣每相的正、反兩組整流器按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓，其頻率決定於兩組整流裝置的切換頻率。輸出電壓的幅值決定於各組整流裝置的控制角α，如果控制角α按照正弦規律變化，則輸出平均電壓就是正弦波。

工作原理

晶閘管實現的交-交變頻器的特點是：

1、交-交變頻裝置的單相需要6個晶閘管元件，三相變頻裝置共需36個晶閘管元件（當每一橋臂只用一個元件時），若採用零式電路，也需要18個元件。因此，交一交變頻裝置雖然在結構上只有一個變換環節，省去中間直流環節，但所用元件數量更多，總設備相當龐大。

2、電壓反向時最快也只能沿著電源電壓的正弦波形變化。所以最高輸 出頻率不超過電網頻率的1/3~1/2（視整流相數而定），否則輸出波形畸變太大，將影響變頻調速系統的正常工作。

鑒於上述原因，該交-交變頻器只用於低轉速、大容量的交流調速系統，如軋鋼機、球磨機、水泥迴轉窯等。